沖壓同步工程在某重型車項目的應用

趙鴻鵠，盧 橋，劉春雨，丁文軍，李 輝

（安徽江淮汽車集團股份有限公司 技術中心，安徽 合肥 230601）

汽車開發是一種運行周期長、資金投入大、技術集中、參與部門及人員眾多的開發項目。隨著中國自主品牌汽車的崛起和振興，逐漸從以往的串行開發模式進步成并行開發模式，即汽車同步工程。沖壓同步工程是在車身結構件設計過程中考慮沖壓制作過程的各種因素，以實現零件設計和制作過程的集成與并行的系統方法。它要求沖壓工藝人員要同步的參與到汽車零件設計中，通過不斷的發現問題，與設計者、相關方溝通討論，提出解決問題的方案，不斷提升產品的工程可行性和質量。

沖壓同步工程實施的目的是：確保產品設計的可制造性，保證沖壓零件首次提樣的項目節點；減少樣車試制期間的產品設變，節省工裝整改費用；優化產品分塊及板料排樣，提高材料利用率，降低采購成本；合理規劃沖壓工序，確保生產穩健性，提高設備利用率。明確了沖壓同步工程的實施目的后，結合本重型車項目實際，首先成立了沖壓同步工程小組，確定人員構架及職責[1]，為項目工作的推進做好人力準備、組織準備、技術準備。

某重型車項目開發基本階段包括標桿車分析階段、模型設計階段、數據設計階段、樣車制作階段[2]、試生產階段、小批量生產階段。沖壓同步工程在不同的階段有不同的工作內容及側重點，本文主要集中在前四個階段的沖壓同步工作，下面進行分別說明。

1 標桿車分析階段

標桿車分析階段，需要沖壓工藝人員通過拆解標桿車來熟悉車身結構，分析關鍵零件的沖壓工藝性[3]，為接下來的工藝分析做好技術儲備。本階段沖壓工藝人員的工作共包含兩方面內容：標桿車工藝分析與沖壓生產能力規劃分析。標桿車工藝分析首先要求沖壓工藝人員對競品零件品質進行檢查，熟悉標桿車輛整體結構，了解車身零件成形工藝和工序數、零件材質使用情況，初步估算出競品車輛的材料利用率，其次需要識別并學習標桿車上采用的新工藝、特殊工藝，從而實現有競爭優勢的產品設計。沖壓生產能力評估分析需結合本公司的生產現狀對沖壓生產能力進行分析，如機床臺面尺寸、壓機噸位、產能評估、工位器具存放場地，物流面積需求等各個方面進行規劃。

如圖1a所示為某標桿車后圍外板零件，該零件外形尺寸約為2380mm×1630mm×90mm，對標設計后本項目后圍外板也基本在該尺寸范圍內，如圖1b所示，因此沖壓同步工程人員初步估算該零件生產的拉延模具長寬尺寸為3650mm×2480mm，且必須滿足拉延頂桿約13排的要求。經過對本公司的重型車沖壓車間的壓力機設備調研后發現，該生產線最大設備為16000kN四點多連桿機械壓力機，工作臺尺寸為4000mm×2200mm，可用的拉延頂桿排數為10排，因此該拉延模具寬度方向超出機床臺面，且無法使用拉延頂桿，不能滿足主機廠的生產要求。

圖1 某后圍外板

要想實現所開發零件的順利投產，可以采用以下3個方案解決：①增加寬度超過2480mm的新的沖壓設備；②在設計造型階段，將零件進行切分設計，保證切分后的零件能滿足現有的生產設備；③選擇合適的沖壓設備，將模具進行外協生產。

經分析后方案①存在投入費用多，建設周期長，設備利用率不高的風險，方案②對零件的整體性進行了破壞，且不能滿足設計意圖，因此開發項目組選擇了方案③，梳理出主機廠及外協單位的全部設備，預先針對該件制定生產預案，安排零件進行外協生產，最終規劃在合理的生產廠區完成了零件的生產制造。如果在產品開發初期沒有做好分析工作，在模具開發階段才發現類似問題，無疑會延遲模具開發周期，影響整個項目的開發進度。

