车架纵梁折弯成型扭曲变形分析

2020-09-04莫云霞李玉家何清月

锻压装备与制造技术 2020年4期

莫云霞，李玉家，王蕾，熊伟，宁波，何清月

（1.国机铸锻机械有限公司，山东济南 250306；2.遂宁云内动力机械制造有限公司，四川遂宁 629000）

车架是汽车中最重要的承载部件，纵梁是其中的关键零件之一。汽车纵梁数控折弯生产线是汽车行业中新型载重卡车车架纵梁及加强梁的局部折弯成型的专用设备，实现了折弯成型的柔性化生产，对于不同宽度、高度以及长度的U型梁，通过触摸屏可自动调用相应的折弯程序进行加工，既适合现代化工厂的多品种小批量的生产状况，又可适应纵梁的大批量生产，大大减轻了工人劳动强度，提高了产品质量。

汽车纵梁数控折弯生产线的实际生产过程中，成型后的纵梁会产生不同程度的扭曲变形。本章重点分析了折弯后纵梁扭曲变形的主要原因以及降低扭曲变形程度能够采取的有效措施。

表1 钢板和钢带的厚度允施偏差单位：mm

1 纵梁折弯后扭曲变形原因

1.1 化学成分、物理性能因素

即使汽车纵梁的几何形状完全相同，其化学成分的稳定性以及晶体颗粒的均匀性都会导致其力学性能不尽相同。

参照汽车大梁用热轧钢板和钢带（GB／T 3273-2005）规定，以6mm～8mm钢板和钢带为例：纵梁材料厚度（厚度6mm～8mm）公差普通精度为±0.36mm，详见表1。实际大梁板供货时板厚误差在0.2mm左右。

根据矩形截面抗弯截面系数的计算公式：W=bh2/6（式中b为垂直于弯矩作用方向的长度，如图1所示），可以看出因材料厚度误差导致纵梁成型后，同截面内纵梁理论抗弯截面系数（W）是非对称的，即其中一侧远大于另一侧。

纵梁折弯后由于化学成分、物理性能方面的差异导致纵梁扭曲变形。

1.2 翼面高度差因素

某车架厂仓库一批次纵梁，经测量数据如下：翼面高差2mm占比约为50%，翼面高度差3mm占比约为50%。

车架纵梁形状与图2型钢类似，型钢抗弯截面系数公式如下：

根据型钢截面抗弯截面系数计算公式，可以看出翼面高度对抗弯截面系数的影响是3次方关系，截面高度差越大，对抗弯截面系数的影响越大。

纵梁折弯后由于翼面高度差导致纵梁扭曲变形。

1.3 纵梁翼面、腹面直线度因素

某车架厂仓库一批次纵梁，经拉线测量数据如下：翼面直线度4mm占比约为18%，翼面直线度6mm占比约为42%，其余约为40%；腹面直线度4mm约为28%，腹面直线度6mm占比约为72%。较长纵梁腹面直线度更差一些。

从以上数据可以发现，成型后的纵梁经过一系列运输及存储等，在各种原因的综合影响下，折弯前纵梁本身已经发生扭曲变形。

1.4 折弯线附近腹面、翼面非对称孔因素

车架纵梁上存在很多孔，并且很多孔不是沿中心对称分布。以图3某车架纵梁为例，由图可清晰看出，纵梁腹面折弯线附近存在大孔，且远离对称中心线；折弯线附近还有很多非对称布置的小孔分布在翼面和腹面上。

孔的抗弯截面系数公式为（d为孔的直径）：

由上述公式可见，孔的直径对抗弯截面系数的影响是3次方关系，尤其是大孔对抗弯截面系数影响很大。而且非对称孔会大大破坏纵梁抗弯截面系数的对称性，从而导致纵梁加工后的扭曲变形。欧洲某些车型车架纵梁的冲孔非常对称，一定程度上降低了非对称孔对纵梁扭曲变形的影响，如图4所示。

2 降低纵梁折弯后扭曲变形的措施

（1）材质的化学成分、物理性能对抗弯模数影响较大，进一步对纵梁折弯后的扭曲变形较大。但是目前我们暂时无法改变这一现状，只能在选择材料时尽量选择大厂的、相对较稳定的钢材产品。

（2）运输及存储等中间环节对纵梁腹面、翼面变形造成的影响，可以通过改善运输条件，加强生产管理等一系列措施进行一定程度的有效控制。

（3）降低纵梁孔位对折弯成型的影响。目前大多数车架厂的生产工艺都是先冲孔后折弯。这就导致冲腹面及翼面孔时，若孔为非对称型，会产生新的非对称内应力。尤其是折弯线附近的腹面及翼面孔，会导致折弯线附近各截面抗弯系数的严重不对称，纵梁内部因此产生不均匀的内应力，导致纵梁折弯后扭曲变形。或者内部虽然存在内应力，虽尚不足以使纵梁产生变形，但是存在潜在趋势，当有新的外力出现时，产生合力，该类型的变形会出现且有放大的趋势。所以在车架设计时，尽量避免在折弯线附近出现大孔，或者不对称分布的小孔。