汽车后桥横梁的工艺分析及模具设计

陶海玲，韩耀东

1.武汉中原电子集团有限公司（湖北武汉 430073）

2.武汉中人瑞众汽车零部件产业有限公司（湖北武汉 430073）

1 引言

汽车是由众多的零部件组合而成，其中底盘件是车辆的主要组成部件，而底盘上又包含众多其它零部件，比如前、后桥两大重要部件。底盘作用是支承、安装汽车发动机及其各部件、总成，形成汽车的整体造型，并接受发动机的动力，使汽车产生运动，保证正常行驶。其中后桥是汽车底盘上的关键制件之一，它是连接车轮与车身的机构，对车身起支撑和减振的作用。主要是传递车轮和车架之间的力，并且缓冲由不平路面传给车架或车身的冲击力，衰减由此引起的震动，以保证汽车能平顺地行驶。后桥可以按多种形式来划分，总体上主要分为两大类，独立悬挂和非独立悬挂。独立悬挂可以简单理解为，左右两个车轮间没有硬轴进行刚性连接，一侧车轮的悬挂部件全部都只与车身相连。而非独立悬挂两个车轮间不是相互独立的，之间有硬轴进行刚性连接。从结构上看，独立悬挂由于两个车轮间没有干涉，可以有更好的舒适性和操控性。而非独立悬挂两个车轮间有硬轴连接物，会发生相互干涉，但其结构简单，有更好的刚性。扭力梁式悬挂相对于独立式悬挂舒适性要差一些，但结构简单可靠，也不占空间，而且维修费用也比独立悬挂低，所以扭力梁悬挂多用在小型车和紧凑型车的后桥上。扭转梁式悬挂的结构中，两个车轮之间没有硬轴直接相连，而是通过一根扭转梁进行连接，扭转梁可以在一定范围内扭转。但如果一个车轮遇到非平整路面时，之间的扭转梁仍然会对另一侧车轮产生一定的干涉，严格上说，扭转梁式悬挂属于半独立式悬挂。图1所示为某车型扭转梁后桥的基本构成。

图1 扭转梁后桥构成

根据车型的不同，扭转梁后桥的尺寸和形状会有些差异，但基本形式和功能相同，在车辆运动中，总成制件有严格的强度和安全指标要求，为避免疲劳断裂，冲压件不允许出现冲压凹接口，焊接部位焊缝质量要求非常高，制件的孔和面是装配孔或装配面，精度要求较高，其尺寸的好坏，直接影响到整车装配和整车的质量性能。由此可见，后桥横梁的质量、尺寸直接影响汽车后桥的稳定性和安全性。所以冲压工艺的设计，决定了该制件的生产经济性、批量生产的质量稳定性以及生产效率的高效性。本文仅就后桥横梁的冲压工艺分析和模具结构方面，进行简单介绍。

2 制件冲压工艺分析

后桥横梁如图2所示，材料S500MC Q/BQB311-2009，料厚3.95±0.15mm，该制件材料强度较高，板料较厚，成形壁厚有严格要求，制件的型面、焊接边线、孔位均有要求，必须满足后续机器人总成焊接和总成尺寸要求。其中型面、焊接边线要求稳定，确保机器人焊接时，焊缝不偏移，制件焊接变形稳定，冲压毛刺≤0.2mm。

图2 后桥总成及横梁图片

初步分析的工艺方案是：①冲孔落料完成毛坯落料；②翻边成形；③整形；④修边冲孔侧冲孔；⑤冲孔侧冲孔切槽；⑥修边侧修边，具体工序图如图3所示。

3 工艺方案说明

（1）落料冲孔。将块料用外形定位，冲出2个工艺孔和一个防反孔，用于后续工序的定位使用；两侧4处修边，是为了解决制件法兰面成形时两个型面的交接过渡问题，事先修出过渡边线；两端的修边，主要是解决制件成形后，角部正修边和侧修边交刀困难的问题，预先修出一部分边线，同时对块料的两端边线进行修边，保证边线的一致性，后续有定位作用。

（2）翻边成形。制件用孔和防反孔定位，翻边成形为产品需要的形状。

（3）整形。用工艺孔防反孔定位，将成形的工序件整形到制件需要的精度要求。

（4）修边冲孔侧冲孔。用工序件的U型和外形边线定位，防反孔防反，冲出部分底面孔和部分侧面孔，冲部分孔的原因是因为工序件的孔距太近，模具强度不够，需要间隔孔位冲孔。

（5）冲孔侧冲孔切槽。制件底面的圆孔和长圆孔定位，冲压所有上工序未冲完的孔，同时一次性冲出4个半圆槽（总成焊接时，与高压管配合的部分），一次冲压完成，相对尺寸较好保证，制件一致性好，有利于后续的焊接过程。

