■ 山東濰坊福田模具有限責(zé)任公司 （261061）

林 明 李樹(shù)新

縱梁是卡車車架總成的骨架構(gòu)件，作為承載最大的零件，也是最關(guān)鍵的零件之一，直接制約底盤的質(zhì)量與整車的性能，因此保證縱梁成形的精度至關(guān)重要。

圖1為一輕卡車車架縱梁。其材料為510L，料厚5m m，零件外形尺寸為5 805mm×214mm× 65mm；精度要求為扭曲<2mm，開(kāi)口<2 m m，翹曲及腹面落差±1.5m m，翼面落差±1m m。為降低成本，模具要滿足多品種的生產(chǎn)要求。零件特點(diǎn)是縱梁為U 形變截面件，翼面高度65mm，腹面起伏落差30mm，前端翼面落差85mm，后端翼面落差40mm。該零件孔較多，裝配鉚接孔的位置需要保證；為細(xì)長(zhǎng)件，毛坯的內(nèi)應(yīng)力和料厚公差會(huì)影響到縱梁的精度。

只有在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)縱梁零件工藝性能進(jìn)行優(yōu)化，模具開(kāi)發(fā)中對(duì)沖壓工藝和模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，才能保證零件的精度及質(zhì)量、降低沖壓成本。

圖1 車架縱梁圖

沖壓工藝設(shè)計(jì)

在車架縱梁的產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中，工藝人員通過(guò)SE活動(dòng)進(jìn)行產(chǎn)品缺陷預(yù)測(cè)和工藝策劃，以ECR報(bào)告形式溝通反饋，提高產(chǎn)品的工藝性。將沖壓FEMA技術(shù)應(yīng)用到模具設(shè)計(jì)中，保證沖壓模具開(kāi)發(fā)的低成本和高質(zhì)量。

1. 零件SE工藝性分析

（1）導(dǎo)正孔優(yōu)化：在滿足產(chǎn)品的使用前提下，每間隔600mm左右設(shè)計(jì)一個(gè)工藝孔，在前端落差材料流動(dòng)設(shè)計(jì)30mm×35mm長(zhǎng)圓孔，保證導(dǎo)正銷規(guī)格統(tǒng)一及模具工藝孔和裝配工藝孔的統(tǒng)一。

（2）材料利用率：在滿足產(chǎn)品功能和強(qiáng)度的前提下，對(duì)產(chǎn)品影響材料消耗的翻邊高度和形狀提出建議（見(jiàn)圖2），下翼面輪廓改直，提升材料利用率。

（3）孔徑的設(shè)計(jì)優(yōu)化：參考數(shù)控沖的模位數(shù)量與孔徑規(guī)劃，盡量減少產(chǎn)品孔徑規(guī)格，規(guī)范各種孔徑的用途，方便車架裝配及后續(xù)模具維修和標(biāo)準(zhǔn)件的儲(chǔ)備。各孔徑及用途如附表所示。

產(chǎn)品孔徑規(guī)格及用途表

（4）孔徑的布置：由于變截面的存在，布置在多料和缺料區(qū)域的孔若先沖后成形則會(huì)存在變形，重要孔應(yīng)避開(kāi)變形區(qū)，避免成形后再?zèng)_孔。

（5）匹配面的設(shè)計(jì)優(yōu)化：縱梁與加強(qiáng)板匹配，縱梁與加強(qiáng)板圓角設(shè)計(jì)空開(kāi)；縱梁與車身支架的裝配，在腹面的變形區(qū)內(nèi)的孔，此區(qū)域產(chǎn)品易存在變形，位置應(yīng)調(diào)整避開(kāi)。

（6）拓展產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)：考慮不同軸距、形狀變化較小的產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)拓展，盡可能實(shí)現(xiàn)落沖、成形模具共用，提前對(duì)工藝孔進(jìn)行布置確認(rèn)。

