沖壓SE 在車身質量和成本控制的應用

文/李奔全，蘇振·上汽通用五菱汽車股份有限公司

在汽車產業(yè)快速發(fā)展和競爭越來越激烈的環(huán)境下，想要贏得市場，勢必要快速響應市場變化與需求，加快研發(fā)產品步伐。在保證質量的同時，縮短開發(fā)周期和控制成本的要求使得同步工程(SE）應運而生，其意義在于工藝提前介入整車設計，在設計階段充分考慮生產過程中會出現(xiàn)的影響汽車品質、生產成本、設計周期等因素。在產品設計階段預測后期制造過程中可能出現(xiàn)的問題和風險，將原有留在工藝實施時才會暴露的問題提前暴露，并與產品工程師溝通，通過改良產品，優(yōu)化設計工藝等手段，避免制造階段中可能發(fā)生的質量問題，避免設計有制造缺陷的產品，使產品研發(fā)和后期工藝實施實現(xiàn)無縫對接，縮短工藝設計和生產調試周期，確保研發(fā)質量及降低開發(fā)成本，從而達到產品開發(fā)階段的最優(yōu)設計效果。本文主要介紹沖壓SE 在車身質量保證和成本控制兩個方面的應用。

沖壓SE 在車身質量控制的應用

沖壓SE 將計算機輔助工程(CAE）與現(xiàn)有沖壓工藝相結合，對沖壓產品開展工程可行性分析與產品設計同步進行，沖壓SE 工程師會針對沖壓尺寸精度或沖壓質量的問題開展仿真分析，并結合現(xiàn)有工藝進行探討，確保產品設計的質量要求能夠在制造中實現(xiàn)。在產品設計階段會進行全工序沖壓仿真，對成形、修邊、翻邊、沖孔等工序展開可行性分析，推斷變形的位置及其解決方案，起皺發(fā)生部位及其解決方案，開裂發(fā)生部位及其解決方案，回彈不穩(wěn)定部位及其解決方案，修邊沖孔強度不足部位及其解決方案等，并提供給產品設計人員進行調整優(yōu)化，以減少后期結構更改而增加調試周期的風險，進而縮短車身開發(fā)周期。

對起皺問題的前期控制

沖壓起皺是一種比較常見的質量缺陷問題，褶皺會引起焊接面不平整，會影響焊接質量和產品性能。起皺一般發(fā)生在拐角、外凸曲線翻邊、造型落差大等容易聚料部位，一般的解決辦法有產品方面做順造型落差，過渡平緩，挖工藝缺口，增加吸皺筋等，工藝方面加強拉延筋，減小拔模角，加大壓料力，工藝區(qū)域增加造型，降低翻邊高度，預留修邊等。如圖1 所示，產品局部拐角翻邊由于造型落差大，且處于直角造型處，容易聚料，導致成形過程起皺疊料嚴重。在沖壓SE 工程師通過仿真軟件分析后，確定起皺原因及解決措施，并與產品工程師溝通，在保證產品性能的前提下，將產品局部筋條造型落差做小，起皺處的缺口加大，驗證分析可行，起皺問題解決，避免了后期的設計更改和調試。

圖1 沖壓SE 對產品起皺問題的控制

對開裂問題的前期控制

開裂的質量缺陷也是很常見的一種質量問題，在調試階段發(fā)生會增加調模時間，影響時間節(jié)點。開裂一般發(fā)生在應力集中的凸包、尖角、側壁、凸R 等位置，其解決辦法通常是從產品和工藝兩方面入手，產品球化尖角凸包凸R 等位置，加大側壁拔模角等，工藝優(yōu)化增加整形，減小拉延深度，降低壓料力，增加刺破刀，預留修邊等。如圖2 所示，產品凸包側壁拔模角小，上下R 角小，凸包深度高，導致拉延過程材料流入性差，側壁應力集中后開裂嚴重。經(jīng)過沖壓SE 仿真模擬，將凸包高低差降低6mm，側壁拔模角加大8 度，上下R 角加大，并把下沉臺取消，開裂的質量問題得到解決，通過沖壓SE 避免了質量缺陷流入后期調試。

圖2 沖壓SE 對產品開裂問題的控制

對修邊問題的前期控制

車身沖壓件在設計過程中，沖壓件料邊線的方向與沖壓方向的關系，將直接決定模具是否能夠方便、高效地將邊界修剪成產品需要的狀態(tài)。修邊按照其方向可以分為垂直修邊、傾斜修邊和水平修邊。在模具結構設計中需要盡量滿足垂直修邊的條件，并且全部的修邊內容盡量在修邊工序實現(xiàn)，能夠避免使用斜楔機構側切或增加修邊工序而導致模具成本上升。如不能滿足垂直修邊條件，應保證修邊角度小于15 度。如圖3 所示，局部斜面修邊角度大于15 度，如同序沖壓會產生毛刺質量問題，也會導致刀口強度不足，調試生產頻繁更換等問題，如不同序修完，會增加修邊工序從而增加成本。而此類修邊問題產品工程師是無法發(fā)現(xiàn)的，通過沖壓SE 專業(yè)仿真軟件模擬分析，并給出合適的料邊線，使其滿足同序修邊。

