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汽车上边梁位于A 柱上段与C 柱上段之间，起到连接A、B、C 柱，支撑顶盖横梁的作用，是重要的车身安全防护件之一，它的特点是跨度大、强度高，抗拉强度在780MPa以上。对上边梁的冲压工艺方案进行探索研究，最终完成该典型件的工艺优化，大幅提高了材料利用率，同时增加生产稳定性。
关键词：上边梁；冲压工艺；工艺优化
四梁六柱是汽车笼式车身的基础框架，这几个零件在汽车发生事故的时候，承受了绝大部分的撞击力，四梁六柱的坚固程度决定了汽车撞击后的变形程度，从而决定了车内人员的安全程度。其中，四梁为前防撞梁、后防撞梁、底梁和上边梁，六柱分别为左右A、B、C 柱，本文对上边梁的冲压工艺方案进行探索研究。
图1 所示为汽车上边梁制件，该制件材料为440-780DPD+Z，厚度1.2mm，材料参数如表1 所示，抗拉强度达到850MPa，该材料属于超高强度钢，多用于汽车重要安全部件，屈服、抗拉强度高，延展性差，因而很难达到均匀的塑性变形，成形后回弹大[1]。
表1 材料参数
图1 某轿车边梁制件图及主要截面图
结合制件形状及材料参数分析，总结本制件的特性。
（1）长度跨度大，从汽车A 柱贯穿至C 柱，总长度为1950mm。
（2）搭接制件多，与侧围、A柱、B柱、C柱、顶盖横梁、拉手支架搭接，本制件的尺寸精度对焊接总成的精度影响很大。
（3）制件强度高，为抗拉强度850MPa 的高强钢板，成形后回弹大，不易控制。
（4）扭曲现象严重，上边梁形状为弧形，且存在单侧翻边造型，成形后扭曲现象极其严重。
本制件属于特殊疑难件，传统工艺方案为：①OP05落料→①OP10 拉伸→③OP20 修边侧修边冲孔→④OP30 修边侧修边冲孔侧冲孔→⑤OP40 整形，OP20～OP40 一般为标准工序，影响材料利用率的工序为OP10拉伸，现主要对拉伸工序进行研讨。如表2所示。传统方案为拉伸工艺，制件通过减薄成形，刚性较好[2]，但由于制件存在单侧翻边造型，该方案压料面存在高低差，作如图2 所示的拉伸造型，两侧压料面高低差45mm，批量生产时板料位置易攒动，生产稳定性不好,不同批次制件尺寸波动为0.5～1.5mm。按本工艺方案，坯料长2,060mm，超过钢厂最大卷宽1,800mm 限制，需要做斜后排样落料（见图3），因弧形造型，导致排样浪费极大，图4所示为最终材料利用率仅为29.5%，利用率极低。
表2 闭口拉伸工艺方案
图2 压料面高低差
图3 落料排样
图4 拉伸坯料形状图
材料利用率提升可以从降低拉伸深度、缩小板料尺寸、变更成形方案3方面考虑。
（1）优化方案1：降低拉伸深度。通过图2 可见原方案工艺补充全部为R-R 相接，已无拔模直线段部分，无法通过拉伸深度无法提升利用率。
（2）优化方案2：缩小板料尺寸。如图2所示，研究分析工艺补充数模厚，长度方向为贯通式“几”字形截面，采用开口拉伸方式，可缩小长度方向出尺寸。经CAE 分析，开口拉伸满足成形性要求（见图5），材料利用率提升至35%。
图5 开口拉伸分析结果
（3）优化方案3：变更成形方案。通过研究制件形状特性（见图1），发现制件主型面除个别凸包外，其余为较平缓的起伏，可采用主型面压料板成形，侧壁翻边的工艺方式。经CAE 分析，主型面压料板成形无问题，但在侧壁翻边时出现局部叠料（见图6），需进行进一步的工艺优化。
图6 翻边成形方案及风险点
经上述分析，实现本制件可以有闭口拉伸、开口拉伸、翻边成形3种工艺方案，3种方案对比如表3所示。
表3 不同工艺方案信息对比
不同工艺方案材料利用率对比如表4所示。
表4 不同工艺方案材料利用率对比
根据上述对比，翻边成形方案成形力显著降低、材料利用率提升、同时模具重量降低。通过表5 可见本方案使制件扭曲回弹变大，但全序回弹趋势一致，此方案在正式生产时稳定性高，扭曲回弹可通过数据补偿来进行修正。综上所述，最终确定本制件材料利用率提升采用翻边成形方案。
表5 不同工艺方案回弹对比
经CAE 分析发现主型面成形无问题，但侧壁局部叠料（见图6），主要原因是制件整体为弧形，在弧形拐弯处会存在多料现象。一般解决翻边叠料可以通过增加工艺缺口、设置翻边接触顺序、夹料翻边3种主要方式解决。
（1）增加工艺缺口：可以解决叠料问题，提出制件ECR 反馈客户，因上边梁属于重要安全组件，客户CAE碰撞分析不过关，此方案无效。
（2）设置翻边接触顺序：经试验叠料部位翻边提前接触量15mm、10mm、5mm，叠料状态无明显改善，此方案无效。
（3）夹料翻边：增加下浮动托料体，如图7所示，在上压料板与下模压料成形后，下托料体与上模翻边镶块作用夹住板料向下翻边，经分析翻边叠料问题解决。此方案可行。
图7 增加下托料体
最终确定翻边成形方案需增加下托料体，托料板行程50mm，托料力10t。
上边梁OP10 翻边成形模结构包括上模座、凹模镶块、上压料板、下模座、凸模镶块、下托料板（见图8）。下托料板行程50mm，压料力10t，开始工作前，板料定位块置于凸模镶块及下托料板上。上压料体行程60mm，压料力40t，工作时，上压料板向下运动将板料夹紧在凸模镶块上，运动10mm 建立稳定压力后，下托料板将剩余板料夹紧在凹模镶块上。压机上滑块继续向下运动，上下压料板共同作用使板料成形翻边完毕。
图8 翻边成形模具结构
通过对汽车上边梁进行工艺优化，大大提高了制件的材料利用率，根据测算，平均每年节约材料费约400万元，极大的降低了冲压生产的材料费用。同时优化落料排样、简化成形模具结构，模具工装减重24t，节约模具开发费用约50 万元。此工艺优化方案将大力向其余项目边梁推广，形成持续的降本效果。
来源：期刊-《模具制造》 2024年第4期 P5-7，19；作者：邵兴诗，刘晓虹，张双林（一汽模具制造有限公司，一汽模具（天津）有限公司青岛分公司）
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