華萍萍，張方杰，谷方英，李 琳

（柳州五菱汽車工業(yè)有限公司山東分公司，山東青島 266000）

汽車沖壓件是汽車組成的重要部分，而大梁是制作汽車車架不可或缺的零件，作為汽車的主要支撐零件，對汽車的強(qiáng)度和整車裝配精度有著舉足輕重的作用。一個(gè)質(zhì)量狀態(tài)好的大梁不僅能提高汽車整車結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，更能夠使汽車在行駛過程中保持穩(wěn)定，進(jìn)而提高行駛安全系數(shù)。

1 大梁回彈問題的提出

目前影響大梁質(zhì)量的主要問題是回彈，當(dāng)回彈量超過允許的容差后，就會(huì)形成成型缺陷，影響零件幾何精度，從而影響后續(xù)車架的焊接及裝配。對于此問題從生產(chǎn)實(shí)際入手，著重分析汽車后大梁型面回彈產(chǎn)生的原因及整改方案。

此車型后大梁年產(chǎn)量20 萬件/年，拉伸類型為“U”形，加之長度為2 208 mm，板料為SAPH370，一種高強(qiáng)鋼，厚度2 mm，材料參數(shù)如表2 所示，側(cè)壁及底面形狀復(fù)雜，回彈產(chǎn)生的問題表現(xiàn)為一端開口變大及另一端位置扭曲，此問題具有普遍性，故選擇此大梁作為研究對象[1]。

大梁回彈問題集中在下列幾處位置，如圖1 所示。

其中，表1、表2 內(nèi)數(shù)據(jù)是通過大梁檢具測得。

表1 大梁主要問題表

表2 大梁板料屬性

圖2 為后大梁在焊接總成中的問題表現(xiàn)，由于大梁模具成型后回彈扭曲嚴(yán)重，大梁開口嚴(yán)重超差，造成焊接時(shí)螺母板卡不住，焊接機(jī)器人報(bào)警無法焊接、蓋板錯(cuò)邊、支撐座擋孔，需要焊接后返修，不僅增加了人工成本，更影響了生產(chǎn)效率。

圖2 大梁回彈對焊接影響圖示

為了解決大梁回彈問題，制作簡易返修工裝，臨時(shí)保證焊接生產(chǎn)，如圖3 所示，對大梁回彈位置施加側(cè)向力，減小開口大小。

圖3 大梁回彈返修工裝圖示

2 后大梁回彈分析

大梁在拉伸成型過程中，隨著外加彎曲力矩的增加，彎曲變形程度也越來越大，整體變形過程可成三個(gè)階段：彈性變形階段、彈塑性彎曲階段、立體純塑性彎曲階段。

2.1 彈性變形階段

板料在彎曲變形過程中，靠外層的材料受到模具施加的壓力拉伸變形，靠內(nèi)層的材料受到壓縮變形，沿著板料厚度方向從外到內(nèi)分為拉伸變形區(qū)、應(yīng)力中性層、壓縮變形區(qū)，如圖4 所示，根據(jù)板料內(nèi)外層材料應(yīng)變?chǔ)舧，n-相對彎曲半徑（R/t）的函數(shù)

其中，相對彎曲半徑（R/t）表示彎曲變形過程中的變形程度，圖4 中的彎角α與相對彎曲半徑有關(guān)，R/t越大，彎角α越小，R/t越小，彎角α越大，反之不成立。整個(gè)彈性變形階段的特點(diǎn)是：相對彎曲半徑（R/t）大，當(dāng)外加彎曲力矩卸載后，板料恢復(fù)到原先平直狀態(tài)。所以板料在彎曲變形過程中，按照設(shè)計(jì)初的曲率半徑進(jìn)行彎曲是無法實(shí)現(xiàn)的，需要在彎曲變形的同時(shí)施加拉力，使板料進(jìn)入塑性變形；對于壓彎的型材零件，需要采用補(bǔ)充模具回彈量的方法，使材料在回彈前進(jìn)入塑形彎曲階段。

圖4 彈性變形階段

2.2 彈塑性彎曲階段

隨著彎曲力矩的繼續(xù)增大，板料內(nèi)外層材料開始進(jìn)行塑性變形，接著塑性變形區(qū)域逐漸向應(yīng)力中性層擴(kuò)展，整個(gè)過程中，板料上面的每一個(gè)點(diǎn)都可以近似認(rèn)為是處于線性應(yīng)力狀態(tài)，如圖5 所示，此階段的特點(diǎn)是：當(dāng)卸去外加力矩，殘余變形會(huì)保存在塑性變形中的材料中，這樣就使零件成形。但是由于彈性變形區(qū)材料以及塑性變形區(qū)的材料會(huì)發(fā)生彈性恢復(fù)，從而會(huì)引起較大程度的回彈。這也是生產(chǎn)中大梁產(chǎn)生回彈的內(nèi)因。

