汽車縱梁的案例
汽車縱梁類件的沖壓工藝優化
汽車沖壓零件模具設計的重點是在成形類模具上，因為成形工序是保證零件焊接幾何形狀及尺寸的主要工序，因此，一個零件在工藝設計前的工藝分析是至關重要的。本文通過對具有一定代表性的汽車縱梁進行工藝及結構分析，確定零件的成形工藝，利用AutoForm及UG為輔助工具，通過優化傳統工藝達到提升縱梁類產品質量的目的。
汽車縱梁具有材料厚、強度高、形狀復雜、表面質量要求高、回彈大等特點，是一個典型的U形結構件。在整個成形過程中，成形和翻邊工藝非常重要，下面以我公司CX62車型為例，介紹汽車縱梁的成形工藝及模具設計。
工藝現狀
⑴零件材料。
該汽車縱梁的零件材料為HC340/590DP，是加磷、料厚為1.8mm的超低碳鋼。屈服強度340MPa，抗拉強度590MPa的雙相鋼，在低碳或者超低碳中通過添加一定含量的磷、錳固溶強化元素來提高強度，同時這種鋼又具有較好的成形、強度性能，能夠滿足成形及使用安全的需要。零件圖如圖1所示。
⑵零件相關技術要求。
1）成形后的材料最薄處不能小于料厚的80%，變薄率最大20%。
2）制件必須避免縮頸、開裂、毛刺、扭曲、反彈等缺陷。
⑶零件的沖壓工藝分析。
零件有兩種沖壓工藝方案，一是落料+成形，二是拉延+修邊。對任何一個零件進行工藝分析時，都要在滿足質量、效率、安全、穩定、方便的前提下，盡量的降低成本，因此，優先考慮的是落料+成形工藝。
圖1 零件圖
圖2 零件截面
零件兩端頭為開放式造型，具備成形工藝的前提條件。另外，該零件的多個截面均為U形截面，且零件的深度方向深度較深、高低落差較大（圖2），如果采用拉延工藝，將導致產品兩側產生反彈、反弧和扭曲。
展開 汽車縱梁沖壓成形工藝分析
板料沖壓成形作為一種重要的塑性加工工藝，廣泛應用于航空航天、汽車、儀表等工業領域。據統計，其中汽車覆蓋件中有60%～70%是采用沖壓工藝生產出來的。汽車覆蓋件具有材料薄、形狀復雜、結構尺寸大、表面質量要求高及生產成本高等特點。成形往往兼有拉延、脹形、翻邊、彎曲等多種形式，在成形過程中板料上各點的變形狀態很復雜，應力、應變很不均勻，差別很大，有些形狀較復雜的沖壓件需要經過多道工序才能完成。但是，覆蓋件的質量好壞在很大程度上受拉延模的質量控制，因此拉延件的設計是沖出高品質沖壓件的關鍵。而如何迅速而準確地預測整個沖壓成形過程可能出現的起皺、開裂以及不合要求的回彈等缺陷并確定其中的一些重要沖壓參數，已成為沖壓技術發展的瓶頸。隨著板料成形有限元理論的不斷完善、計算機技術的迅速發展、對沖壓加工過程認識的深入，以及板料成形有限元模擬技術的日趨成熟，使模擬沖壓成形過程成為可能，并日益成為汽車、模具、鋼鐵等企業優化工藝提供選材以及縮短產品開發周期、減少制造成本的有力工具。
本文以某汽車右前縱梁本體為例，依據其結構特點判斷材料的流動方式，用UG軟件對模型做合理的工藝補充并導出，借助三維沖壓仿真軟件PAM-STAMP2G進行成形過程的數值模擬，獲得了合理的拉深成形工藝參數，以用于指導生產。
模擬過程與結果
本體拉深工藝分析
圖1為汽車右前縱梁本體零件圖，其材料為X1，板料厚度為3mm。從該圖可以看出，該零件結構復雜，局部成形較多，是彎曲、拉延和脹形復合的結果，需要經過拉深→沖孔→切邊等多道工序才能完成，其拉深工藝過程為一次拉深成形，單動沖壓形式。本文主要研究其拉深成形過程，暫不對沖孔及切邊過程進行模擬，圖2即為零件的工藝補充完成的拉延件。
展開 高強度鋼板汽車縱梁拉毛常見原因分析及處理措施
原文作者：鮮光斌，羅琳，王業紅，陳蘇明
作者單位：奇瑞汽車有限公司
來源：mjgy2014
