彭金明，劉智彬

（1.江鈴汽車(chē)股份有限公司，江西南昌330031；2.江西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西南昌330031）

1 引言

隨著國(guó)內(nèi)外對(duì)碳排放的重視，車(chē)輛輕量化的要求也逐步突顯，而縱梁作為整個(gè)卡車(chē)承載貨物的關(guān)鍵承力部件，因而在工程設(shè)計(jì)對(duì)它的強(qiáng)度要求也非常高，以至于某些卡車(chē)的縱梁材料厚度高達(dá)10mm。因而，通過(guò)采用高強(qiáng)度縱梁來(lái)降低制件重量，滿(mǎn)足制件性能要求成為必然之選。以某款量產(chǎn)車(chē)型縱梁為例，其材料為B5l0L，料厚為6mm，抗拉強(qiáng)度為510～630MPa，屈服強(qiáng)度大于355MPa，該縱梁的沖壓工序分為落料沖孔、彎曲成形兩工序，此縱梁沖孔數(shù)為341個(gè)，制件全周圈修邊，該縱梁落料沖孔工藝布局如圖1所示。在該縱梁的落料沖孔生產(chǎn)過(guò)程，頻繁出現(xiàn)凸模斷裂問(wèn)題，平均每生產(chǎn)120件就會(huì)斷一根凸模，需要停線(xiàn)更換凸模。生產(chǎn)時(shí)壓力噸位為3,017t，機(jī)床工作臺(tái)的最大瞬時(shí)位移量為1.821mm，而機(jī)床工作臺(tái)位移量大，一方面會(huì)使滑塊需承受偏心載荷而產(chǎn)生不正常磨損；另一方面還會(huì)促使凸模與凹模之間形成側(cè)向擠壓，進(jìn)而導(dǎo)致凸模斷裂。其中，落料沖孔時(shí)板料最大沖裁力可通過(guò)公式（1）計(jì)算[1]。

圖1 縱梁落料沖孔工藝布局圖

式中 F——板料最大沖裁力，N

L——沖裁周長(zhǎng)，mm

t——板料厚度，mm

σb——板料的剪切強(qiáng)度，MPa

2 生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

隨著汽車(chē)輕量化的追求越來(lái)越高，汽車(chē)主機(jī)廠也在積極探索通過(guò)提高縱梁材料強(qiáng)度來(lái)降低料厚而達(dá)成減重目的。目前卡車(chē)縱梁選用的主流鋼材為B510L、B610L，本文側(cè)重在研究比B610L強(qiáng)度更高的700L高強(qiáng)鋼的落料沖孔方案，該高強(qiáng)鋼相比B510L的屈服強(qiáng)度提升近100%，抗拉強(qiáng)度提升近50%，能夠?qū)崿F(xiàn)料厚降低16.7%。表1所示為B510L、B610L及700L 3種材料的抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度。

表1 3種材料的抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度

為提前發(fā)現(xiàn)700L生產(chǎn)過(guò)程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題，本實(shí)驗(yàn)通過(guò)現(xiàn)有某量產(chǎn)車(chē)型的縱梁落料沖孔模具進(jìn)行生產(chǎn)驗(yàn)證，該批次生產(chǎn)所用700L高強(qiáng)鋼抗拉強(qiáng)度為820MPa，B510L材料的抗拉強(qiáng)度為550MPa。料厚4.5mm，生產(chǎn)數(shù)量為100件，其中隨機(jī)抽取的沖孔落料生產(chǎn)數(shù)據(jù)如表2所示。

從表2中可以看到，700L生產(chǎn)需要的沖裁力為3,025.6t，機(jī)床工作臺(tái)最大的瞬時(shí)位移量高達(dá)0.835mm，遠(yuǎn)超出模具上沖孔凸模與凹模之間的0.45mm的合理工藝間隙?，F(xiàn)有量產(chǎn)B510L材料縱梁，其生產(chǎn)時(shí)造成的機(jī)臺(tái)位移量也超出了合理工藝間隙，該測(cè)量數(shù)據(jù)與實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程經(jīng)常出現(xiàn)凸模斷裂相印證。

基于以上實(shí)驗(yàn)所發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，急需探索出針對(duì)700L高強(qiáng)鋼縱梁落料沖孔時(shí)的沖裁力過(guò)大以及機(jī)床工作臺(tái)震動(dòng)過(guò)大帶來(lái)的凸模斷裂的問(wèn)題解決方案。

表2 隨機(jī)抽取的沖孔落料生產(chǎn)數(shù)據(jù)

3 落料沖孔方案分析

3.1 制件設(shè)計(jì)優(yōu)化

目前，為降低制件重量及適應(yīng)制件與車(chē)身的搭接關(guān)系，縱梁制件的尾端常采用不等高的結(jié)構(gòu)形式，如圖1所示。但尾端高度降低也就意味著該制件在落料工序的制件落料線(xiàn)存在變化。圖2所示為優(yōu)化后的某卡車(chē)右縱梁制件數(shù)模，材料牌號(hào)為700L，厚度為5.0mm，孔數(shù)為422個(gè)。圖3所示為該優(yōu)化后的右縱梁落料沖孔工藝布局圖。該縱梁從第三橫梁位置起，做成直通模式，修邊長(zhǎng)度相比圖1周圈修邊線(xiàn)減少了8,099mm，根據(jù)波浪修邊所需沖裁力公式2計(jì)算[2]，K取值0.5，可知其沖裁力減少了1,660.3t。此外，為了提高凸模強(qiáng)度，圖2所示縱梁制件所要求的最小孔徑為11mm，而圖1所示量產(chǎn)縱梁上的最小孔徑為7mm，孔徑過(guò)小，凸模工作部位強(qiáng)度不足更容易導(dǎo)致凸模斷裂。