2 模型設計階段

模型設計階段主要工作為模型分析、主斷面分析。

模型分析主要針對的是車身外覆蓋零件的工藝分析及確定車身狀態匹配程度，沖壓工藝人員需在汽車外觀造型出來之后，為減少沖壓缺陷，降低外覆蓋件質量控制難度，對存在工藝缺陷的部位，提出改善對策，提高工藝可操作性。這一階段的分析結果對產品造型風格起到引導作用，為最終造型方案的確定提供參考依據。通常在乘用車項目中，多針對側圍外板、翼子板、發動機蓋外板、前后車門外板、行李箱外板等零件進行重點關注，在本重型車項目中，涉及到的外覆蓋件有側圍外板、車門外板、頂蓋外板、后圍外板等，這是與乘用車項目的不同之處。

主斷面分析是在造型部門提供車身主斷面的基礎上，沖壓同步工程人員對零件形狀進行簡化，在設計初期控制零件的成型難度，對沖壓成形性研究、沖壓方向選擇、零件R分析。如圖2所示為前圍模塊的風窗下橫梁外板，根據主斷面圖顯示，該件拔模角度為89.95°，呈負角狀態。為了保證零件的順利拔模，必須對該夾角進行放大。沖壓同步工程人員以ECR的形式提出角度變更，從而規避了零件型面設計時的缺陷出現。

圖2 某前圍模塊主斷面圖

3 數據設計階段

某重型車項目的數據設計共計分為四個階段：招標數模、SE數模、模具設計數模、NC數模。這一階段數據版本多，設計周期長，是沖壓同步工程人員提升產品設計質量貢獻最大的階段。沖壓同步人員從沖壓工藝性、模具結構、產品品質、生產線規劃、模具成本等因素出發，運用計算機輔助工程進行沖壓工藝分析，完成CAE分析報告和ECR報告。

沖壓成形的計算機仿真模擬實際上是利用數字模擬技術分析零件成形的全過程，用仿真計算來模擬實際的模具調試，計算的過程其實是一個不斷調整試錯的過程，通過調整工藝補充面形狀、坯料線的尺寸、拉延筋的位置及成型力大小，甚至于推翻原有工藝方案重新制作工藝補充面、設置坯料線和拉延筋，使之達到良好成形效果，在反復修改無法得到良好成形效果的前提下，對產品設計人員提出零件優化方向，以減少后期設變修改模具的風險。

通常該階段一個完整的工作結果評價包括以下要素：沖壓工藝的合理定義方案；模具工序比的提升方案；單件及整體材料利用率提升方案；零件開裂產生的位置判斷及改善方案；起皺可能產生的位置及改善方案；回彈可能產生的位置及改善方案；沖擊線、滑移線可能產生的位置及改善方案；零件包邊的分析、模具結構中回退空間的分析。

如圖3a所示為某門框外板零件，該零件材質為DC05，料厚為1.0mm，零件左下方拐角處圓角R值為R10mm，如圖3b所示。經計算模擬后顯示該處出現側壁拉延開裂的缺陷，沖壓同步人員了解到該處可以變動的型面范圍后，將拐角處R值增大至R25mm，并對兩R過渡區進行變R處理，如圖3c所示，再次進行模擬分析產品無開裂，可以滿足成形性要求，基于此沖壓同步人員提交更改R值的ECR，反饋至產品設計者。

如圖4a所示為膨脹水箱罩板，該零件材質為DC03，料厚為1.0mm，零件Z方向深度約為177mm，運用計算機模擬軟件分析后發現零件周圈側壁處出現嚴重拉延開裂，最大減薄率超過0.30，如圖4b所示。沖壓同步工程人員通過與產品設計者溝通后先將開裂缺陷區域的R角由R20mm變更為R30mm，并進行局部球化處理，再次分析依然出現開裂情況。比對表1可知DC03和DC06的冷軋鋼極限減薄率分別為0.26和0.29，因此沖壓同步工程人員提出將材質變更為DC06，分析結果顯示局部的最大減薄率為0.28，整體的零件成型性較好，如圖4c所示。