碳纖維復合材料在汽車前地板下縱梁加強板應用初探
摘要：為了探究碳纖維復合材料在結構件上應用的可行性，選取前地板下縱梁加強板作為研究對象，分別選取了兩套樹脂體系（低溫型碳纖維增強樹脂基復合材料及高溫型碳纖維增強樹脂基復合材料）進行了對比試驗。通過此項目掌握了車用碳纖維復合材料應用于前地板下縱梁加強板的主要性能評價方法。也對今后考慮碳纖維在線涂裝隨車身過烘干爐以及實現與金屬車身的粘接提供了一些借鑒思路。
關鍵詞：碳纖維 前地板下縱梁加強板 可行性分析
1 前言
在全球節能減排的大趨勢下，碳纖維復合材料汽車已成為解決能源和環境問題的一種戰略性產品。隨著碳纖維制造成本的下降、復合材料制造工藝的成熟，目前國內外汽車及零部件廠商都在積極地進行研究應用。國內已經有很多主機廠對碳纖維復合材料在車身外覆蓋件上應用的可行性進行一定研究，但關于其在汽車結構件上的應用研究卻鮮有報道。
2 材料選擇及材料性能試驗方法
2.1材料
為了選擇前地板下縱梁加強板材料，并考慮其經過涂裝烘干爐，選擇低溫型碳纖維增強樹脂基（熱塑）復合材料（以下簡稱為低溫型復合材料）及高溫型碳纖維增強樹脂基（熱固）復合材料（以下簡稱為高溫型復合材料）分別開展試驗。
展開 
碳纖維復合材料在汽車前地板下縱梁加強板應用初探
在全球節能減排的大趨勢下，碳纖維復合材料汽車已成為解決能源和環境問題的一種戰略性產品。隨著碳纖維制造成本的下降、復合材料制造工藝的成熟，目前國內外汽車及零部件廠商都在積極地進行研究應用。國內已經有很多主機廠對碳纖維復合材料在車身外覆蓋件上應用的可行性進行一定研究，但關于其在汽車結構件上的應用研究卻鮮有報道。
2材料選擇及材料性能試驗方法
2.1材料
為了選擇前地板下縱梁加強板材料，并考慮其經過涂裝烘干爐，選擇低溫型碳纖維增強樹脂基（熱塑）復合材料（以下簡稱為低溫型復合材料）及高溫型碳纖維增強樹脂基（熱固）復合材料（以下簡稱為高溫型復合材料）分別開展試驗。測試樣條為預浸布迭層，迭層可采用編織（表層）/單向纖維（UD）（中間層）/編織（表層）。碳纖維采用T300級的3k編織纖維和T300級的12k單向纖維。樹脂基體均為環氧樹脂，纖維體積比為55%。膠黏劑為環氧樹脂型結構膠。下縱梁為H1500鋼板。
2.2試驗方法及設備
拉伸試驗參照ASTMD3039/D3039M-08《聚合物基復合材料拉伸性能試驗方法》，彎曲試驗參照GB/T1449—005《纖維增強塑料彎曲性能試驗方法》，沖擊試驗參照GB/T1043.1—008《塑料簡支梁沖擊性能的測定第1部分：非儀器化沖擊試驗》，抗剪試驗參照GB/T7124—008《膠粘劑拉伸剪切強度的測定（剛性材料對剛性材料）》，低溫脆化試驗參照GB/T5470—008《塑料沖擊法脆化溫度的測定》，熱變形溫度測定參照GB/T1634.2—2004《塑料負荷變形溫度的測定第2部分：塑料、硬塑料和長纖維增強復合材料》。
展開 基于宏觀斷裂力學的CFRP薄壁結構耐撞性能研究及應用
3.3 碳纖維材料汽車前縱梁有限元模型建立
采用的汽車前縱梁模型來自于某款乘用車的前端結構，所用材料為冷軋碳素結構鋼B280VK，其部分結構如圖12所示。該模型中的汽車前縱梁由內板、外板和加強板組成，其截面形狀為帽型，內板以及外板厚度大小為1.4 mm，加強板厚度為1.2 mm。考慮到前縱梁前部結構為汽車正面碰撞時的主要吸能結構，所以選取汽車前縱梁前部340 mm結構作為研究對象，同時對前縱梁的結構特征進行簡化，最后得到的簡化汽車前縱梁模型以及輪廓尺寸，如圖13所示［19］。
圖12 汽車前縱梁結構
圖13 鋼質前縱梁尺寸結構圖
