汽车地板纵梁前段冲压工艺优化设计

李 昂，王肖英，黄永生，崔礼春

(安徽江淮汽车集团股份有限公司 技术中心，安徽 合肥 230000)

0 引言

随着汽车更新换代加快、产品生命周期缩短，市场竞争越来越激烈。在更短的时间内制造出质量更高的产品是现阶段汽车行业的重要研究热点[1]。为了保证汽车的整体质量和安全性能，在车身许多关键位置，需要设计必要的高强度厚板冲压结构件，但是这些零件都存在着成形困难、易产生缺陷的普遍问题。随着CAE技术的不断进步，在产品初期同步分析阶段,就能够利用CAE软件对零件各种成形方案进行仿真分析，发现产品缺陷并找出解决方案。本文以某车型地板纵梁前段零件为例，对该件的产品结构进行优化设计，最终确定工艺方案，所生产的产品能满足设计及生产要求。

1 工艺分析

某车型地板纵梁前段如图1所示，零件材质为H420LAD+ZF 45/45，料厚2.2 mm，为典型的车身高强度厚板结构件。该零件安装在前围板下部，前端搭接发动机舱零件，后端搭接地板纵梁零件，并且涉及整车安全性能，对尺寸精度和产品质量都有极高的要求。零件造型较复杂，型面前后高差大，多处位置有起皱或开裂等成形性风险。经过多次CAE模拟分析，对图1中A(法兰边起皱)、B(开裂)、C(回弹特征)进行了优化。

2 零件优化

1) 图1中零件边侧位置A，由于与纵梁顶部轮廓形状差别较大，顶部轮廓线较长，拉延过后进行法兰边整形时，此处料边由多变少，多余的板料会产生起皱缺陷，严重影响焊接性能。经过CAE模拟分析，调整零件搭接边轮廓形状，与顶部轮廓走势保持一致，整形时料边长度也基本保持一致，避免了零件在此处起皱的缺陷。优化前后零件状态如图2所示。

2) 图1中零件底部位置B，下端立面角度较小，相交位置R角也较小，此处由于深度大，不能通过一次拉延完成，需要进行二次成形工序。成形时，翻边立面和侧壁将此处板料往两侧方向拉拽，拐角位置会产生严重开裂缺陷，导致零件不能满足产品质量要求。经过CAE模拟分析，增大此处翻边立面与侧壁间角度，同时放大相交处R角，从原来R14 mm放大到R21 mm，平缓过渡，消除了此处开裂的问题，满足了产品要求。优化前后零件CAE状态如图3所示。

3) 回弹广泛存在于板件冲压成型件上，汽车结构件由于强度高或板材较厚，回弹现象尤其明显[2]。该地板纵梁前段也存在较大的回弹问题。经过CAE模拟分析，在零件两侧立面增加凸起特征，配合进行局部回弹补偿，可以有效解决零件两侧回弹问题。特征结构如图1位置C所示。

图1 某车型地板纵梁前段

图2 地板纵梁前段搭接边起皱缺陷优化

图3 地板纵梁前段下部开裂缺陷优化

3 工艺方案

汽车冲压件的工艺方案设计，既要满足产品的结构和技术要求，又要考虑模具结构的合理性与安全性，以及冲压操作的便捷与可实现性。该地板纵梁前段需要排布的工艺内容有拉延、正/侧修边、正/侧冲孔、整形等工序，由于整体工艺内容较为集中，考虑到模具各部件避让及安装空间，通过CAE模拟分析，按照5个工序完成零件的工艺排布方案，可以满足设计及生产要求。具体工艺方案如图4所示。

图4 地板纵梁前段冲压工艺方案

第1工序为拉延工序，考虑到地板纵梁前段材质强度高、厚度大，一般闭口拉延难以成形，故采用两端开口拉延设计。同时为了保证两端开口位置不会因为不压料而造成严重起皱，在此处设计吸皱特征，如图5(a)所示。后序整形时在下端拐角位置(图3)易开裂，所以在拉延时应尽量增加拉延深度，以减少后序整形工作内容，并且在此处设计工艺凸包用以蓄料，如图5(b)所示。整体拉延工序压料面按照零件曲率进行设计，保证凸模和板料同时接触，优化零件成型状态。

图5 地板纵梁前段拉延工艺

第2工序为修边、冲孔工序，主要工作为完成两侧大部分满足正修角度的修边内容。该工序同时进行中间两处定位孔正冲孔工作，在定位孔位置冲出直径较小的孔用于后序模具进行板件定位。此工序由于无定位孔，需要采用型面与料边进行定位。

第3工序为修边、侧修边工序，主要工作为完成其余不受整形影响的修边内容，包括两侧中间的剩余正修边工序，以及地板搭接一端的侧修边工序。

第4工序为侧整形工序，主要工作为两侧立壁与搭接边的整形内容。在此工序中需要进行零件的回弹补偿，以保证最终产品精度满足装配要求。

第5工序为侧修边、冲孔、侧冲孔工序，主要工作为发动机舱搭接一端的侧修边内容，以及所有正/侧冲孔内容的排布。

4 CAE分析及结果评价

通过Autoform软件，对地板纵梁前段进行了模面构建以及全工序CAE模拟分析，工序分析模型如图6所示。全工序模拟完成后，根据零件分析结果作出以下判定：

图6 地板纵梁前段全工序分析模型

1) 在零件折弯处和拐角尖点处易出现开裂，几处位置材料减薄率如图7所示，满足该材质极限减薄率(15%)的要求，故判定不会产生开裂缺陷。

2)在零件法兰边位置易发生起皱，几处位置拉延及整形状态如图8所示，拉延结束前未见明显起皱现象，故判定不会产生严重的起皱缺陷。

图7 地板纵梁前段材料减薄率分析

3) 对全工序零件进行回弹模拟分析，回弹结果如图9所示，下端拐角处型面结构较深，回弹量较大，地板一端搭接法兰边也存在一定回弹。几处局部区域需要在第4工序整形时按照回弹量进行型面补偿,主要为立壁前后两端回弹较大的区域，以保证最终产品面差满足精度要求。

图8 地板纵梁前段起皱分析

图9 地板纵梁前段回弹分析

5 结论

通过前期有效的零件优化设计，并进行合理的工艺设计与排布，在详细的全工序CAE模拟分析的基础上，结合后期根据实际情况进行模具调试，目前该车型地板纵梁前段已稳定出件，图10为该地板纵梁前段实物图片。该冲压件产品质量良好，精度符合焊装要求，各区域状态与前期CAE模拟分析结果基本保持一致，避免了后期因产品造型可能产生的各项设计变更，节约了开发成本。

图10 地板纵梁前段实物