汽车防撞横梁冲压工艺研究及模具设计探讨

    李博睿

    摘 要：汽车行业是全球制造业中的支柱产业，在国民经济中占有重要地位。防撞横梁是汽车覆盖件的重要组成部分，是汽车的保护装备，在汽车制造中占有重要地位。本文深入探讨了汽车防撞A横梁工艺流程及模具设计内容，以期提高模具设计效率，保障防撞横梁生产质量。

    关键词：冲压工艺；CAE技术；冲压模具设计；缺陷

    DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.09.030

    汽车行业是全球制造业中的支柱产业。随着科技的发展及市场需求量的不断增长，汽车更新频率不断加快，其中，影响汽车更新的重要因素是汽车覆盖件的功能与外观的更新。汽车防撞横梁是汽车覆盖件的重要组成部分，是汽车吸收碰撞能量的重要装置，在汽车生产中占有重要地位。由于汽车横梁成形过程较为复杂，是一个大挠度、大变形的复杂塑形过程，因此，在模具设计时应充分考虑应力作用下金属的流动性及强化性，并考虑可能出现的金属破裂、起皱等特性，因此，有必要探讨CAE技术在防撞横梁冲压模具设计中的应用，以期对汽车防撞横梁冲压工艺和模具设计进行优化调整，达到提高制件合格率，缩短模具设计和生产时间的目的。提高生产效率。

    1 汽车防撞横梁冲压工艺设计

    1.1 冲压工艺的概念

    所谓冲压工艺是在金属塑性变形的基础上，通过模具在压力作用下分离或变形，从而得到一定形状的工件的加工方法。使用冲压方法加工的工件被称为冲压件，冲压工艺是汽车制造生产中的重要工艺重要步骤。相较于其他制件而言，覆盖件具有结构复杂、尺寸面积大、塑型难度大、质量要求高等特点，因此，常用冲压加工成型方法加工此类零件。

    1.2 冲压加工工序的分类

    在冲压加工生产中，冲压加工方法可分为两个大类工序，即分离与成型工序。分离工序主要是对制件和坯料沿确定的轮廓进行分离，从而达到预期的效果。成型工序是指在确保坯料完整的前提对坯料进行塑性变形加工，从而得到预期尺寸和形状的防撞横梁制件。按冲压加工方式进行划分，可将冲压过程分为落料、冲孔、切断、弯曲、拉伸、翻边、修边和整形。

    1.3 冲压工艺设计内容与步骤

    由于汽车防撞横梁形状复杂、结构尺寸大、质量要求和刚度要求高，一次成型难度大，需要经过多个工序才能得到符合要求的制件。在汽车防撞横梁冲压工艺设计时，需要综合考虑多种因素，不仅要满足现阶段汽车生产企业生产效率需求，还应当结合工艺生产成本、经济因素，并对防撞横梁冲压生产工艺方案进行设计复核。其步骤包括：冲压件分析、冲压工艺方案制定、确定冲压工艺方案、模具类型及结构形式的选定和冲压设备的选择。

    1.3.1 冲压工艺

    汽车防撞横梁位于保险杠的内侧，通常由冷轧钢板冲压制成U型槽，与汽车车架纵梁相连接，是吸收和保护车辆撞击能力的重要装置，成形性好的制件能够满足其抗碰撞的性能要求，同时，该制件为非外觀件，其性能要求较高，因此，在防撞横梁设计时，必须考虑防撞横梁成型后应具有一定的刚度。

    以某汽车防撞横梁为例，防撞横梁材质为B510L，其长度约为1.2m，宽度约为0.4m，坯料厚度为1.5mm，拉深深度为90mm。汽车防撞横梁制件应在满足客户设计需求的基础上进行生产，因此，防撞横梁外观、减薄率、变形充分程度和冲孔位置等应符合设计要求。同时，成品件还应当满足硬度及强度要求，且无褶皱和裂纹等缺陷。此外，由于该制件外观轮廓不规则，变形结构较为复杂，属于典型的大尺寸复杂拉深件，因此，冲压工艺要点包括：拉深深度大，不易充分成形，需要较大的拉深力，需采用拉深力大、行程大、压力分布均匀的机械设备；在冲压工艺设计时，应当考虑废料的大小及模具结构的复杂度，针对制件外边缘位置可先进行垂直修边或侧修，最后进行整形；汽车防撞横梁上方有一个规则的圆形孔，直径为37mm，可将冲孔与修边工序合并，降低加工工艺的数量。

    1.3.2 坯料分析

    B510L是常见的汽车横梁冲压材质，具有良好的冷成形性能和强度性能，该材料具有质量高、表面光洁度高、焊接性能好、便于涂油、上漆等特点。通过Dynaform软件对坯料进行分析，得出坯料尺寸为：长1200mm、宽340mm、厚度为1.5mm。