2. 工藝方案確定

根據(jù)縱梁零件的形狀特點(diǎn)和工廠生產(chǎn)條件，該零件工藝方案有如下兩種：

（1）方案1：開(kāi)卷下單件條料→數(shù)控沖孔→落料沖孔→成形。工藝要點(diǎn)：①數(shù)控沖孔工序主要根據(jù)各種同等規(guī)格的縱梁孔位差異情況及落沖機(jī)床的沖裁力大小決定沖孔數(shù)量，落沖模的導(dǎo)正孔要在數(shù)控沖工序中沖出，前端和尾端的重要孔、導(dǎo)正孔在落沖模上沖出。②前后邊必須都進(jìn)行切邊，否則存在應(yīng)力影響縱梁成形的精度。

（2）方案2：開(kāi)卷下單件條料→數(shù)控沖孔→激光割（或等離子割）外形（見(jiàn)圖3）→成形。工藝要點(diǎn)：①激光割或者等離子割時(shí)以導(dǎo)正孔定位割外形。②毛坯寬度方向兩邊必須是割出，否則產(chǎn)生應(yīng)力不均，造成毛坯扭曲加大。③毛坯的扭曲影響到縱梁零件的精度，校正工序?qū)ψ灾貤l件扭曲超過(guò)1.5mm的進(jìn)行校正。

圖2 縱梁前端圖

方案1和方案2只是料片的實(shí)現(xiàn)方式不同。方案1通過(guò)落料沖孔實(shí)現(xiàn)，適合小品種大批量的生產(chǎn)；方案2通過(guò)“數(shù)控沖孔+等離子切割”來(lái)實(shí)現(xiàn)，適合多品種小批量的生產(chǎn)，柔性化程度較高。考慮到產(chǎn)品品種較多且每個(gè)品種換模時(shí)間約1～2h，而縱梁孔位隨市場(chǎng)變化頻繁調(diào)整以滿足整車功能配置需求，前期生產(chǎn)量較小，規(guī)劃暫不開(kāi)發(fā)落料沖孔模具，故采用方案2“等離子切割+數(shù)控平板沖沖孔”?，F(xiàn)平板數(shù)控沖設(shè)備配有自動(dòng)化上下料的吸盤與傳送帶，可以按邊或中心定位進(jìn)行沖孔，滿足現(xiàn)有產(chǎn)品的生產(chǎn)。

3. 成形工藝難點(diǎn)

（1）扭曲：縱梁形狀細(xì)長(zhǎng)，腹面和翼面都存在彎曲形狀，造成零件扭曲。

（2）底面翹曲：縱梁腹面存在彎曲起伏，且翼面多料和少料，成形后弧度回彈，造成零件翹曲。

（3）兩翼面回彈：縱梁板材厚（5mm以上）、強(qiáng)度高，翼面豎直翻邊，回彈張口；頂件器頂出力大或者小時(shí)出現(xiàn)腹面凸或凹心，零件張口或收口。

（4）零件翼面落差：成形時(shí)內(nèi)圓角壓應(yīng)力和外圓角的拉應(yīng)力，引起翼面落差的回彈。

圖3 切割料片外形

由于C A E分析技術(shù)在縱梁的應(yīng)用還不十分成熟，開(kāi)發(fā)模具時(shí)，大多憑經(jīng)驗(yàn)值在設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行腹面扭曲補(bǔ)償，CAE驗(yàn)證修正。在調(diào)試時(shí)，調(diào)整腹面間隙、側(cè)壁間隙、補(bǔ)償腹面偏差和壓力參數(shù)等，以保證精度要求。但調(diào)整腹面間隙、側(cè)壁間隙和壓力參數(shù)經(jīng)常不能完全解決扭曲問(wèn)題。如果用戶精度要求很嚴(yán)，調(diào)試如扭曲回彈超差較大的通常需要重新模面補(bǔ)償，這時(shí)需要局部拼塊退火重新加工模具，模具生產(chǎn)廠若沒(méi)有縱梁的設(shè)備，則會(huì)造成調(diào)試整改運(yùn)輸?shù)木嚯x較遠(yuǎn)，調(diào)試周期較長(zhǎng)（一般為2～5個(gè)月），調(diào)試成本也急劇增加。

