沖壓同步工程在翼子板開發(fā)中的實(shí)際應(yīng)用

丁文軍，盧 橋，徐 肖

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司 技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

傳統(tǒng)的汽車開發(fā)流程采用串行工程的方法，由于不能在產(chǎn)品開發(fā)初期考慮產(chǎn)品工藝性、產(chǎn)品質(zhì)量、及制造工藝性等問題，導(dǎo)致后期產(chǎn)品設(shè)計(jì)更改量大，開發(fā)周期長(zhǎng)，生產(chǎn)成本高，無法適應(yīng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的要求[1]。為適應(yīng)汽車行業(yè)全球愈發(fā)激烈的競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境，近年來，同步工程（SE）的理念已逐步被我國(guó)主機(jī)廠接納并深入推廣。制造工藝的同步工程就是將工藝設(shè)計(jì)與產(chǎn)品設(shè)計(jì)并行開發(fā)，在產(chǎn)品數(shù)模凍結(jié)之前挖掘產(chǎn)品和工藝存在的問題并及時(shí)整改，以減少后期由于設(shè)計(jì)變更而造成的成本浪費(fèi)，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段發(fā)現(xiàn)并解決大部分問題，如圖1所示[2-3]。

本文以現(xiàn)有某車型翼子板開發(fā)為例，在產(chǎn)品開發(fā)階段，通過沖壓工藝性審查、模具結(jié)構(gòu)可行性分析、CAE軟件仿真模擬，查找出零件問題，反饋產(chǎn)品設(shè)計(jì)，并提供有效的措施和方案，提升產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量。

1 翼子板簡(jiǎn)介

翼子板材料選取DC56D+ZF材質(zhì)，厚度為0.7mm，零件長(zhǎng)822mm，寬489mm，高113mm。根據(jù)產(chǎn)品功能需求，在翼子板上增加了一個(gè)新能源車型充電口。翼子板結(jié)構(gòu)造型及各區(qū)域結(jié)構(gòu)形狀如圖2所示，材料性能參數(shù)見表1。

圖1 開發(fā)模式對(duì)比問題點(diǎn)發(fā)生曲線圖

圖2 翼子板各區(qū)域特征圖

表1 材料力學(xué)性能參數(shù)

2 工序規(guī)劃

本文所述翼子板為帶充電口的新能源車型翼子板，為節(jié)省工裝模具開發(fā)成本及提高生產(chǎn)效率，工序排布優(yōu)選四序，一般翼子板工序排布為：OP10拉延，OP20修邊+側(cè)修邊+沖孔，OP30翻邊+整形+側(cè)沖孔+側(cè)整形，OP40側(cè)整形+沖孔[4]。本文翼子板四序無法實(shí)現(xiàn)，主要影響因素為：區(qū)域1前側(cè)尖角特征處尖角部分強(qiáng)度弱，尖角兩側(cè)無法再同一工序?qū)崿F(xiàn)翻邊整形；區(qū)域7后側(cè)尖角特征處為包角造型，尖角處需要后序單獨(dú)側(cè)整形實(shí)現(xiàn)；區(qū)域5處為充電口特征，此處若要四序?qū)崿F(xiàn)，必須第二序完成沖孔，第三序完成整形，但是在第四序?qū)^(qū)域6與前門配合區(qū)域處側(cè)整形時(shí)，壓料空間明顯不足。因此此翼子板規(guī)劃使用五序沖壓生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)。具體工序排布為：OP10拉延，OP20修邊+側(cè)修邊+沖孔，OP30翻邊+整形+側(cè)沖孔+側(cè)整形，OP40翻邊+整形+沖孔+側(cè)沖孔+側(cè)整形，OP50側(cè)翻邊+整形+沖孔+側(cè)沖孔。