圖5 彈塑性彎曲階段

2.3 立體純塑性彎曲階段

當(dāng)零件彎曲程度變大，彎曲半徑很小時(shí)，可以近似認(rèn)為板料整個(gè)進(jìn)入了塑性變形階段，板料中任意一點(diǎn)都處于三向應(yīng)力狀態(tài)和平面應(yīng)變狀態(tài)，稱為立體純塑性彎曲。在這一階段，任意分割出的小塊，其切向應(yīng)力在拉伸變形區(qū)為拉應(yīng)力，在壓縮變形區(qū)為壓應(yīng)力。當(dāng)零件卸載后，根據(jù)卸載定理，相當(dāng)于施加了一個(gè)反向彎矩，此力矩在數(shù)值上與加載力矩大小相等，呈線性分布[2]，如圖6 所示。

圖6 立體純塑性彎曲階段

由以上分析可知，此類U 型大梁在成型時(shí)，變形區(qū)回彈主要發(fā)生在凸凹模圓角及相關(guān)過渡區(qū)域，側(cè)壁位置及法蘭邊位置發(fā)生少量塑性變形或者不發(fā)生變形。圓角位置的內(nèi)層材料受壓縮變短，外層材料被拉伸變長，中間存在一個(gè)處于彈性變形階段的中性層。要想控制大梁的回彈，應(yīng)盡量讓變形區(qū)處于純塑性彎曲階段，使這部分加工硬化程度最大。除此之外，大梁開口回彈量也與凸模圓角大小和模具間隙有關(guān)系，凸模圓角越小，模具間隙越小，大梁開口回彈也越小[3]；對于后大梁小頭一端單邊回彈和凹模圓角、模具間隙及板料強(qiáng)度有關(guān)系，板料強(qiáng)度越高，單邊回彈越大，凹模圓角和模具間隙無比例關(guān)系，存在一個(gè)最佳匹配值，使得此時(shí)回彈最小，只能在后續(xù)模具調(diào)試中優(yōu)化至最佳狀態(tài)。

由以上分析可知，此類U 型大梁在成型時(shí)，變形區(qū)回彈主要發(fā)生在凸凹模圓角及相關(guān)過渡區(qū)域，側(cè)壁位置及法蘭邊位置發(fā)生少量塑性變形或者不發(fā)生變形。圓角位置的內(nèi)層材料受壓縮變短，外層材料被拉伸變長，中間存在一個(gè)處于彈性變形階段的中性層。要想控制大梁的回彈，應(yīng)盡量讓變形區(qū)處于純塑性彎曲階段，使這部分加工硬化程度最大。除此之外，大梁開口回彈量也與凸模圓角大小和模具間隙有關(guān)系，凸模圓角越小，模具間隙越小，大梁開口回彈也越小[3]；對于后大梁小頭一端單邊回彈和凹模圓角、模具間隙及板料強(qiáng)度有關(guān)系，板料強(qiáng)度越高，單邊回彈越大，凹模圓角和模具間隙無比例關(guān)系，存在一個(gè)最佳匹配值，使得此時(shí)回彈最小，只能在后續(xù)模具調(diào)試中優(yōu)化至最佳狀態(tài)。

由于此后大梁模具較舊，圓角位置磨損嚴(yán)重，半徑相較于之前變大（正常狀態(tài)下凸模圓角R=5 mm，凹模圓角R=7 mm），凸模圓角最大位置達(dá)到R=5.8 mm，凹模圓角R=9.5 mm，由此可知，模具圓角的變化是是導(dǎo)致后大梁回彈的一個(gè)原因，顯然凹模圓角變化量為2.5 mm 較凸模圓角變化量0.8 mm 大，因此凹模圓角磨損變大是大梁部分位置開口變大的主要原因。

從工藝上面分析，后大梁模具有整形工序，對于拉延序的回彈有部分改善，但是整形后的大梁開口仍然不符合設(shè)計(jì)要求。通過對整形模具拆模檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)整形模部分凸模R角因磨損增大，導(dǎo)致部分位置側(cè)面與底面角度超過90°，整形不到位，上下模開模后大梁側(cè)壁回彈，導(dǎo)致整形量變小，從而使得大梁開口不能達(dá)到預(yù)期。

