汽车行业是全球制造业中的支柱产业。随着科技的发展及市场需 求量的不断增长，汽车更新频率不断加快，其中，影响汽车更新的重 要因素是汽车覆盖件的功能与外观的更新。汽车防撞横梁是汽车覆盖 件的重要组成部分，是汽车吸收碰撞能量的重要装置，在汽车生产中 占有重要地位。由于汽车横梁成形过程较为复杂，是一个大挠度、大 变形的复杂塑形过程，因此，在模具设计时应充分考虑应力作用下金 属的流动性及强化性，并考虑可能出现的金属破裂、起皱等特性，因此， 有必要探讨 CAE 技术在防撞横梁冲压模具设计中的应用，以期对汽 车防撞横梁冲压工艺和模具设计进行优化调整，达到提高制件合格率， 缩短模具设计和生产时间的目的。提高生产效率。

1   汽车防撞横梁冲压工艺设计

1.1   冲压工艺的概念

所谓冲压工艺是在金属塑性变形的基础上，通过模具在压力作用 下分离或变形，从而得到一定形状的工件的加工方法。使用冲压方法 加工的工件被称为冲压件，冲压工艺是汽车制造生产中的重要工艺重 要步骤。相较于其他制件而言，覆盖件具有结构复杂、尺寸面积大、塑型难度大、质量要求高等特点，因此，常用冲压加工成型方法加工 此类零件。

1.2   冲压加工工序的分类

在冲压加工生产中，冲压加工方法可分为两个大类工序，即分离 与成型工序。分离工序主要是对制件和坯料沿确定的轮廓进行分离， 从而达到预期的效果。成型工序是指在确保坯料完整的前提对坯料进 行塑性变形加工，从而得到预期尺寸和形状的防撞横梁制件。按冲压 加工方式进行划分，可将冲压过程分为落料、冲孔、切断、弯曲、拉伸、 翻边、修边和整形。

1.3   冲压工艺设计内容与步骤

由于汽车防撞横梁形状复杂、结构尺寸大、质量要求和刚度要求 高，一次成型难度大，需要经过多个工序才能得到符合要求的制件。在汽车防撞横梁冲压工艺设计时，需要综合考虑多种因素，不仅要满 足现阶段汽车生产企业生产效率需求，还应当结合工艺生产成本、经 济因素，并对防撞横梁冲压生产工艺方案进行设计复核。其步骤包括：冲压件分析、冲压工艺方案制定、确定冲压工艺方案、模具类型及结 构形式的选定和冲压设备的选择。
 

1.3.1 冲压工艺 汽车防撞横梁位于保险杠的内侧，通常由冷轧钢板冲压制成 U 型槽，与汽车车架纵梁相连接，是吸收和保护车辆撞击能力的重要装置， 成形性好的制件能够满足其抗碰撞的性能要求，同时，该制件为非外 观件，其性能要求较高，因此，在防撞横梁设计时，必须考虑防撞横 梁成型后应具有一定的刚度。

图 1   汽车防撞横梁

以某汽车防撞横梁为例，防撞横梁材质为 B510L，其长度约为 1.2m， 宽度约为  0.4m，坯料厚度为  1.5mm，拉深深度为 90mm。汽车防撞横梁制件应在满足客户设计需求的基础上进行生产，因此，防撞横梁外 观、减薄率、变形充分程度和冲孔位置等应符合设计要求。同时，成 品件还应当满足硬度及强度要求，且无褶皱和裂纹等缺陷。此外，由 于该制件外观轮廓不规则，变形结构较为复杂，属于典型的大尺寸复 杂拉深件，因此，冲压工艺要点包括：拉深深度大，不易充分成形， 需要较大的拉深力，需采用拉深力大、行程大、压力分布均匀的机械 设备；在冲压工艺设计时，应当考虑废料的大小及模具结构的复杂度， 针对制件外边缘位置可先进行垂直修边或侧修，最后进行整形；汽车 防撞横梁上方有一个规则的圆形孔，直径为 37mm，可将冲孔与修边 工序合并，降低加工工艺的数量。

    1.3.2 坯料分析 B510L 是常见的汽车横梁冲压材质，具有良好的冷成形性能和强 度性能，该材料具有质量高、表面光洁度高、焊接性能好、便于涂油、 上漆等特点。通过 Dynaform 软件对坯料进行分析，得出坯料尺寸为：长 1200mm、宽 340mm、厚度为 1.5mm。

    1.3.3 冲压工艺方案的确定 根据防撞横梁结构要求及性能特点，确定采用冲压工艺流程为：

    拉伸、一次侧修边、冲孔、二次修边和侧修边和整形。根据制件尺寸 和数据，可通过以下公式计算拉伸力：首次拉深力计算：    各次拉深力计算：

    式中：F为拉深力（t）；k1、k2 为修正系数；

d1、di 为拉深工序件直径（mm） t 为坯料厚度（mm）；

为拉深件的抗拉强度（MPa）。根据拉深力计算公式，计算出防撞横梁一次修边理论修边力为163t，理论压边力为 8t；二次修边力为 88t，理论压边力为 4t；整形力 为 173t，理论压边力为 26t。