    1.3.3 冲压工艺方案的确定

    根据防撞横梁结构要求及性能特点，确定采用冲压工艺流程为：拉伸、一次侧修边、冲孔、二次修边和侧修边和整形。根据制件尺寸和数据，可通过以下公式计算拉伸力：

    首次拉深力计算：

    各次拉深力计算：

    式中：为拉深力（t）；

    k1、k2为修正系数；

    d1、di为拉深工序件直径（mm）

    t为坯料厚度（mm）；

    为拉深件的抗拉强度（MPa）。

    根据拉深力计算公式，计算出防撞横梁一次修边理论修边力为163t，理论压边力为8t；二次修边力为88t，理论压边力为4t；整形力为173t，理论压边力为26t。

    1.3.4 拉深工序设计

    在拉深设计时，首先应确定每个工序的工作坐标系，即冲压方向与数模基准点。冲压方向的确定是设计工作的关键工序，其正确性直接影响坯料的形状及后续拉深工序的质量。冲压工序的确定应综合考虑多个因素：冲压方向应注意不应造成负角，确保冲压能够成形出预期的空间形状，尽量将拉深高度差降至最低，进而降低因金属流动性和变形不均匀性而产生的质量问题。在拉深开始时，应对凸模及板料之间的接触状态进行检查，避免因凸模与板料产生相对运动而影响冲压效率，提高制件表面质量。

    其次，在压料面设计时，为了得到合格的冲压制件，应确保亚面料光滑平整，防止在压料过程中出现板料起皱的情况。同时，压料面设计应尽量简单，以平面、斜面为宜，避免在某一方向上形成较大的侧向力。

    1.3.5 修边冲孔工序设计

    由于汽车防撞横梁制件尺寸较大，如采用一次成形工艺，可能导致冲孔形成的废料无法及时排出，因此，在防撞衡量冲孔设计时，应采取两道工艺进行设计，即侧修边冲孔和侧修边。根据要求确定修边线，采取垂直修边和斜楔修边相结合的方式，在修边的同时冲出圆孔。

    在确定修边线后，应确定修边防线，尽量采取垂直于防撞横梁型面的方向。当条件不适宜时，可采用斜楔工艺方法进行修边。当采用该斜楔方法时，应确保修边方向应与型面角度小于15°，不宜大于30°。在确定修边方向后，应当充分考虑后续模具设计的工序，尽量保证模具结构的简单化，避免对后续工序带来不必要的麻烦。

    1.3.6 整形工序设计

    整形工序是整个冲压工艺的最后一步，经过上述工艺，坯料形状已接近制件成品形态，但需要对局部进行整形处理，因此，在防撞横梁工艺设计时，必须经过整形处理，以便于对防撞横梁形状进行校正和检查。由于防撞横梁型面较为复杂，部分圆角的半径较小，在整形时容易出现拉裂、损伤等缺陷，因此，可结合实际情况，在整形时将拉深圆角改大一些，以便于拉深操作。在整形工序中，为了防撞横梁制件最终形态满足设计要求，应在整形工序中对圆角进行精加工处理，调整制件最终形态，提高制件加工尺寸精度，进而满足制件设计要求。

    2 汽车防撞横梁冲压模具设计

    在汽车防撞横梁生产中，模具是冲压工艺的必要组成，按功能、工艺的不同，可将汽车防撞横梁模具分为拉深模具、修边冲孔模具、修边模具、整形模具，拉深模具是后续模具的基础，限于文章篇幅，本文主要以汽车防撞横梁的拉深模具为例，从凸模、凹模、定位装置等方面介绍汽车防撞横梁模具设计方法。

    2.1 凸模设计

    汽车防撞横梁凸模设计包括防撞横梁凸模制作和型面部分制作。凸模设计时，应从防撞横梁型面向上拉伸成一个长方体，并对凸模型面进行修正，对减重孔、导板安装位置等进行设计，从而得到拉深凸模本体。在型面部分设计时，制作步骤与凸模设计步骤一致，以拉伸分模线对型面进行裁剪，最终形成型面。

    2.2 凹模设计

    为了达到减重的目的，制作汽车防撞横梁的拉深凹模时，可中间型面向上拉伸出一个长方体，并以拉深分模线方向对凹模进行修剪，以所得到的型面与凹模长方体进行布尔减运算，从而得到防撞横梁拉深模框架，在此基础上对框架进行挖空处理。同时，在凹模内部增加部分筋条，从而得到凹模本体。

    2.3 压料芯设计

    压料芯模具设计时，首先应创建一定尺寸的长方体，确定拉伸型面的外边廓线，并以长方体和布尔减运算对长方体进行操作，创建压料芯弹顶装置，对弹顶装置、下模顶板、顶杆进行谁，最终得出压料芯设计方案。

    2.4 定位装置设计

    定位装置是防撞横梁上的定位装置， 用于固定拉深模具上下模。在定位装置设计时，其装置高度应考虑压料面的高度，确保定位块安放位置与板料线保持垂直，为确保定位块安放位置与板料线保持相对垂直。在定位装置设计时，应考虑压料面高度等因素。

    3 结语

    汽车防撞横梁是汽车覆盖件的重要组成部分，也是汽车碰撞时吸收碰撞能量的重要装置，在汽车装置中占有重要地位。在车防撞横梁冲压工艺研究及模具设计过程中，应制定详细的工艺方案，借助CAE技术，对拉深工艺进行分析和研究，优化工序参数。同时，借助UG软件對冲压模具进行设计，以此简化冲压工艺及模具设计工序，提高模具设计效率，保障防撞横梁制件质量。

    参考文献：

    [1]李文颖，汪家胜，董传林.汽车前防撞横梁轻量化设计[J].车辆与动力技术，2018（04）：38-41.

    [2]王晓艳.基于碰撞安全性的铝合金后保险杠防撞梁轻量化设计[D].吉林大学，2018.