■ 中國重型汽車集團有限公司 (山東濟南 250002) 張延發(fā) 唐紹頌 李 永
加強型橫梁是重型汽車車架部件,裝在發(fā)動機、變速箱底部,聯(lián)接著下擺臂、方向機和車體的車架橫梁,其作用是托起并且固定發(fā)動機、變速箱,同時還能通過橫向聯(lián)接,增加車身強度,也會在一定程度上保護發(fā)動機、油底殼,不會使發(fā)動機和變速箱直接受到撞擊。因此,加強型橫梁在車輛行駛過程中會不斷受到各種形式的擠壓、拉伸、沖擊和扭曲等影響,容易出現(xiàn)開裂失效的問題,所以,需要有較高的強度和抗彎剛度來保證使用壽命。
加工這種結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品,通常先用剪板機剪出所需塊狀毛坯,然后沖壓成形。為保證成形工序的金屬材料合理流動性,在成形工序前需先局部修邊出對稱形狀,最后再進行局部修邊和沖裝配孔,以至達到裝配要求。由于成形過程較為復(fù)雜,容易出現(xiàn)應(yīng)力集中、料厚變薄等問題,最終可能導(dǎo)致產(chǎn)品開裂。
利用C A E分析成形過程中的料厚、內(nèi)應(yīng)力和等效應(yīng)力的變化,如圖1~圖3所示。
由圖1可知,黃色區(qū)域(R角處)變薄最為嚴重。
由圖2可知,綠色漸黃色區(qū)域(R角處與大弧處)內(nèi)應(yīng)力集中最為嚴重。
由圖3可知,綠色漸黃色區(qū)域(R角處與大弧處)成形等效應(yīng)變最為嚴重。
圖 1
圖 2
經(jīng)過CAE分析,壓型后R角處與大弧處最薄,內(nèi)應(yīng)力最為集中,等效應(yīng)變最為嚴重,這些區(qū)域最容易出現(xiàn)開裂的情況。通過對前期加強型橫梁售后問題的統(tǒng)計,其開裂現(xiàn)象與CAE分析結(jié)果一致,如圖4所示。
經(jīng)過對材料強度和零件的受力分析,該產(chǎn)品材料需要有較強的抗拉強度和屈服強度,同時生產(chǎn)工藝要求材料延伸率要高,所以將材料由傳統(tǒng)工藝的T510L改為ZQS500L,材料主要性能指標如附表所示。
通過對比可知,相對于T510,ZQS500L材料的抗拉強度、屈服強度和延伸率都有了大幅提高。所以,選用ZQS500L材料不但可以降低零件成形過程中斷裂的風(fēng)險,而且大大減少了成形后零件存在的隱形裂紋,消除了潛在的風(fēng)險。
工藝優(yōu)化主要體現(xiàn)在將成形工序由一次成形分為兩序成形,以減少潛在的起皺、開裂風(fēng)險。在板材彎曲成形過程中,隨著凸模進入凹模的深度不同,凹模圓角半徑支撐點的位置及彎曲件毛坯彎曲半徑r發(fā)生變化,支撐點距離L和彎曲半徑r逐漸減小,彎曲力P逐漸增大,彎矩M也增大。當(dāng)毛坯的彎曲半徑達到一定值時,毛坯在彎曲凸模圓角半徑處開始塑性變形,最后將板料彎曲成與凸模形狀一致的工件。彎曲變形區(qū)主要在彎曲處的圓角部分,板料外層切向纖維受拉而伸長,應(yīng)變、應(yīng)力狀態(tài)如圖5所示;內(nèi)層切向纖維受壓而縮短,應(yīng)變、應(yīng)力狀態(tài)如圖6所示;變形如圖7所示。應(yīng)變中性層位置內(nèi)移,變形區(qū)內(nèi)板材變薄和增長。
圖 4
在整個成形過程中,由于一次成形材料的彎曲內(nèi)應(yīng)力得不到有效釋放,變形區(qū)外層纖維切向受拉會出現(xiàn)裂紋、內(nèi)層纖維切向受壓會起皺變形,影響板料成形時材料進入模具型腔的正常流動,導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量下降甚至出現(xiàn)廢品,所以,將壓型階段分為預(yù)成形和整形兩道工序。由于產(chǎn)品成形形狀復(fù)雜, 第一次預(yù)成形先將平板坯料彎成大體形狀,彎曲R角較大,變形區(qū)板料外層受拉和內(nèi)層受壓變形較小,強度和剛度損失小,此工序所需壓力較小,如圖8所示。第二次成形為整形,修整工件的型腔高度、長寬度及裝配面平面度,將已經(jīng)預(yù)彎曲過的工件經(jīng)過整形達到最終使用要求。整形時,變形區(qū)R角進一步減小。由于受回彈因素的影響,整形后模具閉合進行5~8s的保壓校正,此工序所需壓力較大,如圖9所示。
材料主要性能指標
圖 5
圖 8
圖 9
(1)預(yù)成形階段。壓力計算公式為
式中,F(xiàn)1為自由彎曲力;b為彎曲件寬度(此處可按成形周長估算);r為彎曲件內(nèi)彎曲半徑;σb為材料抗拉強度;t為板材厚度;k為系數(shù),一般取k=1.0~1.3。
由以上公式估算出預(yù)成形階段所需壓力F1≈6 860kN。
(2)整形階段。壓力計算公式為
式中,F(xiàn)2為校正彎曲力;A為校正部分投影面積;q為單位面積上的校正力。
由以上公式估算出整形階段所需壓力F2≈13 034kN。比較F1和F2可知,整形工序所需壓力遠大于預(yù)成形工序。
綜上所述,通過原材料和工藝改進,可以提高產(chǎn)品質(zhì)量。目前公司已經(jīng)按照新工藝實現(xiàn)了批量生產(chǎn),實踐證明改進效果十分理想。成品如圖10所示。
圖 10
通過原材料的合理選擇,首先提高了抗拉強度、屈服強度和延伸率,再將成形工序分為預(yù)成形和整形兩個步驟,徹底釋放成形過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力,可以有效解決產(chǎn)品在使用過程中出現(xiàn)斷裂的問題。
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