4. 工藝數(shù)模設(shè)計(jì)

成形工藝數(shù)模準(zhǔn)確設(shè)計(jì)是此件工藝設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。根據(jù)已有知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)上面的原因分析，結(jié)合CAE分析進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，具體過(guò)程如下：

（1）用原始產(chǎn)品數(shù)模結(jié)合公差要求進(jìn)行模面設(shè)計(jì)。公差漂移：對(duì)數(shù)模加寬0.2mm，凸模圓角減小0.5°，導(dǎo)正銷位置確定。凹?？谠O(shè)計(jì)：凹模口模面采取一致的15°斜面和R圓角組成，倒角高度30m m（見(jiàn)圖4B—B斷面）；按各處同時(shí)翻邊原則設(shè)計(jì)凹模口高度，頂件器行程確定為105mm。

圖4 凹模斷面

（ 2 ） C A E 模 擬 分 析。AUTOFORM 5.2中分析，分析輸入條件，按產(chǎn)品在U G做好工具片體和毛坯線。分析過(guò)程如下：新建分析文件；分別導(dǎo)入凸模、凹模、壓件器及產(chǎn)品等工具數(shù)模和毛坯的輪廓和孔線；選定材料510L，確定材料參數(shù)；設(shè)置沖壓線（成形工序+回彈計(jì)算）；設(shè)置毛坯（用導(dǎo)入輪廓及孔線）；設(shè)置沖壓工具（見(jiàn)圖5）及沖壓參數(shù)、摩擦系數(shù)等，摩擦系數(shù)為0.15，回彈約束條件選自由回彈；模擬參數(shù)設(shè)置，因進(jìn)行回彈分析，engineering phase選擇FV，分析結(jié)果及輸出等均可用缺省狀態(tài)，然后提交計(jì)算；重新打開(kāi)文件，進(jìn)行后處理，查看機(jī)床壓力、成形性及回彈等結(jié)果。

（3）分析結(jié)果解析與補(bǔ)償。①腹面翹曲（腹面落差回彈）：其現(xiàn)象為縱梁成形后，腹面的兩端翹起，落差超差。產(chǎn)生原因：縱梁的腹面有“臺(tái)階”，腹面的圓角較大，翼面存在多料和少料，造成成形后的回彈，回彈就帶來(lái)了縱梁腹面的翹曲。解決方法：在腹面根據(jù)CAE結(jié)果進(jìn)行1∶1補(bǔ)償；前端根部向下補(bǔ)償8mm，前端向下補(bǔ)償15mm；在成形的模具的凹?？冢ㄒ?jiàn)圖6）上局部做凸起（見(jiàn)圖7、圖4中A—A部分），控制翻邊的先后順序，達(dá)到控制腹面回彈大小的目的，調(diào)整以達(dá)到工作量小、效率高、周期短及成本低。②整體扭曲：其現(xiàn)象為縱梁成形回彈后，出現(xiàn)像麻花一樣的扭曲。產(chǎn)生原因：縱梁的翼面輪廓不是直線，存在拐彎的形狀，拐彎造成板料存在多、少料的現(xiàn)象，多料和少料使得縱梁成形時(shí)產(chǎn)生的壓應(yīng)力和拉應(yīng)力，應(yīng)力釋放中，造成扭曲。解決方法：在少料的部位腹面設(shè)計(jì)凸起鼓包，緩解少料產(chǎn)生拉應(yīng)力，在多料的部位腹面下踩一個(gè)三角凹坑（見(jiàn)圖7），使得多余的料有地方去，減少壓應(yīng)力，這樣扭曲減緩，甚至消失了。③翼面開(kāi)口：現(xiàn)象為縱梁的兩翼面，開(kāi)口變大。產(chǎn)生原因：翼面翻邊后圓角塑性成形不徹底，產(chǎn)生回彈。解決方法：在底面做凸圓弧，凸圓弧回彈后間接起到了減緩翼面回彈的效果（見(jiàn)圖8），1處上弓0.8～1.6mm不等；在腹面局部做空開(kāi)處理，使得塑性成形性加大；凸模直線段側(cè)壁空開(kāi)0.5mm處理；頂出力的大小對(duì)開(kāi)口回彈至關(guān)重要，需在生產(chǎn)中控制。④翼面落差回彈：現(xiàn)象為縱梁的兩翼面落差不對(duì)。產(chǎn)生原因：翼面翻邊后塑性成形不徹底。解決方法：此件分析基本在公差之內(nèi)，可調(diào)整間隙解決。