落料展開(kāi)后的直線(xiàn)段可采用不修邊的方案來(lái)減小沖裁力及設(shè)備震動(dòng)。該方案主要通過(guò)以下幾個(gè)措施來(lái)保證縱梁的翻邊高度公差：①控制原材料的寬度公差，根據(jù)制件提供的翻邊高度公差為±1.5mm，原材料來(lái)料寬度公差要求±1.5mm；②模具上設(shè)置斜楔平推機(jī)構(gòu)，當(dāng)板料投入模具內(nèi)，上模插刀推動(dòng)下模機(jī)構(gòu)，將板料推到理論要求位置，從而保證縱梁翻邊尺寸公差，如圖4所示。

圖2 右縱梁

圖3 右縱梁落料沖孔工藝

圖4 板料平推機(jī)構(gòu)

3.2 沖孔凸模布置優(yōu)化

本實(shí)驗(yàn)用縱梁上孔數(shù)為多達(dá)422個(gè)，在多個(gè)凸模沖孔時(shí)，為了使沖孔載荷不同時(shí)作用[3]，均勻分布模具下壓過(guò)程的沖擊載荷，降低制件沖裁力，現(xiàn)將沖孔凸模按階梯型樣式設(shè)計(jì)，取高度差H為2.5mm，如圖5所示。根據(jù)公式1分別計(jì)算實(shí)驗(yàn)用縱梁上422個(gè)孔的沖裁力，通過(guò)計(jì)算可得其沖裁力高達(dá)7,042.6t，如表3所示。通過(guò)實(shí)驗(yàn)優(yōu)化，將沖孔凸模按照8級(jí)階梯進(jìn)行布置，每級(jí)沖孔凸模的高度差為2.5mm，階梯型凸模的沖裁力F可以按公式（3）計(jì)算[4]，經(jīng)計(jì)算可得P階梯=748.2t。

式中Pi、P（i+1）分別為兩相鄰階梯凸模的沖裁力之和，每一級(jí)的沖裁力計(jì)算如表4所示，P階梯為最大沖裁力。

此外，修邊凹模刃口部分采用波浪刃口，總修邊線(xiàn)長(zhǎng)度為2,719mm，P波浪修邊=0.5P修邊=557.4t。因此，整套落料沖孔模的總沖裁力P總沖裁力=P階梯+P波浪修邊=1,305.6t。

表3 實(shí)驗(yàn)用縱梁沖孔沖裁力

表4 階梯型沖孔沖裁力

圖5 階梯型沖孔凸模樣式

3.3 沖裁中心與機(jī)床中心偏差校核

在以往縱梁落料沖孔模模具開(kāi)發(fā)時(shí)，對(duì)每級(jí)沖孔的沖裁中心與機(jī)床中心的偏差校核不太重視，經(jīng)常出現(xiàn)模具沖裁中心與機(jī)床中心不重合現(xiàn)象，超出圖6所示設(shè)備的偏載曲線(xiàn)，機(jī)床滑塊需承受的偏心載荷過(guò)大，致使機(jī)床上滑塊導(dǎo)軌及模具的不正常磨損，從而會(huì)加大設(shè)備的震動(dòng)位移，導(dǎo)致沖孔凸凹模之間產(chǎn)生側(cè)向擠壓力。因此，對(duì)可能存在的偏差進(jìn)行校核。每一級(jí)的沖裁中心可通過(guò)公式（4）、公式（5）計(jì)算得出[5]。

式中 Li——制件圖中各元素線(xiàn)段長(zhǎng)度

Xi、Yi——每個(gè)孔相對(duì)基準(zhǔn)中心坐標(biāo)

L——總輪廓周長(zhǎng)

X、Y——圖形中各級(jí)沖孔沖裁合力作用點(diǎn)坐標(biāo)

經(jīng)計(jì)算，本實(shí)驗(yàn)中每一級(jí)沖孔的沖裁中心X、Y坐標(biāo)值如表5所示，X軸與機(jī)床中心最大差為52.6mm，Y軸最大偏差為10.4mm，滿(mǎn)足設(shè)備的偏載曲線(xiàn)要求，從而避免因沖裁中心與機(jī)床中心偏差大，提高凸模斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。

圖6 縱梁生產(chǎn)線(xiàn)的偏載曲線(xiàn)

表5 每一級(jí)沖孔的沖裁中心X、Y坐標(biāo)值

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)700L高強(qiáng)鋼縱梁落料沖孔模具在生產(chǎn)時(shí)頻繁出現(xiàn)的沖孔凸模斷裂、機(jī)床工作臺(tái)的最大瞬時(shí)位移量大等問(wèn)題，通過(guò)制件設(shè)計(jì)優(yōu)化減少模具修邊長(zhǎng)度，并對(duì)沖孔凸模采用階梯型布置方案，整副模具的沖裁力降低至1,305.6t，且將制件設(shè)計(jì)的最小孔徑由φ7mm擴(kuò)大至φ11mm，既滿(mǎn)足了制件設(shè)計(jì)要求，又保證了沖孔凸模工作部位的足夠強(qiáng)度，最終消除因側(cè)向擠壓而發(fā)生的凸模斷裂問(wèn)題。此外，通過(guò)計(jì)算每一級(jí)凸模的沖裁中心，并與機(jī)床中心進(jìn)行校核，達(dá)到X軸方向與機(jī)床中心最大偏差為52.6mm，Y軸方向最大偏差為10.4mm，保證了每一級(jí)沖孔的沖裁中心與機(jī)床中心偏差在機(jī)床要求范圍內(nèi)，避免滑塊承受偏心載荷，降低設(shè)備的震動(dòng)位移。