载货汽车纵梁成形工艺及设备探讨

蒋 红，赵升吨，李 帆，李双江，周 昊

(西安交通大学 机械工程学院，陕西 西安 710049)

0 前言

在载货汽车、重型车等车型中，车架是汽车底盘的骨干元件，用于支承、安装汽车发动机及其他各部件，同时，车架是汽车重要的传力构件，发动机输出动力通过变速器、传动轴将扭矩传给驱动桥，驱动汽车行驶，汽车承载的质量及动力都作用于车架；而纵梁则是车架的重要构成部件，是汽车的关键承载部件及其他零部件装配的基础，也是制约车架总成质量和能力的瓶颈[1,2]。载货汽车纵梁常采用16 MnL、550 L等高强钢为材料，其高强度对制造工艺提出了高要求，纵梁截面一般为U形，其厚度范围常见7.0～10 mm，宽度220～320 mm，高度70～90 mm，长度5 500～11 500 mm，按其结构特点可以分为直截面和变截面两大类[1,3]。载货汽车纵梁的成形方式影响纵梁的成形质量及生产成本，纵梁常见的成形方式有冲压成形、辊压成形等。

1 冲压成形工艺及设备

如图1所示为纵梁的两大种类，传统汽车纵梁的成形方式为冲压成形，一般是通过安装在大型压力机上的上下模具对板料进行冲压，得到所需形状的纵梁。通过模具的设计能实现直截面、变截面纵梁的生产，冲压成形的生产效率高、但模具成本高、适合单品种、大批量、少批次的纵梁生产。随着对纵梁多品种需求的增加，冲压成形的模具出现了组合模具，通过更换模具能满足长短、外形尺寸等不同的纵梁生产，但同时也增加了换模时间和有存在偏心载荷的风险[1,3,4]。

图1 纵梁的两大种类

国内外众多学者对纵梁的冲压成形进行数值模拟分析和实验研究，为纵梁冲压成形工艺提供了大量宝贵的经验。王敏[5]等人利用伺服压力机和热冲压模具等进行不同润滑条件下汽车纵梁的成形质量和组织性能研究，实验比较后发现玻璃润滑Al-Si涂层板对减小纵梁表面粗糙度、组织性能等具有最佳表现性能，为纵梁的生产提供了借鉴，如图2所示为其团队采用的纵梁热冲压模具。周杰[6]等人进行纵梁整体冲压成形的数值模拟和实验试制，分析了纵梁硬区、软区的力学性能及组织特性，并通过数值模拟优化结果获得合理的工艺参数。毛卫国[7]利用Autoform软件对汽车纵梁冲压工艺进行成形模拟，对变形过程中的拉、压应力进行分析，并结合实验预测了纵梁的回弹趋势。

图2 纵梁热冲压实验模具

国内外众多公司在汽车纵梁冲压生产上投入了大量的资金和人力，以致力于获得质量良好的汽车纵梁。如图3所示为纵梁采用的大型模具及东风汽车公司十堰基地的4 000 kN的压力机[8]。

图3 纵梁冲压模具及其压力机

山东蓬翔汽车有限公司拥有成套的自动化纵梁冲压生产线，包括THP29-6300A大型数显液压机1台、AMCP-1200平板数控冲床2台、EXA3000数控等离子切割机1台等专精尖设备，能够生产宽度350～500 mm、厚度5～10 mm、长度4.5～12 m范围内的直截面、变截面纵梁，年产量可高达6万台份，在纵梁冲压方面拥有多项专利。图4a、图4b所示为山东蓬翔汽车有限公司纵梁冲压生产线及其冲压过程，图4c为其模具的断面图。

图4 山东蓬翔汽车有限公司纵梁冲压设备

2 辊压成形工艺及设备

随着市场竞争增强，车架设计更加多样化，整车功能配置频繁变化，纵梁向着“多品种、小批量、多批次”的方向发展，生产车间对柔性化制造需求增大，纵梁成形工艺不断改进，辊压成形作为一种较新的成形工艺已经进入到汽车纵梁生产领域中。辊压成形(Roll Forming,又称冷弯成形)是将板材通过带有型槽的多组成形辊子，利用多道次辊子的型面，渐次进行弯曲成形，从而得到所需截面形状的零件，辊压成形原理图如图5所示，辊压成形工艺特别适用于生产大批量的等截面长工件，并可与多种工艺过程(如开卷、校平、冲孔、焊接、定尺剪切等)结合，组成连续化生产线[9,10]。传统的辊压线只能生产直截面纵梁，在传统辊压工艺中新兴的变截面辊压成形(Flexible roll forming)，能解决变截面型材的成形需求，传统的辊压成形中辊子位置固定，变截面纵梁要求辊子能在辊压线的横向有相对运动，同时完成板材成形[11,12]。在变截面区域成形过程中，板材产生拉、压应力，这些区域非常关键，因为过度的拉压应力会导致板材破裂、起皱[13]。辊压成形的特点是生产效率较高，产品质量稳定，柔性化程度比冲压成形更高，更适合多品种、少批量、多批次的纵梁生产，变截面纵梁辊压成形线上辊子位置可调节，但其结构比直截面辊压线更为复杂。