圖5 沖壓工具設(shè)置

圖6 凹?？?/p>

（4）工藝數(shù)模確定。根據(jù)上述理論、方法及CAE分析結(jié)果，進(jìn)行工藝數(shù)模補(bǔ)償設(shè)計(jì)，用CAE進(jìn)行再分析，完善工藝數(shù)模。工藝數(shù)模用CAE軟件分析驗(yàn)證，將在1mm以內(nèi)作為最后的結(jié)果（見(jiàn)圖9）。考慮調(diào)試，進(jìn)行安全裕度改造。

（5）加工數(shù)模設(shè)計(jì)。進(jìn)行凸模讓空設(shè)計(jì)，凸模底面非符型區(qū)設(shè)計(jì)0.8mm讓空，但是在轉(zhuǎn)彎區(qū)、起伏區(qū)和縱梁凸模的兩端頭底面要求保持符型；輪廓側(cè)壁凹模不等間隙設(shè)計(jì)。

圖7 工藝數(shù)模

圖8 斷面圖

圖9 回彈結(jié)果

模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

落沖模為通常的常規(guī)組合結(jié)構(gòu)，下面僅對(duì)成形模設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行介紹（見(jiàn)圖10）。

1. 模架設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（1）縱梁模具較長(zhǎng)，為保證模具的剛性、穩(wěn)定性及壽命，采用鑄鋼模座，在空間允許條件下，凹模拼塊和凸模拼塊設(shè)計(jì)為側(cè)把形式。

（2）模座中間采取8處導(dǎo)向腿，起到了導(dǎo)向和反側(cè)作用，提高了模具剛性。導(dǎo)向腿的導(dǎo)板后面設(shè)計(jì)了墊板，方便調(diào)整，提高了制造工藝性。

（3）為考慮兼顧產(chǎn)品，局部設(shè)計(jì)凹模安裝座，凸模也設(shè)計(jì)安裝座形式，不同產(chǎn)品可以通過(guò)更換安裝座上一組凹模和凸模安裝座、頂件器實(shí)現(xiàn)模具的轉(zhuǎn)換，同時(shí)解決模具的加工問(wèn)題，如果模具整改可以只轉(zhuǎn)運(yùn)部分組件。

（4）為了保證模具的清潔，下模座設(shè)計(jì)氧化皮槽和清理孔，上模座設(shè)計(jì)了流液孔。

（5）為了保證模具的存放、平衡及到底行程確認(rèn)，模具設(shè)計(jì)了8個(gè)存放器和限制器。

2. 凸凹模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（1）縱梁為厚板料，凸凹模鑲塊材質(zhì)均選用Cr12MoV，凹模鑲塊折彎處進(jìn)行表面TD處理。

