針對(duì)復(fù)雜的造型特征，沖壓件需要通過(guò)后期工藝優(yōu)化來(lái)保證成形質(zhì)量。如某些沖壓?jiǎn)渭纳a(chǎn)過(guò)程中，在單件局部剛度需提高的區(qū)域會(huì)因生產(chǎn)線末端的跌落問(wèn)題產(chǎn)生變形，因需要滿足造型方面的設(shè)計(jì)而無(wú)法優(yōu)化沖壓?jiǎn)渭慕Y(jié)構(gòu)強(qiáng)度，其變形問(wèn)題越來(lái)越難解決，特別是在大型汽車覆蓋件高速生產(chǎn)的傳輸過(guò)程中更加容易出現(xiàn)此類問(wèn)題。

目前，較常見(jiàn)的解決方案是在不增加沖壓工序的前提下，通過(guò)在沖壓?jiǎn)渭?qiáng)度需提高的區(qū)域添加輔助支撐結(jié)構(gòu)以解決跌落問(wèn)題，然后在車身車間使用切邊機(jī)將輔助支撐結(jié)構(gòu)切除，而輔助支撐結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度能否在零件跌落過(guò)程中起到支撐作用至關(guān)重要，也直接影響零件的成形質(zhì)量。

（a）生產(chǎn)線末端零件狀態(tài)

（b）生產(chǎn)線末端零件受力情況

圖1 沖壓生產(chǎn)線末端零件狀態(tài)及受力情況

沖壓生產(chǎn)線末端狀態(tài)如圖1（a）所示，零件通過(guò)皮帶傳送至收料臺(tái)的過(guò)程中，支撐結(jié)構(gòu)受到皮帶沿傳輸方向的摩擦力，如圖1（b）所示，若支撐結(jié)構(gòu)剛度不足則會(huì)導(dǎo)致零件變形從而失去支撐作用。此時(shí)，當(dāng)零件繼續(xù)通過(guò)50mm高的臺(tái)階時(shí)，則會(huì)發(fā)生跌落變形。因此，需要優(yōu)化支撐結(jié)構(gòu)，增加其抵抗傳輸方向的彎曲作用力，保證支撐結(jié)構(gòu)在傳輸過(guò)程中始終有效。以下重點(diǎn)探討如何優(yōu)化支撐結(jié)構(gòu)抵抗彎曲變形的能力。

增加零件剛度的主要手段有2種：①?gòu)牧慵牧现衷黾硬牧蟿偠龋捎谠摿慵a(chǎn)條件的限制，無(wú)法對(duì)此進(jìn)行優(yōu)化；②從零件的幾何結(jié)構(gòu)出發(fā)，通過(guò)優(yōu)化其結(jié)構(gòu)參數(shù)，提高零件的剛度，此處采用該優(yōu)化方案提高零件剛度。

用于描述零件抵抗彎曲變形能力的幾何參數(shù)為慣性矩，其定義如下：在平面坐標(biāo)系yoz中，面積元素dA與其至z軸（y軸）距離平方的乘積y2dA（z2dA），稱為該面積元素對(duì)于z軸（y軸）的慣性矩或截面二次軸矩，如圖2所示。

圖2 慣性矩示意圖

任意截面的慣性矩可由面積元素的積分求得，其表達(dá)式為：

研究對(duì)象除受到傳輸方向的摩擦力外，同時(shí)受到跌落重力的作用，受力狀態(tài)較復(fù)雜，因此有必要驗(yàn)證使用慣性矩描述零件結(jié)構(gòu)抗拉強(qiáng)度的合理性。采用分組試驗(yàn)的方式研究慣性矩對(duì)支撐結(jié)構(gòu)抗拉強(qiáng)度的影響，由公式（1）可知，影響零件截面慣性矩I的因素主要為截面寬度b與特征高度h(A=bh)，此外，使用支撐結(jié)構(gòu)的彎曲轉(zhuǎn)角a描述其彎曲程度，轉(zhuǎn)角越大，彎曲越明顯，如圖3所示。