3 翼子板斑馬線反射曲率檢查

翼子板外造型面為A面，產(chǎn)品質(zhì)量要求比較嚴(yán)格，首先需要對(duì)翼子板通過使用UG NX6.0軟件中的面反射曲率功能檢查A面質(zhì)量，如圖3所示，可以看出圖3a中局部斑馬線不順，產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量有缺陷，反饋產(chǎn)品設(shè)計(jì)部門，優(yōu)化A面質(zhì)量，最終產(chǎn)品數(shù)據(jù)的斑馬線審查結(jié)果如圖3b所示。

圖3 優(yōu)化前后A面數(shù)據(jù)斑馬線審查結(jié)果

4 沖壓工藝性審查

4.1 沖孔可行性審查

對(duì)翼子板的沖孔角度及可行性審查分析，確保在有限的工序內(nèi)合理的排布工序，保證沖孔實(shí)現(xiàn)。區(qū)域2與前保杠配合區(qū)域如圖4a所示，區(qū)域2通過工序排布規(guī)劃，要在OP40整形，OP50沖孔，因此只能在最后一道工序完成此區(qū)域所有沖孔。

以車身負(fù)Y向?yàn)闆_壓方向，圖4b、d中數(shù)字為孔所在面與沖壓方向角度，圖4a中正沖三個(gè)孔的角度為20°～23°，沖孔角度過大，正沖孔質(zhì)量差且影響沖頭壽命。此處沖孔角度需要調(diào)整，將沖孔角度調(diào)整至與車身Y向角度在10°以內(nèi)，保證沖孔質(zhì)量。正側(cè)沖孔需要在同一工序?qū)崿F(xiàn)，圖4a中可以看出正側(cè)沖孔干涉，需要調(diào)整正側(cè)沖孔位置，保證正側(cè)沖孔完全錯(cuò)開20mm以上。優(yōu)化前后產(chǎn)品如圖4c所示。

圖4 優(yōu)化前后翼子板與前保杠配合區(qū)域?qū)Ρ?/p>

4.2 產(chǎn)品質(zhì)量審查

區(qū)域4與門檻配合區(qū)域造型A面下方筋過深，與相鄰面起伏較大，沖壓成形過程中容易影響A面面品質(zhì)量，需要優(yōu)化此處面的形狀，將A面下方R角處做順，筋離R角根部留不小于2mm間距。優(yōu)化前后產(chǎn)品如圖5所示。

圖5 翼子板與門檻配合區(qū)域優(yōu)化前后

區(qū)域6與前門配合區(qū)域造型A面下方面急劇變化，不利于成型，容易影響A面面品質(zhì)量，需要將過渡面做緩，使得成型過程平緩進(jìn)行。優(yōu)化前后產(chǎn)品如圖6所示。

圖6 翼子板與前門配合區(qū)域下側(cè)優(yōu)化前后

圖7 翼子板與發(fā)蓋側(cè)配合區(qū)域截面示意圖

區(qū)域8與發(fā)蓋配合區(qū)域側(cè)整形時(shí)，考慮有利于A面面品質(zhì)量方面，斜楔沖壓方向?yàn)榕c車身負(fù)Z向成10°夾角，此時(shí)下側(cè)側(cè)壁在斜楔方向上有10°沖壓負(fù)角，因此需要優(yōu)化此處產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，將下側(cè)側(cè)壁打開13°角，打開角度后，下側(cè)側(cè)壁與斜楔沖壓方向有3°夾角，此夾角是考慮實(shí)際成型后產(chǎn)品回彈補(bǔ)償。

區(qū)域8側(cè)整形時(shí)，根據(jù)以往車型沖壓經(jīng)驗(yàn)判斷，此區(qū)域易發(fā)生回彈[5]。進(jìn)行沖壓工藝性審查時(shí)，對(duì)此區(qū)域進(jìn)行防回彈處理，如圖8所示，在R角上增加防回彈筋，增加回彈變形抗力。