（2）縱梁較長(zhǎng)，凸、凹模均采用鑲塊組合結(jié)構(gòu)，凸模鑲塊和凹模鑲塊分塊時(shí)考慮：拓展型產(chǎn)品生產(chǎn)，通過(guò)更換組件方式，采取鑲塊固定在安裝座的結(jié)構(gòu)；調(diào)試的快捷，方便調(diào)試時(shí)型面和間隙的調(diào)整，鑲塊下部或外部設(shè)計(jì)墊板，通過(guò)鉗工調(diào)整墊片，解決零件質(zhì)量問(wèn)題、模具間隙問(wèn)題，減少模具的運(yùn)輸成本；拼塊優(yōu)先側(cè)向固定。

圖10 模具結(jié)構(gòu)

圖 11

（3）模具型面的補(bǔ)償和間隙設(shè)置均按工藝數(shù)模設(shè)計(jì)，凸模拼塊底面平直區(qū)下面設(shè)計(jì)讓空，但兩端和變截面區(qū)與頂件器符型。

（4）凸模鑲塊、凹模鑲塊設(shè)計(jì)時(shí)考慮側(cè)向力，設(shè)計(jì)擋墻和反側(cè)。

（5）鑲塊設(shè)計(jì)和起重絲孔設(shè)計(jì)。

（6）凸凹模的間隙考慮料的公差，按4.9mm設(shè)計(jì)加工，凹凹拼塊后側(cè)設(shè)計(jì)一組0.7mm鋼墊片，根據(jù)料厚實(shí)際情況，可以更換不同厚度墊片進(jìn)行匹配。

3. 頂件器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（1）為提高頂件器壽命，頂件器用45鋼，頂部鑲T10鋼塊，頂件器輪廓與凹模間隙3m m，方便補(bǔ)償，頂件器下部倒角且便于氧化皮清理（見(jiàn)圖11）。

（2）頂件器前后側(cè)與凹模拼塊導(dǎo)向，頂件器導(dǎo)向部位鑲導(dǎo)板，對(duì)于凹模輪廓有調(diào)整可能的后面導(dǎo)板后面加墊，可以通過(guò)更換墊板保證導(dǎo)向間隙。

（3）因有加長(zhǎng)和短兩種縱梁產(chǎn)品，所以頂件器懸空處加平衡墊。

（4）零件存在腹面起伏，頂件器成形有側(cè)向力，在頂件器端頭與上模組件設(shè)計(jì)直接反側(cè)。

（5）頂件器上設(shè)計(jì)直徑加大2mm導(dǎo)正銷的讓空孔。

（6）頂件器的運(yùn)動(dòng)主要靠機(jī)床頂桿的驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，機(jī)床頂桿頂?shù)巾敳繒r(shí)頂件器頂面高出凹?？?～10mm。

4. 定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

（1）導(dǎo)正銷設(shè)計(jì)要點(diǎn)：①導(dǎo)正銷的位置和數(shù)量按照沖高壓工藝提供的設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)彎處布置導(dǎo)正銷。②設(shè)計(jì)一個(gè)圓銷作為主定位，其余為棱形銷，棱形銷設(shè)計(jì)固定防轉(zhuǎn)。③導(dǎo)正銷用固定板向上固定在凸模上，凸模方便拆卸和更換。④導(dǎo)正銷的長(zhǎng)度要大于頂銷的長(zhǎng)度10mm。⑤導(dǎo)正銷的前端設(shè)計(jì)30°錐面。

（2）粗定位設(shè)計(jì)：①為滿足手工送料要求，在前后側(cè)設(shè)計(jì)4個(gè)導(dǎo)向擋料塊，右側(cè)設(shè)計(jì)擋料塊來(lái)進(jìn)行粗定位。②為滿足將來(lái)自動(dòng)線的使用，設(shè)計(jì)了前后側(cè)浮動(dòng)的擋料塊和感應(yīng)器，進(jìn)行周邊定位。③浮動(dòng)擋料塊依靠氣缸驅(qū)動(dòng)。

