汽车防撞横梁冲压工艺研究及模具设计探讨

文章来源: 焉知汽车轻量化 点击数:26 发布时间:2019-09-09
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。
汽车防撞横梁冲压工艺研究及模具设计探讨

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

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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 观件,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。

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图 1   汽车防撞横梁

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:微信图片_20190909150028.jpg

    式中:F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 软件对冲压模具进行设计,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。