圖8 翼子板與發(fā)蓋側(cè)配合區(qū)域圖

4.3 模具結(jié)構(gòu)可行性審查

4.3.1 尖角側(cè)翻邊角度檢查

翼子板區(qū)域1為尖角包角造型，需要單獨(dú)的斜楔完成此處包角造型的實(shí)現(xiàn)，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，需要驗(yàn)證模具結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的可行性，考慮尖角處模具強(qiáng)度問題，包角造型的斜楔沖壓角度如圖9所示，可以看出此包角角度過大翻邊無法實(shí)現(xiàn)。根據(jù)包角處沖壓角度，需要調(diào)整翻邊面角度，使得在此沖壓方向翻邊面無負(fù)角，能順利實(shí)現(xiàn)尖角處翻邊。

4.3.2 斜楔回退檢查

翼子板尖角處側(cè)翻邊一般需要進(jìn)行回退驗(yàn)證分析，保證模具結(jié)構(gòu)的順利實(shí)現(xiàn)，在回退時(shí)，一般回退到保證翼子板取件無干涉，如圖10所示，在進(jìn)行回退后零件取件干涉，干涉區(qū)域需要切除，保證尖角處翻邊實(shí)現(xiàn)后板件的順利取出。

圖9 翼子板尖角處

圖10 翼子板尖角處回退模擬及數(shù)據(jù)優(yōu)化

4.3.3 翼子板上部側(cè)整形面的回退行程驗(yàn)證

翼子板上部發(fā)蓋側(cè)的側(cè)整形也需要進(jìn)行回退行程的驗(yàn)證，以確保側(cè)整形模具結(jié)構(gòu)順利實(shí)現(xiàn)。如圖11所示，大致模擬側(cè)整形結(jié)構(gòu)回退狀態(tài)，首先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)假設(shè)側(cè)整形處模具滑塊的厚度B最少40mm，壓料面寬度A最少50mm，通過行程模擬的得出回退無干涉最小行程S為45mm，如圖12所示。最后初步模擬斜楔回退狀態(tài)可以看出，斜楔在回退時(shí)與零件干涉。通過減少翻邊深度E和切除干涉區(qū)域優(yōu)化產(chǎn)品數(shù)據(jù)質(zhì)量，優(yōu)化前后對(duì)比見圖13。

圖11 翼子板發(fā)蓋處側(cè)整形回退模擬

圖12 翼子板發(fā)蓋處側(cè)整形行程確認(rèn)

圖13 翼子板發(fā)蓋處側(cè)整形優(yōu)化前后對(duì)比

4.3.4 與車門配合處模具結(jié)構(gòu)側(cè)整形可行性驗(yàn)證

區(qū)域6為此處側(cè)整形位置，側(cè)整形壓料面寬度最少需要50mm，否則容易造成在側(cè)整形過程中壓料不充分產(chǎn)生的A面質(zhì)量缺陷。在充電口附近區(qū)域，如圖14此處充電口距離門側(cè)邊界距離L為40mm，壓料區(qū)域不足。因此此處產(chǎn)品結(jié)構(gòu)需要調(diào)整滿足沖壓工藝需求，將L的距離增大到最少50mm，如圖15。

圖14 翼子板充電口到前門處距離

圖15 翼子板前門處側(cè)整形示意

4.3.5 區(qū)域3輪眉下方側(cè)整形模具結(jié)構(gòu)可行性驗(yàn)證

區(qū)域3輪眉處的側(cè)整形斜楔一般使用旋轉(zhuǎn)斜楔，與前門處的旋轉(zhuǎn)斜楔在空間結(jié)構(gòu)要有一定的距離，保證模具結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，即A厚度最少40mm，如圖17。為保證A≥40，兩側(cè)旋轉(zhuǎn)斜楔的最小距離L需要保證不小于200mm。如圖16所示，本文翼子板此處距離僅為122mm，在同一工序下無法實(shí)現(xiàn)此結(jié)構(gòu)造型，需要移動(dòng)區(qū)域3輪眉側(cè)整形位置，使L≥200mm。

