虛擬制造在改善行李廂外板表面質量上的應用

文/高碩遙，石強，程巖、蘇傳義·一汽集團奔騰事業本部

一輛好的汽車始于產品成于工藝，模具工藝是整車裝備制造業的重要組成部分。隨著自動化程度逐步提升和制造過程不斷前移，長期依賴鉗工、以鉗工為核心的粗放型作坊式的生產管理模式，正逐漸被以工藝為依托、以設計和虛擬制造為中心的集約型現代化生產管理模式所替代。市場競爭的壓力使模具制造周期不斷縮短，調試問題被提前到沖壓工藝設計階段解決，已經成為當前被廣泛應用的模式。

目前，通過CAE仿真模擬同步調試，優化模具工藝設計，減少返工返修時間，提高裝配、調試的效率，最終縮短調試周期，降低調試成本，模具工藝設計和調試過程已經真正形成了一個閉環制造系統。

案例背景

轎車某車型外覆蓋件行李廂外板采用的材料為H140DZ-05-60/60，料厚為0.65mm。該行李廂外板在調試期間產品存在如下問題：特征棱線滑移、主棱線下方破裂、工藝補充臺面存在波浪、二次沖擊痕跡明顯等，如圖1所示。此時，該產品的Audit評審為6分，目標是1分。廠家幾輪攻關，改善效果不明顯。為了保證項目周期的正常進行，技術部成立攻關組。

圖1 行李廂外板缺陷示意和現場實物

案例難點

核查板料性能

工藝規劃用廠家理論材料卡片仿真結果模擬分析無明顯面品問題，現場供貨實測樣本仿真結果面品問題嚴重，和實發缺陷問題一致，如圖2所示。面對現場突發的面品問題，攻關組首先核查工藝規劃模擬分析用材料卡片中的材料參數性能，并與現場供貨實測樣本的材料參數性能進行對比，如表1所示。根據近三年的供貨樣本（圖3）判定，模擬用材料和供貨樣本材料的參數性能均在材料供貨樣本及技術協議波動范圍內，屬于合格材料。

替換板料的可行性

面對項目周期的零余量局面，優先考慮用成本相近、材料性能更優的ST07Z（DC56DZF）替換H140DZ-05-60/60。在材料改變、其他條件不變的情況下，經過一輪相同的模面分析，不同材料性能模擬分析結果如圖4、圖5所示，對比結果顯示，ST07Z（DC56DZF）的模擬分析結果在開裂趨勢和二次沖擊軌跡上均有減輕，但是減輕效果不明顯，因此預期通過使用ST07Z（DC56DZF）替換H140DZ-05-60/60解決面品問題不具備可行性。

圖2 材料參數變化導致模擬分析結果差異

圖3 H140DZ-05-60/60材料性能正態分布圖

表1 材料參數的差異

圖4 H140DZ-05-60/60材料模擬分析結果

圖5 ST07Z（DC56DZF）材料模擬分析結果

沖壓方向的合理性

當生產用材料沒有模擬分析用材料性能佳時，廠家對沖壓角度的可行性提出了質疑。廠家通過在原有沖壓方向（0°、40°、0°）的基礎上轉角5°、7°、10°來實現沖壓的合理性預判。對比分析發現：當轉角為5°時，中間破裂區域減薄率為26%，沖壓成形過程出現波紋，特征棱線滑出圓角為2mm；當轉角為7°時，產品中間無破裂區域，沖壓成形過程出現輕微波紋，特征棱線滑移可控，未滑出圓角；當轉角為10°時，產品中間無破裂區域，沖壓成形過程未見波紋，特征棱線滑移可控，未滑出圓角，如圖6所示。廠家提出，調整沖壓方向，重開拉延模。

圖6 沖壓角度變化對模擬分析結果的影響

經過自動線連線驗證，轉角為10°時，雖然消除了面品質量，但是此時產品型面的B點相對于原模具的B點變低，制件上下模的空間變小，進而導致端拾器進出模具的空間變小，端拾器進出模具時易和下模發生碰撞，增加了自動線生產的不穩定性和自動化調試的難度。

經過項目評估，重開拉延模具需要追加模具投資105萬元，導致成本的增加。廠家預期通過調整沖壓方向解決行李廂外板面品質量問題不具備可行性。

優化工藝方案

板料成形過程中可能出現兩種失穩現象，一種是拉伸失穩，即板料在拉應力作用下局部出現頸縮或斷裂；一種是壓縮失穩，即板料在壓應力作用下出現起皺。在本案例中，行李廂外板后保位置同時出現開裂和起皺，增加了本案例的難度。