    1.3.4 拉深工序设计 在拉深设计时，首先应确定每个工序的工作坐标系，即冲压方向与数模基准点。冲压方向的确定是设计工作的关键工序，其正确性直 接影响坯料的形状及后续拉深工序的质量。冲压工序的确定应综合考 虑多个因素：冲压方向应注意不应造成负角，确保冲压能够成形出预 期的空间形状，尽量将拉深高度差降至最低，进而降低因金属流动性 和变形不均匀性而产生的质量问题。在拉深开始时，应对凸模及板料 之间的接触状态进行检查，避免因凸模与板料产生相对运动而影响冲 压效率，提高制件表面质量。

    其次，在压料面设计时，为了得到合格的冲压制件，应确保亚面 料光滑平整，防止在压料过程中出现板料起皱的情况。同时，压料面 设计应尽量简单，以平面、斜面为宜，避免在某一方向上形成较大的 侧向力。

    1.3.5 修边冲孔工序设计 由于汽车防撞横梁制件尺寸较大，如采用一次成形工艺，可能导致冲孔形成的废料无法及时排出，因此，在防撞衡量冲孔设计时，应 采取两道工艺进行设计，即侧修边冲孔和侧修边。根据要求确定修边 线，采取垂直修边和斜楔修边相结合的方式，在修边的同时冲出圆孔。在确定修边线后，应确定修边防线，尽量采取垂直于防撞横梁型面的方向。当条件不适宜时，可采用斜楔工艺方法进行修边。当采用 该斜楔方法时，应确保修边方向应与型面角度小于 15°，不宜大于 30°。在确定修边方向后，应当充分考虑后续模具设计的工序，尽量 保证模具结构的简单化，避免对后续工序带来不必要的麻烦。

    1.3.6 整形工序设计 整形工序是整个冲压工艺的最后一步，经过上述工艺，坯料形状已接近制件成品形态，但需要对局部进行整形处理，因此，在防撞横 梁工艺设计时，必须经过整形处理，以便于对防撞横梁形状进行校正 和检查。由于防撞横梁型面较为复杂，部分圆角的半径较小，在整形 时容易出现拉裂、损伤等缺陷，因此，可结合实际情况，在整形时将 拉深圆角改大一些，以便于拉深操作。在整形工序中，为了防撞横梁 制件最终形态满足设计要求，应在整形工序中对圆角进行精加工处理， 调整制件最终形态，提高制件加工尺寸精度，进而满足制件设计要求。

2 汽车防撞横梁冲压模具设计

在汽车防撞横梁生产中，模具是冲压工艺的必要组成，按功能、 工艺的不同，可将汽车防撞横梁模具分为拉深模具、修边冲孔模具、 修边模具、整形模具，拉深模具是后续模具的基础，限于文章篇幅， 本文主要以汽车防撞横梁的拉深模具为例，从凸模、凹模、定位装置 等方面介绍汽车防撞横梁模具设计方法。

2.1   凸模设计

汽车防撞横梁凸模设计包括防撞横梁凸模制作和型面部分制作。凸模设计时，应从防撞横梁型面向上拉伸成一个长方体，并对凸模型 面进行修正，对减重孔、导板安装位置等进行设计，从而得到拉深凸 模本体。在型面部分设计时，制作步骤与凸模设计步骤一致，以拉伸 分模线对型面进行裁剪，最终形成型面。

2.2   凹模设计

为了达到减重的目的，制作汽车防撞横梁的拉深凹模时，可中间型面向上拉伸出一个长方体，并以拉深分模线方向对凹模进行修剪， 以所得到的型面与凹模长方体进行布尔减运算，从而得到防撞横梁拉 深模框架，在此基础上对框架进行挖空处理。同时，在凹模内部增加 部分筋条，从而得到凹模本体。

2.3   压料芯设计

压料芯模具设计时，首先应创建一定尺寸的长方体，确定拉伸型 面的外边廓线，并以长方体和布尔减运算对长方体进行操作，创建压 料芯弹顶装置，对弹顶装置、下模顶板、顶杆进行谁，最终得出压料芯设计方案。

2.4   定位装置设计

定位装置是防撞横梁上的定位装置， 用于固定拉深模具上下模。在定位装置设计时，其装置高度应考虑压料面的高度，确保定位块安 放位置与板料线保持垂直，为确保定位块安放位置与板料线保持相对 垂直。在定位装置设计时，应考虑压料面高度等因素。

3 结语

汽车防撞横梁是汽车覆盖件的重要组成部分，也是汽车碰撞时吸 收碰撞能量的重要装置，在汽车装置中占有重要地位。在车防撞横梁 冲压工艺研究及模具设计过程中，应制定详细的工艺方案，借助 CAE 技术，对拉深工艺进行分析和研究，优化工序参数。同时，借助 UG 软件对冲压模具进行设计，以此简化冲压工艺及模具设计工序，提高 模具设计效率，保障防撞横梁制件质量。