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        加強(qiáng)型橫梁工藝設(shè)計(jì)

        2018-03-26 09:37:08中國(guó)重型汽車集團(tuán)有限公司山東濟(jì)南250002張延發(fā)唐紹頌
        金屬加工(冷加工) 2018年3期
        關(guān)鍵詞:加強(qiáng)型內(nèi)應(yīng)力橫梁

        ■ 中國(guó)重型汽車集團(tuán)有限公司 (山東濟(jì)南 250002) 張延發(fā) 唐紹頌 李 永

        1. 產(chǎn)品特性及加工難點(diǎn)

        加強(qiáng)型橫梁是重型汽車車架部件,裝在發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱底部,聯(lián)接著下擺臂、方向機(jī)和車體的車架橫梁,其作用是托起并且固定發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱,同時(shí)還能通過橫向聯(lián)接,增加車身強(qiáng)度,也會(huì)在一定程度上保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)、油底殼,不會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱直接受到撞擊。因此,加強(qiáng)型橫梁在車輛行駛過程中會(huì)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(qiáng)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(jī)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(dòng)性,在成形工序前需先局部修邊出對(duì)稱形狀,最后再進(jìn)行局部修邊和沖裝配孔,以至達(dá)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。

        2. CAE成形模擬分析驗(yàn)證

        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(yán)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(yán)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(yán)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(yán)重,這些區(qū)域最容易出現(xiàn)開裂的情況。通過對(duì)前期加強(qiáng)型橫梁售后問題的統(tǒng)計(jì),其開裂現(xiàn)象與CAE分析結(jié)果一致,如圖4所示。

        3. 材料分析

        經(jīng)過對(duì)材料強(qiáng)度和零件的受力分析,該產(chǎn)品材料需要有較強(qiáng)的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度,同時(shí)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(biāo)如附表所示。

        通過對(duì)比可知,相對(duì)于T510,ZQS500L材料的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)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(xiǎn),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(xiǎn)。

        4. 工藝分析及優(yōu)化

        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(xiǎn)。在板材彎曲成形過程中,隨著凸模進(jìn)入凹模的深度不同,凹模圓角半徑支撐點(diǎn)的位置及彎曲件毛坯彎曲半徑r發(fā)生變化,支撐點(diǎn)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(dá)到一定值時(shí),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(zhǎng),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(zhǎng)。

        圖 4

        在整個(gè)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(huì)出現(xiàn)裂紋、內(nèi)層纖維切向受壓會(huì)起皺變形,影響板料成形時(shí)材料進(jìn)入模具型腔的正常流動(dòng),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(qiáng)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(zhǎng)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(dá)到最終使用要求。整形時(shí),變形區(qū)R角進(jìn)一步減小。由于受回彈因素的影響,整形后模具閉合進(jìn)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(biāo)

        圖 5

        圖 8

        圖 9

        (1)預(yù)成形階段。壓力計(jì)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(zhǎng)估算);r為彎曲件內(nèi)彎曲半徑;σb為材料抗拉強(qiáng)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(jì)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(yuǎn)大于預(yù)成形工序。

        綜上所述,通過原材料和工藝改進(jìn),可以提高產(chǎn)品質(zhì)量。目前公司已經(jīng)按照新工藝實(shí)現(xiàn)了批量生產(chǎn),實(shí)踐證明改進(jìn)效果十分理想。成品如圖10所示。

        圖 10

        5. 結(jié)語(yǔ)

        通過原材料的合理選擇,首先提高了抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率,再將成形工序分為預(yù)成形和整形兩個(gè)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。

        [1] 姜奎華. 沖壓工藝及沖模設(shè)計(jì)[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000.

        [2] 吳詩(shī)悙. 沖壓工藝學(xué)[M]. 西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,1987.

        [3] 王芳. 冷沖壓模具設(shè)計(jì)指導(dǎo)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1998.

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