圖3 截面參數(shù)示意圖

（a）空白對(duì)照

（b）添加加強(qiáng)筋

（c）寬度加倍

（d）添加加強(qiáng)筋和寬度加倍

圖4 試驗(yàn)組支撐結(jié)構(gòu)形狀

針對(duì)這2點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，如圖4所示，第1組為空白對(duì)照組，即無(wú)特征的Z形結(jié)構(gòu)；第2組在第1組試驗(yàn)的基礎(chǔ)上添加貫穿的加強(qiáng)筋；第3組在第1組試驗(yàn)的基礎(chǔ)上寬度加倍；第4組綜合第2、3組試驗(yàn)的結(jié)構(gòu)特征在寬度加倍的同時(shí)添加2條加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)。4組幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)及試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

由表1可以看出：第1組試驗(yàn)支撐結(jié)構(gòu)寬度b與高度h均取最小值，截面中心慣性矩最小，試驗(yàn)結(jié)果彎曲角度最大，變形最明顯；第2組試驗(yàn)與第1組相比，因添加加強(qiáng)筋特征，導(dǎo)致截面特征高度h增加，截面中心慣性矩亦隨之增加，試驗(yàn)結(jié)果彎曲角度小于第1組試驗(yàn)，變形有所減弱；第3組試驗(yàn)則通過(guò)增加截面寬度b的方法增加截面的中心慣性矩，試驗(yàn)結(jié)果與第1組試驗(yàn)相比彎曲角度也有所減小，但減小程度遠(yuǎn)不如第2組明顯；第4組試驗(yàn)由于具有最大的截面寬度b和特征高度h，中心慣性矩最大，試驗(yàn)結(jié)果彎曲程度最小，變形最不明顯。由試驗(yàn)結(jié)果分析可知，支撐結(jié)構(gòu)抵抗彎曲變形的能力與結(jié)構(gòu)截面寬度b、特征高度h高度呈正相關(guān)，且h的變化對(duì)支撐結(jié)構(gòu)抗彎曲能力的影響比b更大。4組試驗(yàn)中截面中心慣性矩的變化趨勢(shì)與截面抗拉強(qiáng)度的變化趨勢(shì)相同。

綜上所述，在零件受力狀態(tài)下，支撐結(jié)構(gòu)抵抗彎曲變形能力用截面中心慣性矩描述是合理的。

上述試驗(yàn)結(jié)果表明，零件受力狀態(tài)下支撐結(jié)構(gòu)的抗拉強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)截面中心慣性矩有直接關(guān)系，與結(jié)構(gòu)截面幾何參數(shù)寬度b以及特征高度h呈正相關(guān)，其中h對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響尤為顯著。

圖5 結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

因此，在零件結(jié)構(gòu)和成形條件允許的情況下盡量增大截面參數(shù)b與h，結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案如圖5所示，在上述第4試驗(yàn)組的基礎(chǔ)上，通過(guò)改變截面形狀，增加特征高度h至20mm。經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的截面中心慣性矩為優(yōu)化前的12倍，理論上優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)大于優(yōu)化前的結(jié)構(gòu)。以原第4試驗(yàn)組作為空白對(duì)照進(jìn)行驗(yàn)證，2種截面狀態(tài)的幾何參數(shù)及試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

由表2可以看出：優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)抗彎能力顯著增強(qiáng)，在受力狀態(tài)下幾乎不會(huì)發(fā)生彎曲變形，使零件在傳輸過(guò)程中支撐結(jié)構(gòu)不因傳輸皮帶的摩擦力而彎曲失效，在零件通過(guò)臺(tái)階時(shí)，因支撐結(jié)構(gòu)的有效支撐，零件未發(fā)生跌落變形的問(wèn)題，可滿足實(shí)際生產(chǎn)中側(cè)圍外板生產(chǎn)線末端的傳輸需求。

▍原文作者：王強(qiáng)，趙錕，李鳳仙，王建衡，劉麗莉

▍作者單位：上汽通用汽車有限公司