解決減薄和開裂的辦法是改變法向接觸力和切向摩擦力的分布，降低拉裂區域應變值。通常采取的工藝手段是調整拉延筋系數、調整板料尺寸、調整壓邊力、改善潤滑條件、增加產品圓弧或拔模角度等輔助工藝內容。

然而，解決起皺的辦法是準確預測材料的流動情況，增加起皺處的法向接觸力。通常采取的工藝手段是：通過改善產品形狀，在模具工藝補充上增加吸皺筋或反檻，增大壓邊力，增加拉延筋數量或增加拉延筋高度等。

兩種手段截然相反，經過分析觀察開裂和起皺出現的部位，決定采取“先中央，后地方”的策略，即先除裂后消皺。

優化拉延筋和板料

⑴調整拉延筋。

通過觀察產品在沖壓方向上主特征棱線的滑移趨勢，在不加劇滑移和沖擊的前提下，經過幾次調整確定局部外筋風窗側拉延筋系數由40.4N/mm到25N/mm（凹筋圓角由3mm到5mm），尾燈側拉延筋系數由40.4N/mm到21.2N/mm（凹筋圓角由3mm到6mm），里側筋風窗側拉延筋系數由71.2N/mm到61.6N/mm（凹筋圓角由2.5mm到3mm），尾燈側拉延筋系數由61.6N/mm到57.7N/mm（凹筋圓角由3mm到3.3mm）。

⑵板料尺寸在寬度方向上減少5mm。

通過模擬分析結果發現滑移減輕，產品中間破裂風險減輕（減薄率為25%），后保位置依舊起皺、有波紋；一次沖擊無問題，二次沖擊軌跡不可避免爬上產品A級曲面上，如圖7、圖8所示。

圖7 制件破裂和起皺示意圖

圖8 制件滑移和沖擊示意圖

優化工藝補充

通過調整開裂已經處于臨界，針對后保位置波紋問題修改工藝補充，即凹模二次圓角放大到30mm，如圖9所示。

通過模擬分析結果發現，產品中間破裂區域減薄率依舊為25%，但是后保位置輕皺波紋微弱減輕，針對后保位置工藝補充更改起到了一些作用，但是效果不理想。

針對上述更改，繼續放大凹模二次圓角，由30mm放大到50mm。通過模擬分析結果發現，產品中間破裂風險消除，減薄率變為20%，但依舊存在波紋，如圖10所示。預期通過優化工藝補充達到消除褶皺的目的不理想，但是完全消除了開裂。

調整拔模角度

在上述優化工藝補充的基礎上凸模輪廓內收（最大量14.38mm），拔模角度由8°變為5°。保證中間主特征棱線不動，調整產品主特征棱線的觸料狀態，使特征棱線兩側走料達到平衡，打破反R成形時同時開裂和起皺的矛盾點。

通過模擬分析結果發現，產品中間無破裂區域，沖壓成形過程未見波紋，特征棱線滑移可控，未滑出圓角（圖6）；一次沖擊無問題，二次沖擊軌跡爬上產品A級曲面2mm處，涂漆不可見，如圖11、圖12所示。

圖9 放大圓角到30mm前后對比示意

圖10 放大圓角到50mm示意圖

圖11 制件滑移和沖擊示意圖

圖12 制件拉延和起皺示意圖

實際出件情況如圖13所示，虛擬制造引導調試方向，達到了Audit 1分級的要求，縮短了調試周期，保證了項目的正常進度，節約重開拉延模具成本105萬元。

圖13 行李廂外板現場出件狀態

結束語

虛擬制造介入轎車覆蓋件模具的開發和制造，通過全工序模擬，提前預測和解決模具調試階段可能出現的各類缺陷，縮短了模具制造周期，提高了產品零件品質，具有良好的經濟效益。對內規范產品，使產品更好的適應我們的生產線；對外約束廠家，使自主花出去的每一分錢都物有所值。轎車公司不斷完善提升虛擬制造能力，最終達到提升模具工藝設計質量、減少返工返修時間、提高模具供應商裝配和調試的效率、縮短制造周期、降低白車身成本的目的，使產品在合適的時機推向市場，實現良性產品線循環的終極目標。