纵梁与其他冲压件对比,其特点有以下几方面:
(1)外形长、板料厚。根据车型功能不同,纵梁长度范围大概为5~12m,厚度范围为4~10mm。例如,牵引车车架纵梁长度一般在6~8m,载货自卸车架纵梁长度一般在8~12m。
(2)孔数多。商用车80%以上的重要总成和部件在车架纵梁上进行装配。例如,发动机、变速箱、车桥、驾驶室及外挂件等,纵梁孔数一般为200~400个。
(3)结构不复杂但精度要求高。以U形结构为主,由于纵梁的孔和型面大部分都是装配孔、装配面,所以尺寸精度要求高。
(4)材料强度高。钢板屈服强度δs为500~700MPa。
商用车车架纵梁与内加强板一般有单层板、双层板、三层板三种主要结构形式,一般内加强板厚度都不大于纵梁厚度。根据不同车型承载需要,配置不同层次和不同板厚的加强板。按截面分类有等截面和变截面两种,按腹面分类有等直和弯曲两种,具体如图1所示。
图1 加强板形状分类
商用车纵梁加工工艺方法
传统冲压工艺
大型压床结合模具进行冷冲压加工是国内主要卡车制造商初期生产纵梁采用的生产工艺,这种生产模式适用于品种少批量大的生产。在60到90年代,卡车产品种类少,生产批量大,模具冲压生产的效率高、稳定性好,解放公司卡车厂在2004年前一直采用此工艺生产纵梁。
加工工艺流程为:倍尺钢板→酸洗→模具落料冲孔→模具压弯。
其优点是:
(1)单一品种大批量生产效率高。
(2)生产面积小,物流环节少。
(3)落料冲孔,外形尺寸孔位精度高,一致性好。
(4)产品适应性较强,直槽纵梁和变截面纵梁都能生产。
缺点是:
(1)模具投资大,制造周期长。一套商用车纵梁落料冲孔模具和压弯模具共计约需要500万左右,模具的制造周期为8~12个月,在新产品准备时,无法满足快速投产的需要。
(2)倍尺料封闭落料材料利用率低。在封闭落料冲孔时,双侧侧搭边值为30mm,对比净尺料每件重15kg左右,按月产1万辆计算,每月多产生废料近300t。
(3)柔性化程度低,产品适应性差。当产品孔位、槽宽、厚度任一参数发生变化时,都需要对模具进行修改,修改模具的周期不能满足产品变化的周期,这样就导致新产品无法按期投产。
(4)冲压成形回弹难以控制。由于冲压成形时弹性变形的存在,使纵梁在成形后产生回弹。纵梁在冲压成形过程中的主要缺陷有:翼面角度内缩或外张、变截面处扭曲、腹面翘曲等,如图2所示。这些虽然可以在成形模具上采取一些回弹补偿的措施,但由于影响纵梁回弹的因素较多,在实际生产中回弹控制比较困难。由于纵梁较长,腹面有落差的纵梁纵向回弹(翘曲)最严重且难以控制。随着纵梁材料强度的增大,纵梁的回弹问题也越来越突出。
另外,在冲压生产过程中,由于料厚的偏差、材料表面质量差等原因容易造成模具的凹模表面磨损,导致纵梁成形后翼面产生拉痕,严重影响纵梁表面质量。
(5)酸洗工艺污染环境,影响操作者身体健康。
冲压结合数控冲孔及切割工艺
2004年以后,随着数控技术的快速发展,数控冲孔机、机器人等离子切割机等柔性化设备陆续投入到纵梁生产过程中。净尺料数控冲孔技术及机器人等离子切割机取代倍尺料的封闭落料冲孔,酸洗工艺被抛丸工艺取代。
加工工艺流程:净尺钢板→数控冲孔→机器人等离子外形切割→模具压弯成形。
其优点是:孔加工及外形加工实现了快速转换,适应多品种小批量生产,节约模具成本。
缺点是:
(1)效率低,一次投入成本高,数控冲孔和机器人等离子切割的节拍为4~6min/件,约为模具冲孔节拍的1/8,为解决节拍问题需要投入多台设备同时生产。
(2)孔精度较低,模具冲孔的孔精度主要是由模具精度保证的,而数控冲孔的孔精度是由数控冲孔设备的精度决定的。数控冲孔设备由伺服电机、机器人、高精度丝杠、齿轮齿条等组成,相比传统压床其结构更为复杂,精度衰减快,维修难度大,在出现问题时不易解决,另外,数控冲孔精度也受来料外形尺寸精度影响。
(3)数控设备与冲压设备结合生产物流繁杂,无法做到“一个流”生产,在数控工序后大量半成品缓存待加工,大大增加车间生产组织、物料管理的难度。
辊压结合数控冲孔及切割工艺
2008年以后卡车市场需求增大,用户对卡车功能的要求也日益增多,其主要变化集中在纵梁孔位、槽宽上。各汽车厂基本上都以多品种、小批量的生产模式为主,虽然数控设备的投入可以满足孔加工的柔性化生产,但模具压弯仍然是制约生产的瓶颈。另外,随着轻量化要求,钢板强度逐渐增大,模具压弯质量难以满足设计要求。针对纵梁压弯成形这个难题,对比国内及国外知名厂家纵梁制造工艺后发现“沃尔沃”、“曼”及中国东风汽车均采用辊压成形结合数控加工工艺。
加工工艺流程:钢卷→辊压成形→数控冲孔→机器人等离子外形切割→抛丸→腹面折弯(可选)。
其优点:
(1)柔性化程度高、生产辅助时间少、材料利用率高。产品切换生产时,只需输入零件名称,设备自动调整参数至零件的加工尺寸,产品槽宽变化调整时间仅为3min,其余数控设备可随时进行产品切换。整条生产线采用自动化传输设备连线生产,各工序间节拍匹配合理,物料缓存数量低。在生产过程中可根据卷料的长度合理分配产品的生产,钢板卷料利用率最高可达98%。
(2)辊型加工精度高。辊压机采用16组辊轮渐变成形可有效去除钢板在成形过程中的残余应力,减少回弹。设备在成形完毕后安装有校正装置,可有效地控制纵梁扭曲、直线度超差等缺陷。经校正后纵梁的腹面直线度精度可达5mm/12m,翼面垂直度精度可达±0.5mm,扭曲小于4mm,翼面高度精度±1mm。辊压工艺模拟分析及设备结构如图3所示,由于是辊压成形后冲孔,辊形精度高,使孔的精度更容易保证。