在前縱梁內板和外板中，碳纖維鋪層層數均為8層，網格大小也選用1.5 mm×1.5 mm的尺寸進行劃分。此外，為了保證穩定的失效模式，設置倒角觸發機制，其他建模步驟與前文保持一致。鋼質前縱梁模型的材料屬性見表6。
表6 鋼質前縱梁參數
在汽車前縱梁壓潰建模過程中，約束前縱梁后端6個方向的自由度。為了真實模擬汽車碰撞時的工況，對剛性板附加了600 kg的質量，并賦予剛性板以15 m/s的初始速度來撞擊汽車前縱梁，最大壓潰位移設置為170 mm，即汽車前縱梁一半的距離。考慮到鋼和碳纖維復合材料的應變率效應對其力學性能影響不大，這里只考慮冷軋碳素結構鋼B280VK在不同應變率下的應力-應變曲線［19-20］。對于鋼質材料的前縱梁，通過Interaction中的Coupling連接方式來模擬內板與外板之間的螺栓連接。對于CFRP復合材料前縱梁，采用實體單元來建模，使用Interaction中的Tie連接方式來模擬內板與外板之間的螺栓連接，其他的約束設置以及加載方式與前文所述相同，前縱梁動態軸向壓潰模型如圖14所示。
展開 電器沖壓件加工介紹
（3）電器沖壓可加工出尺寸范圍較大、形狀較復雜的零件，如小到鐘表的秒表，大到汽車縱梁、覆蓋件等，加上沖壓時材料的冷變形硬化效應，沖壓的強度和剛度均較高。
（4）電器沖壓一般沒有切屑碎料生成，材料的消耗較少，且不需其它加熱設備，因而是一種省料，節能的加工方法，沖壓件的成本較低。
沖壓件加工廠淺談沖壓加工與機械加工的對比
3、沖壓可加工出尺寸范圍較大、形狀較為復雜的零件，如小到鐘表的秒表，大到汽車縱梁、覆蓋件等，加上沖壓時材料的冷變形硬化效應，沖壓的強度和剛度均較高。
4、沖壓一般沒有切屑碎料生成，材料的消耗較少，且不需要別的加熱設備，因而是一種省料、節能的加工方法。相對來說成本也比較低。
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五金沖壓加工的優點
（3）五金沖壓可加工出尺寸范圍較大、形狀較復雜的零件，如小到鐘表的秒表，大到汽車縱梁、覆蓋件等，加上沖壓時材料的冷變形硬化效應，沖壓的強度和剛度均較高。
（4）五金沖壓一般沒有切屑碎料生成，材料的消耗較少，且不需其它加熱設備，因而是一種省料，節能的加工方法，沖壓件的成本較低。
五金沖壓工藝與模具、沖壓設備和沖壓材料構成沖壓加工的三要素，只有它們相互結合才能得出沖壓件。五金沖壓件加工是借助于常規或專用沖壓設備的動力，使板料在模具里直接受到變形力并進行變形，從而獲得 形狀，尺寸和性能的產品零件的生產技術。
沖壓件加工在技術方面和經濟方面的優勢是什么？
隨著社會的發展，沖壓件在航空航天，機械、電子產品等領域的到了廣泛的應用，其中沖壓加工工藝、生產效率等方面得到了飛速的發展；
沖壓加工與機械加工及塑性加工的方法相比較，無論是在技術方面還是經濟方面都具有許多獨特的優點，主要表現在以下幾個方面，下面帶你看一下；
沖壓加工的生產效率比較高，而且操作方便，易于實現機械化與自動化，這是因為沖壓是依靠沖模和沖壓設備來完成加工，普通的壓力機的行程次數每分鐘才幾十次，而高速壓力機每分鐘可以達到數百次，甚至上千次，而且每次沖壓行程都能得到一個或多個沖壓件；
沖壓時模具包裝了沖壓件的尺寸與形狀精度，一般不破壞沖壓材料的表面質量，而且模具的壽命一般比較長，所以沖壓件的質量穩定，互換性好，具有”一模一樣”的特點；
沖壓可以加工尺寸范圍較大，形狀比較復雜的零件，如小到鐘表的秒針，大到汽車縱梁、覆蓋件等，加工沖壓時材料的冷變形硬化效應，沖壓件的強度和剛度都比較高；
沖壓一般沒有切屑碎料生成，材料的消耗較少，且不需要其他加熱設備，因而是一種省料、節能的加工方法；