图5 辊压成形原理图

国内外有众多学者对纵梁辊压成形工艺进行大量研究，北方工业大学在纵梁辊压成形方面做了大量的有限元模拟和实验研究，卢平山[14]对变截面纵梁辊压成形设备进行样机设计及ADAMS动力学模拟、CAE软件中进行工况模拟，得到了成形部件的运动学动力学特性曲线并对其进行优化；姚凯[15]利用Abaqus模拟变截面纵梁辊压成形过程，分析了不同截面的应力应变分布规律，对于生产中容易出现的褶皱、回弹等缺陷进行工艺参数调节，为实际生产提供了借鉴。Gülçeken[16]等人利用COPRA RF和MSC Marc等有限元软件进行变截面纵梁辊压成形的辊型设计和成形过程模拟，分析了纵梁变截面的腿高分布情况和法向应力分布特点。

国内外有众多公司、研究者采用辊压成形生产和研究汽车纵梁的成形质量和特点。国内在纵梁辊压领域内的研究正在不断追赶国外技术，一些汽车公司或者做辊压加工的厂商致力于解决纵梁的辊压成形问题，如一汽解放公司引进STAM公司的辊压线，专业生产大卡车和载货汽车的纵梁；潍坊仁通冷弯机械有限公司有生产汽车纵梁的辊压设备等。

意大利的Stam公司、Gasparini公司、Piemme公司等为生产纵梁辊压线设备的典型代表。目前，意大利公司Stam在纵梁的辊压成形方面有量产的生产线，该公司在1989年向瑞典Volvo公司提供第1条辊型线，目前在美国Metalsa、墨西哥Metalsa 及比利时Sadef等公司已经投产10余条辊压线[17]。意大利Stam公司的辊压线采用开式辊压单元，以高强钢卷材为原料，经过开卷、校平后进入辊压线，通过十几道次机架进行辊压成形，随后由切断装置切断[18]。该辊压线只能生产几种规格范围内的纵梁，辊压线占用空间大，如需更改工艺，需要更换辊子，重新组装生产线，耗时耗力，柔性化程度低。如图6所示，为Stam公司的纵梁辊压线。

图6 Stam公司的纵梁辊压线及产品

意大利Piemme公司的辊压线能生产板材最大厚度为10 mm的纵梁，该生产线集成了冲孔、辊压、打标、浮雕、激光切割、喷砂等工艺于一体，自动进行纵梁的装卸载。该公司的辊压线和成形的纵梁如图7所示[19]。该辊压线采用闭式辊压单元，一条生产线如需满足多种规格纵梁生产时，需要更换辊子中间的对分隔片以及更换新的圆角辊子，且对辊子形状要求高，只能成形辊子形状限定的纵梁截面；当更改工艺时，整条辊压线改动幅度大，柔性化程度低。

图7 Piemme公司的辊压线

变截面型材成形的典型代表有DataM公司的3D辊压成形中心(3D roll forming或Flexible roll forming)，可用于变截面纵梁成形，具有以下优点：比压力成形、传统冲压成形柔性化程度更高；连续生产时节约成本；在单一装置上集成了所有制造单元；对于高强钢、超高强钢、铝材等更容易成形。该3D辊压成形中心的辊子机架可调节，板材成形前为异形，根据最终要成形的截面设定初始板材形状后，用辊子形状和运动轨迹来成形所需要的截面[20]，如图8所示。

图8 DataM公司的3D辊压成形

该辊压线成形变截面部分，利用板材上下表面的辊子的形状和辊子沿辊压线横向移动实现成形，纵梁成形依赖辊子形状，对辊子的形状及安装位置要求极高，仅在变截面部分增加辊子一个自由度，工艺柔性化程度有待提高。

3 结束语

冲压成形和辊压成形都能得到质量稳定的汽车纵梁，两种方式均有一定量的公司和研究者在不断改进当前工艺，相比较而言，辊压比冲压工艺柔性化程度更高，更容易实现对汽车纵梁多品种多批次的市场需求，同时兼顾成本、环保等综合指标，更符合作为汽车纵梁制造方法的发展趋势。