材料利用率是指車身的實際質量和進行工藝處理前的板材的質量之比[4]，通常它通過材料損失率加以轉換，材料利用率=（板材質量-零件質量）/板材質量×100%，故需對影響板材尺寸的產品形狀進行提前更改，以便提高材料利用率，如圖5a所示為后圍內板本體，該零件材質為DC03，料厚為0.8mm。該零件成形性良好，但由于零件的搭接關系使得零件突出四個搭接臂，計算后該零件的材料利用率約為50.27%，對整車的材料利用率貢獻度較小。沖壓同步工程人員經分析后，提出零件拆分方案，將原來一個大件拆分成五個小件，如圖5b所示，拆分后的零件寬度由原來的2052mm縮減為1712mm，依然采用原來的材質及鑄造模具的工藝方案，剩下的四個上、下連接板零件采用鋼板模具的工藝方案，并將材質降低為DC01系列，料厚保持不變。通過零件拆分，提升了整體的材料利用率4.32%，同時又降低了沖壓開發成本。拆分對比見表2。

表1 沖壓板材減薄率

圖3 某門框外板零件

圖4 某膨脹水箱罩板

圖5 某后圍內板本體

圖6 某車門內板

表2 后圍內板本體拆分對比表

圖7 某頂棚支架

在汽車白車身結構件中，如側圍外板、全景天窗頂蓋外板、車門門框外板等會在中間區域存置有大片的廢料，在數據設計階段沖壓同步工程人員就要與產品設計者一同，通過工藝手段將這些特定零件的廢料加以利用，以提升整車的材料利用率。如圖6a為某重型車項目的車門內板，零件材質為DC04，料厚為1.0mm，零件外形尺寸為1606mm×1168mm×155mm，采用開卷落料后進行拉延成形的工藝方案，落料的坯料尺寸為1745mm×1350mm，中間區域廢料空間約為1350mm×808mm，如圖6b所示。圖7a所示為頂棚支架，零件材質為DC01，料厚為1.0mm，零件外形尺寸為158mm×67mm×62mm，采用排樣成形的工藝方案，展開后坯料尺寸為250mm×68mm，經分析后發現該件可以有效利用車門內板的中間廢料區域空間進行排樣，排樣示意如圖7b所示，一片廢料可以產出12個頂棚支架零件。基于此，沖壓同步工程人提出材質變更申請，將頂棚支架零件的材質由DC01變更為DC04。按照該利用方案的思路，針對本重型車項目全部的沖壓開發零件，共計整理出包括臥鋪支架安裝板等在內的13個零件，可以滿足在車門內板的中間廢料區域排樣的使用，排樣方案如表3所示。考慮到實際的整臺份車量生產的批次規劃，經過沖壓測算，每生產50臺車，就會產生100片車門內板中間廢料，其中48片廢料可以滿足其他13個嵌套零件的50臺生產，剩余52片廢料進行備份或廢置，能夠兼顧到生產臺份的要求。可行性。該階段重點檢查前期分析階段沒有得到產品設計部門認可而留作后期驗證的問題，同時兼顧關注前期分析時遺漏的沖壓工藝問題。該階段主要工作包括零件強度、剛度分析、零件成形性分析、精度控制分析、裝配干涉檢查等。生成的樣車檢查報告反饋給產品設計部門，為模具制作和零件成功生產提供保證。對于沖壓同步工程人員，還應該將實物狀態與前期各數據階段的分析報告存檔為數據庫，反之對分析時的參數進行優化，為后續新車型開發提供借鑒，不斷提升產品品質和品牌競爭力。

表3 某重型車項目車門內板利用方案圖（局部）

通過沖壓同步工程工具在數據設計階段的應用，某重型車項目提交的ECR共計475條，其中成形類ECR的條數為245條，占比約51.6%，提升材料利用率的ECR條數為38條，占比約8%。如表4所示。

4 樣車制造階段

樣車制作階段沖壓同步工程人員能直接從零件實物狀態判斷出零件沖壓可行性，進而評估出量產

表4 某重型車項目ECR統計表

5 結束語

通過沖壓同步工程在某重型車項目中的應用，制造成本降低30%～50%，整車的材料利用率提升了8.2%，車型開發全過程方案更改次數減少50%以上；產品開發時長縮短40%～60%，縮短產品投放市場的時間[5]；產生了巨大的經濟效益。綜上所述，沖壓同步工程的持續介入，能有效的將工程問題解決在萌芽狀態，有助于縮短汽車的開發周期，提高產品質量，節約企業成本，提升企業競爭力。

目前，運用同步工程的原理進行沖壓方案已在其它新車型的開發中有效推廣應用，顯著提升了本公司其他車型的產品競爭力。