图3 冲压工序图

（6）修边侧修边。由于在底盘件成形的过程中，材料的边线存在不整齐，更主要的是成形过程中，边线附件存在一定的成形内应力缺陷，所以，需要进行一次完整的修边，将边缘处隐藏的缺陷部分全部切除，确保底盘件的强度和安全性。

4 成形工艺的CAE分析

（1）首先按照初步工艺方案对制件的成形过程进行CAE模拟分析，具体结果如图4所示。

从成形过程分析，制件的侧壁及法兰面有明显的起皱现象，需要对成形模具的凹模型面进行更改，改善其成形时材料的变形趋势。

（2）在凹模的入口处，对型面进行修改，使材料流向分布均匀，防止材料严重起皱，具体结构如图5所示。

（3）模具型面修改后，再次CAE分析成形过程，具体结果如图6所示。

从分析结果看，材料起皱明显变小，而且变得平缓，没有材料堆积的情况产生，通过整形可以消除皱纹。

（4）制件的回弹情况分析，具体结果如图7所示。

图4 CAE分析报告

图5 凹模型面更改图

图6 改善后的CAE分析报告

图7 成形回弹报告

从分析结果看，制件底部最大回弹量1.227mm，侧壁最大回弹量2.760mm。此件一次成形到底的最大回弹不超过3mm，不需要侧整模来整治回弹，下一步进行回弹补偿和计算的工作。模具设计时，需要根据回弹量修正模具的型面尺寸，补偿回弹量，另一方面，通过整形消除回弹并使局部圆角达到图纸要求。

（5）材料厚度变化情况分析，具体结果如图8所示。

从分析结果看，局部由于产品造型和工艺布置，局部翻边多料有增厚趋势，最大厚度4.3mm，最小料厚3.5mm，但整体不影响制件精度，外观可接受。

（6）综合CAE分析的结果，初步制定的成形工艺方案是可行的，后续制件的冲孔修边，对制件的成形几乎没有影响，而且冲孔修边的尺寸比较稳定，能够满足制件技术要求。

图8 成形时材料的厚度变化报告

5 模具结构及设计要点

模具结构图如图9所示，本制件的生产由6副模具组成。

图9 模具结构图

（1）冲孔落料模。仅对局部进行修边，不需要对全部边线落料，冲裁力小，节约原材料，提高了材料利用率，模具结构简单。

（2）翻边成形模。相当于简单的U型压弯模结构，孔定位，有防反装置，氮气缸顶料，避免了气垫压力不稳定的问题，制件质量更稳定。采用压弯成形工艺，与拉伸工艺相比，工艺路线简单，材料利用率高，模具需要TD处理。

（3）整形模。对成形不到位的型面进行整形，消除回弹和起皱现象，并校正圆角部分的尺寸，上模采用氮气缸顶料，模具需要TD处理。

（4）修边冲孔侧冲孔模。主要是冲出底面上的大部分孔（包括定位孔）和两端的圆弧边线以及侧面的部分孔，侧冲孔要求两侧的力量对称（两侧冲孔数量相等），避免模具受力不均而啃刃口。

（5）冲孔侧冲孔切槽模。主要是冲出底面上的剩余的孔和侧面剩余的孔，侧冲孔要求两侧的力量对称（两侧冲孔数量相等），同时还要侧切槽（与高压管配合焊接的4个半圆槽），冲槽凸模需要克服反侧力，避免模具受力不均而啃刃口。

（6）修边侧修边模。主要是将两侧的成形边线进行一次修边（正修边）；将两侧的U型侧面进行局部侧修边（横梁两端的侧面，共4处），修边凸模需要克服反侧力。

整副模具设计的要点：模具结构紧凑，材料利用率高，工序合理分解，提高了模具的使用寿命。模具的定位、防反措施以及冲压反侧力考虑周到，表面TD处理，模具工作部分大多采用镶块结构，节约了模具的制造成本，易于维护和更换，对厚板料、高强度板的冲压非常有利，生产的制件稳定性好，整个生产过程顺畅、稳定。

6 结束语

该副模具经过调试，最终确定了毛坯尺寸，整个调试过程比较顺利，而且与计算分析的结果基本一致。最终满足产品要求，而且整个后桥总成疲劳强度合格，具体冲压件实物如图10所示。经过一定批量的生产验证，模具工作过程稳定，制件尺寸准确，壁厚较均匀，外观质量好，该模具目前已经投入批量生产。通过本制件的工艺分析及模具设计，解决了厚板料、高强度板底盘件的生产问题，为类似制件的开发提供了借鉴。

图10 最终成形件实物

冲压工艺设计的优劣直接影响到制件的成形性、成形质量及调试周期等，模具结构设计的好坏，直接影响模具制造、维护成本以及生产过程的可靠性和便利性。丰富的实践经验和模拟技术能为厚板料、高强度板底盘件成形模具提供有效的解决方案。本文通过底盘件成形工艺的计算分析、模具设计的详细描述，对底盘件成形模具设计具有一定的指导作用。