圖3 沖壓SE 對產品修邊角度的控制

對回彈問題的前期控制

產品設計階段優(yōu)化回彈問題的控制是沖壓SE 重點關注項，通過回彈仿真分析及驗證解決方案，反饋產品工程師優(yōu)化產品結構確保后期產品回彈問題在可控范圍內?；貜椧话惆l(fā)生在幾字形、U 形、高翻邊類零件，對此沖壓SE 會從兩個方面改善，一是在產品易回彈位置增加筋條等加強特征，二是工藝采用預成形加整形組合，并在前期做好回彈補償。如圖4 所示，幾字形零件翻邊高112mm，翻邊面平坦，容易回彈和翹曲，整改尺寸難控，通過沖壓SE 的優(yōu)化方案，在其側壁增加3mm 高的筋條，抑制回彈尺寸，使其在可控范圍內，并在焊接邊增加管理面，減少回彈整改區(qū)域，減小修模難度。

圖4 沖壓SE 對產品回彈問題的控制

沖壓SE 在車身成本控制的應用

沖壓SE 在車身開發(fā)成本的應用主要體現(xiàn)在對材料利用率的控制和模具工序數(shù)的控制兩方面。沖壓SE 工程師根據(jù)經(jīng)驗和以往案例以及供應商的生產條件將設計階段的產品進行工藝規(guī)劃和仿真分析，同步辨別產品設計與制造中的潛在問題，反饋降本方案給產品設計人員對產品進行改善優(yōu)化。

對材料利用率的控制

在設計階段，沖壓SE 從產品結構和工藝合理性兩個角度考慮提升材料利用率提升方案，從而達到對車身沖壓件材料利用率的控制。在保證產品質量性能的前提下，分析最優(yōu)材料利用率的產品設計可行性，產品結構方面采用零件合拼設計、合并設計、分縫優(yōu)化、邊界凸點優(yōu)化等；工藝方面采用雙件合并沖壓、開口拉延、淺拉延、套料沖壓等成形工藝。結合實際工藝對在設計階段的產品結構進行優(yōu)化，控制產品結構使其滿足材料利用率最優(yōu)化。如圖5所示，通過控制側圍外板和延伸板合拼設計，既能保證零件功能又充分利用側圍外板廢料區(qū)域，節(jié)省延伸板生產材料投入，材料利用率提升2%，且減少了延伸板的模具工序成本。圖6 為通過控制分縫位置提高材料利用率，在沖壓SE 仿真分析和對比下，后端下板兩端高度差降到30mm，廢料區(qū)域減少，材料綜合利用率提升8%，且后端下板模具尺寸減小。

圖5 側圍外板與延伸板合拼優(yōu)化設計

圖6 燈罩與后端下板分縫位置優(yōu)化設計

對模具工序數(shù)的控制

在產品設計階段，沖壓SE 工程師進行工藝規(guī)劃和排布，在滿足現(xiàn)有設備工序需求、生產性需求及產品造型的前提下，優(yōu)化沖壓模具工序數(shù)量，以最少的工序來實現(xiàn)沖壓件的生產，減少沖壓模具開發(fā)成本。一般有以下方法來控制，通過優(yōu)化產品修邊線使其盡量滿足一道工序修完；通過優(yōu)化產品的沖孔方向使其盡量滿足一道工序完成。工藝方面采用修翻同步、修沖復合、整形和沖孔復合、套料沖壓、整體式修邊等方案，結構方面采用拉延預修刃口，修翻一體化刃口，修沖穿刀結構，勾沖結構等實現(xiàn)工序內容高度集成，從而減少沖壓工序。圖7 通過控制產品沖孔法向減少沖孔工序，原產品主面中間孔與其余兩孔法向相差27 度，無法同序沖出，需增加沖孔工序，沖壓SE工程師建議將3 個孔法向角度設計一致，至少在3 度范圍內，從而減少一道沖孔工序。

圖7 優(yōu)化沖孔角度-減少工序

結束語

在車身設計開發(fā)過程中應用沖壓SE，有利于縮短車身開發(fā)周期，提高車身質量；降低成本，提高市場競爭力。隨著同步工程的應用，工藝部門和產品部門的團隊能力建設，以及經(jīng)驗積累，問題總結，標準流程完善，沖壓SE 的分析能力不斷提高和應用下，新產品的開發(fā)能力將會不斷提高。