5. 卸料裝置

凸模的卸料主要靠頂銷從凸模頂出，設(shè)計(jì)要點(diǎn)為：

（1）為提高卸料的可靠性且降低成本，頂銷設(shè)計(jì)氮?dú)鈴椈珊蛷椈苫旌鲜褂锰峁┬读狭?。在轉(zhuǎn)彎處和導(dǎo)正銷兩側(cè)設(shè)計(jì)用氮?dú)鈴椈尚读希街倍斡脧椈沈?qū)動(dòng)。

（2）頂銷的長(zhǎng)度，保證能把零件頂出凸模圓角。

（3）定銷的位置盡量均布，靠近折彎線處。

（4）頂銷布置注意避開(kāi)縱梁產(chǎn)品的孔，不能定在孔的半邊或頂在孔上。

（5）從凹模中的卸料，靠頂件器的回程實(shí)現(xiàn)，在成形前，頂件器起到預(yù)彎和壓料的作用，頂出力的大小影響到開(kāi)口大小。

6. 上下料裝置設(shè)計(jì)

在手工線生產(chǎn)時(shí)，模具靠機(jī)床一端安裝，上下料靠一端操作，設(shè)計(jì)端頭上料架滾輪，高度可調(diào)整；自動(dòng)化生產(chǎn)時(shí)是由機(jī)械手進(jìn)行操作，需要考慮操作空間。

模具制造與調(diào)試

1. 模具制造

模具的制造精度只有達(dá)到了設(shè)計(jì)條件，才能在調(diào)試過(guò)程中反映出CAE分析結(jié)果；模具的各安裝面和導(dǎo)向面、型面我們采取數(shù)控機(jī)床加工的工藝；因縱梁模具凸凹模鑲塊和頂件器鑲塊均選用整體淬火鋼，為了減少淬火變形對(duì)型面影響，保證模面精度，實(shí)施淬火后加工的工藝。

2. 模具的調(diào)試

早期縱梁模具的精益設(shè)計(jì)與工藝模擬分析補(bǔ)償，模具加工制造到位，是高效調(diào)試的前提，但是縱梁調(diào)試經(jīng)驗(yàn)和理論也是必不可少的。

（1）頂出力和主壓力是影響縱梁精度的主要參數(shù)。頂出力小表現(xiàn)為縮口，頂出力大為開(kāi)口，主壓小折彎圓角大，主壓大產(chǎn)生壓痕。掌握上述規(guī)律之后，參照C A E分析力之后，鉗工能很快找到合適的主壓和頂出力，然后在確定壓力參數(shù)下調(diào)試出合格零件。

（2）針對(duì)零件的局部開(kāi)口偏大，主要通過(guò)局部的間隙和凸?；貜椊墙鉀Q。

（3）零件的調(diào)試結(jié)果。此縱梁模具調(diào)試中，參照CAE提供壓力參數(shù)數(shù)值，利用2次上機(jī)床機(jī)會(huì)，基本調(diào)試出合格零件（見(jiàn)圖12）。鉗工主要是圍繞圖4的圓角和側(cè)壁間隙調(diào)整。

結(jié)語(yǔ)

沖壓工藝性的好壞與縱梁產(chǎn)品材料利用率和零件質(zhì)量有直接關(guān)系，合理的工藝設(shè)計(jì)和模具結(jié)構(gòu)是制造合格縱梁的關(guān)鍵技術(shù)之一。借助CAE手段，利用縱梁公差漂移技術(shù)、模面補(bǔ)償技術(shù)、腹面三角區(qū)儲(chǔ)料及上弓技術(shù)、凹?？谙确夹g(shù)能有效縮短縱梁模具的開(kāi)發(fā)調(diào)試周期，提高縱梁產(chǎn)品的質(zhì)量和精度，在生產(chǎn)應(yīng)用中取得了很好效果。

[1] 《沖模設(shè)計(jì)手冊(cè)》編寫組. 沖模設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

[2] 《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》聯(lián)合編寫組. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1982.