沖壓加工所使用的模具一般具有專用性，有時候一個復雜的零件要數套模具，才能加工成型，而且模具制作的精度高，技術要求高，是技術密集性產品，所以在沖壓件大量生產的情況下，沖壓加工的優勢才能充分的體現出來，從而為沖壓件加工廠獲得較好的經濟效益；
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淺談用于生產汽車沖壓件的沖壓線選型原則
為適應汽車工業的快速發展，沖壓設備也不斷技術進步。但對于國內汽車廠，尤其是中小汽車廠，選擇合適的沖壓設備能促進企業不斷發展。本文主要講述如何根據汽車廠的實際情況選擇不同的沖壓線型，并根據具體實例講述選型過程。
對于批量小、產能需要低、投資低的沖壓線可以采用油壓機沖壓線，油壓機的投資相當于機械壓力機的1/3。現在國內新增沖壓線的主流為機械壓力機沖壓自動線，投資中等，柔性好，可靠性高。高速機械沖壓線一般采用雙臂機械手傳輸，投資較高，生產節拍較快。大型覆蓋件的沖壓線發展方向為伺服沖壓線，這種沖壓線比較節能，但前期投資較大。中小型件的沖壓線發展方向為機械多工位壓力機沖壓線。對于汽車結構件發展方向為高強鋼板熱成形沖壓線，高強鋼板能降低車輛重量，提高安全性能。對于等截面汽車縱梁，發展方向為數控沖加輥壓，但對于變截面的梁，仍需要使用壓力機。
某汽車廠需要生產車橋，采用上下半殼沖壓然后焊接的方法，材料厚度5mm，拉深量為130mm。以下按沖壓線首臺壓力機為機械壓力機、高速油壓機、伺服壓力機進行分析對比。
方案1：
采用普通雙點機械壓力機作為拉深工序的壓力機。1600t壓力機能量和力滿足沖壓車橋件的要求，但壓力機工作區滑塊速度大于用戶要求的40mm/s。機械壓力機當節拍低的時候，飛輪可釋放能量小，做功能力下降。在滿足壓力機釋放工作能量800kJ的時候，壓力滑塊在下死點前130mm的拉伸速度為350 mm/s。在滿足1600t壓力機釋放工作能量400kJ的時候，壓力滑塊在下死點前130mm的拉伸速度為200 mm/s。在下死點前130mm處，壓力機負載能力為840t。在下死點前30 mm處，壓力機能力為1600t。首臺壓力機造價1500萬左右。
展開 基于自動化生產的卡車縱梁落料沖孔模設計
文／支明遠，孫林·江鈴汽車股份有限公司
近年來，由于國家建設發展的需要，中重型載貨汽車需求量越來越大。由于重載汽車縱梁料厚板重，傳統手動落料生產模式不僅生產效率低，而且人工搬料存在一定的安全隱患，無法滿足增產需要。因此，創新設計，實現縱梁落料自動化是目前的發展方向。
模具設計總體思路
圖1 是某款卡車縱梁落料件，材質為B510L，料厚為6mm，產品凈重74.86kg，總孔數351 個，其中φ7mm 孔26 個，φ9mm 孔52 個，φ11mm 孔198 個，φ13mm 及以上孔75 個，通過沖裁力計算，平刃沖裁力達到了39512kN，因此，選擇在5000t 機械壓力機上進行落料沖孔。首先，由于縱梁落料沖孔沖裁力大，根據以往經驗斷沖頭是影響生產效率的一個主要因素；其次，由于板料長，坯料在長度方向會存在一定的翹起，要實現自動化生產，需要穩定的定位且投料時料片能被順利感應檢測到；最后，自動化生產需要確保廢料能順利下滑，模具高度尺寸及修邊廢料尺寸需要提前考慮，以免影響廢料下滑。這些難點問題需要在模具前期設計中做充分考慮，以做出更優化的模具設計方案。
圖1 某款卡車縱梁落料沖孔件
模具穩定可靠的定位設計