圖7 整形凸模側(cè)壁與底面設(shè)計(jì)角度為88°

3 技術(shù)整改方案

針對后大梁的回彈問題，我們圍繞控制彈塑性彎曲階段變形區(qū)的回彈，使變形區(qū)的材料盡可能處于塑性變形狀態(tài)的理論提出了一些整改方案，下面從材料、零件、工藝、模具材料四個(gè)方面進(jìn)行方案確定：

（1）從板料選材看，應(yīng)該選擇彈性模量大且屈服強(qiáng)度較小的板料；由于板料已經(jīng)確定使用SAPH370，因此無法通過選擇強(qiáng)度較小的板料來減少回彈；

（2）從零件結(jié)構(gòu)看，應(yīng)該增加零件回彈區(qū)域的剛度，例如可以通過增加一條沿大梁側(cè)壁分布的加強(qiáng)肋；由于該方案不適用于量產(chǎn)大梁，所以暫不考慮；

（3）從工藝方法分析，可以通過適當(dāng)降低拉延序和整形序的下死點(diǎn)，使得上下模接觸面間隙略微小于板料厚度。此方法在大梁產(chǎn)量小的時(shí)候可以使用，經(jīng)常使用會(huì)對壓機(jī)設(shè)備造成損傷，所以不適用于大批量生產(chǎn)；

（4）后大梁拉延模具由于使用時(shí)間較長，造成凸凹模磨損，R角變大，模具維修困難。只能通過重投拉延模。模具重投時(shí)考慮到回彈，在回彈位置做適當(dāng)回彈補(bǔ)償，如圖8 所示；另外凸模R角和凹模R角大小適當(dāng)減小1～ 1.5 mm，做成3.5～ 4 mm，側(cè)壁與底面角度做成88°，經(jīng)過生產(chǎn)驗(yàn)證（表3），可以有效減少回彈量。

圖8 拉延模凸?；貜椦a(bǔ)償圖示

表3 新、舊拉延?；貜椓繉Ρ缺?/p>

對于整形模，作為對拉延序開口大小的修整，整形量的大小關(guān)系到產(chǎn)品最終開口尺寸，也是改善大梁回彈的最后一道工序。在經(jīng)過幾輪生產(chǎn)對比后，發(fā)現(xiàn)模具側(cè)壁與底面的角度對整形量影響最大，通過模具補(bǔ)焊、加工研配及負(fù)角優(yōu)化驗(yàn)證，確認(rèn)當(dāng)負(fù)角為5°～7°的時(shí)候，可以使大梁開口穩(wěn)定在107～109 mm范圍內(nèi)。

4 整改效果

經(jīng)過新投拉延模和對整形模進(jìn)行負(fù)角優(yōu)化，后大梁兩端回彈最終穩(wěn)定在合格范圍內(nèi)，中間的起皺扭曲在經(jīng)過減少兩側(cè)位置的平衡墊片（增大壓料力，控制材料流入）后，也得到有效控制，大梁兩側(cè)間隙在檢具狀態(tài)如圖9 所示，切邊線符合標(biāo)準(zhǔn)、大梁左右間隙也符合公差，控制在中值附近，其扭曲問題得到解決。

圖9 大梁在檢具上的狀態(tài)圖

大梁在檢具測量合格后，通過焊接驗(yàn)證，蓋板搭接切邊線和大梁法蘭邊切線已對齊，錯(cuò)邊問題解決，由于后大梁無扭曲，車架總成也無扭曲，支撐座擋孔問題也迎刃而解，如圖10 所示。

圖10 焊接后蓋板和支撐座狀態(tài)圖

5 結(jié)束語

大梁回彈是汽車沖壓過程中普遍存在的缺陷之一，本文只是通過分析大梁變形過程及此過程中回彈產(chǎn)生的機(jī)理，再結(jié)合模具實(shí)際情況，從中找到解決回彈問題的方法，對于類似結(jié)構(gòu)的大梁回彈有借鑒意義。在解決問題過程中，也應(yīng)注意通過仿真分析，確認(rèn)對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)做輕微改動(dòng)（例如設(shè)置加強(qiáng)筋等）是否可以解決回彈，從產(chǎn)品設(shè)計(jì)層面避免此問題產(chǎn)生。

后大梁回彈的產(chǎn)生是因?yàn)槔幽＞咻^舊，凸凹模R角磨損變大，整形模負(fù)角變小所致，為保證產(chǎn)品輸出質(zhì)量穩(wěn)定，建議定期對模具做保養(yǎng)檢查，建立模具保養(yǎng)臺(tái)賬，從而能夠?qū)δ＞郀顟B(tài)做到持續(xù)監(jiān)控。