圖16 翼子板輪眉處側(cè)翻邊

圖17 旋轉(zhuǎn)斜楔位置示意圖

4.4 CAE全工序模擬分析

4.4.1 拉延工序模擬分析

通過使用CAE軟件對(duì)翼子板零件進(jìn)行拉延模面快速建模設(shè)計(jì)并迭代分析，如圖18所示，針對(duì)分析結(jié)果，從成型極限圖、減薄率、塑性應(yīng)變、滑移線等多方面評(píng)價(jià)拉延分析結(jié)果[6]。一般翼子板結(jié)果評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如下[7]:①針對(duì)成型性能圖，不允許出現(xiàn)破裂區(qū)域；破裂風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，如在產(chǎn)品面內(nèi)，應(yīng)盡量改善或解決。②減薄率≥3%，在A面拉延區(qū)域，要求材料的減薄率在3%以上，保證拉延成形時(shí)盡可能的使板料充分變形。③塑性應(yīng)變≥4%，否則有可能產(chǎn)生回彈缺陷；另外對(duì)于外板零件的平坦處，需要保證主應(yīng)變＞2%，次應(yīng)變＞0，這樣就能保證零件是處于脹形狀態(tài)，產(chǎn)生表面缺陷以及尺寸回彈的幾率會(huì)小很多。④無滑移線和沖擊線產(chǎn)生，對(duì)于外板件當(dāng)面夾角≤170°、R≤20mm時(shí)需檢查棱線滑移狀態(tài)，檢查滑移線與沖擊線，確保在A面區(qū)域無沖擊線和滑移線。根據(jù)翼子板CAE分析結(jié)果評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，最終拉延成型結(jié)果滿足評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，如圖19所示。

圖18 Autoform建模拉延模面與翼子板拉延成形工具

4.4.2 全工序模擬分析

拉延分析滿足CAE審查要求后，再進(jìn)行CAE全工序的模擬分析，分析結(jié)果如圖20所示。可以的看出，模擬分析結(jié)果顯示充電口部分開裂嚴(yán)重。針對(duì)分析結(jié)果需要優(yōu)化充電口處形狀。

有以下方案參考：①方案一：增大翼子板A面R角；②方案二：增大根部下R角；③方案三：增大側(cè)壁拔模角度；④方案四：優(yōu)化止口邊界，使突出面避開R角位置。

通過產(chǎn)品功能實(shí)現(xiàn)及四種方法綜合考慮，優(yōu)化充電口結(jié)構(gòu)造型，如圖21所示。

5 翼子板實(shí)物驗(yàn)證

通過前期產(chǎn)品設(shè)計(jì)與工藝設(shè)計(jì)并行的同步工程工作，最終通過工藝設(shè)計(jì)優(yōu)化了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，提升了翼子板的設(shè)計(jì)質(zhì)量與開發(fā)周期，后期零件下發(fā)模具廠后設(shè)變較少。此外，目前該翼子板已穩(wěn)定出件，產(chǎn)品質(zhì)量較好，合格率滿足要求，圖22為該翼子板實(shí)物圖。

6 結(jié)論

圖19 拉延CAE分析結(jié)果評(píng)價(jià)

圖20 翼子板充電口CAE分析結(jié)果評(píng)價(jià)

圖21 翼子板充電口優(yōu)化前后及優(yōu)化后成型結(jié)果

圖22 翼子板實(shí)物圖

通過工藝設(shè)計(jì)與產(chǎn)品設(shè)計(jì)并行開發(fā)，可有效縮短工裝開發(fā)周期確保產(chǎn)品設(shè)計(jì)的可制造性，保證沖壓零件首次提樣的項(xiàng)目節(jié)點(diǎn)，減少樣車試制期間的產(chǎn)品設(shè)變，節(jié)省工裝整改費(fèi)用，降低采購(gòu)成本合理規(guī)劃沖壓工序，確保生產(chǎn)穩(wěn)健性，提高設(shè)備利用率。