縱梁因自動化生產頻率較快，板料能否擺放到位會直接影響產品的質量及生產效率。模具上料利用機器人視覺對中，公差精度可以控制在±2mm，其原理是利用拍照獲得的板料位置圖像經視頻處理軟件后自動調整機器人的軌跡，最終將板料準確置入模具內，但由于放置到模具內會有一個35mm 的高度，如果只是采用一端定位的話，實際放置到模具內時料會存在一些錯動，導致產品沖切報廢(圖2)。為了解決這一問題，前端和后端都需要設計外形定位以確保投料定位精準，如圖3、圖4 所示。
展開 車架內外縱梁一體成形模具設計案例分析總結
縱梁是卡車車架的骨架部分，傳統生產流程為內外縱梁各自成形后裝配鉚接，存在工裝開發成本高、鉚焊裝配困難及需要削減縱梁的抗彎強度等問題，本文分析了內外縱梁一體成形工藝設計及結構設計的特點，并將制造加工出的模具成功應用于多個項目中。
縱梁是卡車車架的骨架部分，縱梁長度一般為5～10m不等，從其斷面來看汽車車架縱梁是典形的U形件，包括內縱梁和外縱梁零件。一般傳統成形工藝，汽車車架縱梁內外板是各自落料沖孔，各自成形，模具開發成本高，成形后考慮精度存在差異，容易造成縱梁內外板裝配孔位置不吻合，導致鉚焊裝配困難，且內外板形面因不吻合導致裝配間隙大，裝配間隙大會削減縱梁的抗彎強度。
內外縱梁一體成形是在一副模具中完成內外縱梁的成形
主要工藝流程包括：
①首先將車架縱梁內、外板各自落好料，預留塞焊孔位；
②將各自落好的車架縱梁內、外板料按照裝配的位置塞焊在一起，并打磨處理；
③將焊接在一起的車架縱梁內、外板放入縱梁成形模里成形。本工藝避免了縱梁內外板各自成形孔位置不對位造成裝配困難的問題，并且裝配間隙也很小，提高縱梁的抗彎強度，減少成形模具投資成本并降低生產成本，應用前景廣闊。
零件工藝性分析
圖1 內外縱梁零件圖（A外梁、B內梁）
圖1為內外縱梁零件圖，零件材料都為B510L（屈服強度≥355MPa，抗拉強度為510～630MPa，延伸率≥24%），內縱梁厚度為3.0mm，外縱梁厚度為5.0mm，外觀尺寸為5722mm（內梁為5007mm）×170mm×131mm，臺階落差為50mm，內縱梁內外R角為3mm及6mm，外縱梁內外R角為5mm及10mm。
展開 汽車高強鋼輥壓線闡釋
眾所周知，汽車輕量化離不開高強度材料，由于高強板特別是抗拉強度大于780MPa的超高強鋼，其延伸率差，利用輥壓復合成形工藝來生產異型冷彎型鋼成為必然，像保險杠本體、防撞桿、門檻件、座椅軌等。而帶孔異型冷彎件則需要利用在線沖裁、焊接、自動化切斷等設備來組合一條全自動輥壓線，也就需要突破一些技術關鍵。本文結合實例重點介紹汽車保險杠、防撞桿生產設備關鍵技術，與大家分享和交流。
1.汽車異型輥壓件自動化生產簡介
同傳統冷彎型鋼一樣，一般分為開口和閉口兩種。門檻、導軌大多是開口型鋼，開口保險杠本體很常見，由于受傳統的沖壓工藝所限，過去基本上都是開口型材，后來很多車型仍沿用，像老別克GL8、捷達、起亞、榮威350等。而目前大多數保險杠本體為閉口B型鋼，國外某些輕型汽車縱梁也采用閉口冷彎型鋼；車門防撞桿則以圓管居多，也有長橢圓、異型截面防撞桿（見圖1）。
圖1 防撞桿
門檻類零件（見圖2）基本上是開口型，端頭形狀復雜，而且中間、邊部需要沖切或局部壓凹。
圖2 門檻件
座椅導軌（見圖3）多以沖壓工藝為主，隨著高強度材質的使用，輥壓成形工藝得以推廣應用。
圖3 座椅導軌
輥壓保險杠一般是大于780MPa的高強度材料，型面較為復雜，有的還要成弧形（見圖4）。這類產品大部分均帶有無規律的孔，個別孔位精度要求較高，工件上孔數不等。生產線集成沖孔、焊接工藝，已在生產中大量推廣使用。配合數控技術，可有效地控制彎曲后孔位精度。輥式中、高頻焊、在線激光焊接工藝在國內也已成熟應用。
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