側圍材料利用率提升方案研究

蔣 松，喻 航

（四川成飛集成科技股份有限公司，四川 成都 610092）

0 引言

隨著汽車市場競爭激烈程度的增加，汽車制造成本壓力也顯著增大。對于轎車，白車身原材料鋼材是車身采購成本的重要組成部分，提升車身材料利用率是降低車身成本的重要方法。側圍是白車身重要組成部件，且側圍材料利用率通常低于白車身材料平均利用率，在確定產品造型后，如何提高側圍材料利用率值得研究。

1 問題分析

側圍板料落料模沖裁形狀如圖1所示，側圍材料利用率按照公式（1）有2種計算方法：①以落料前板料的質量作為基準（采購卷料，圖1所示料片外形區）；②以落料后板料的質量作為基準（采購落料后料片，圖1所示有效板料區）。提高側圍材料利用率的方法是從減輕沖壓料片質量為基準出發，根據側圍沖壓工藝特點，對側圍板料形狀各邊按照圖2標示。對于計算方法①需要減小圖2中邊1與邊5的距離及邊3與邊8的距離；其余邊位置對材料利用率的提升無貢獻；對于計算方法②需要通過減輕落料料片質量及落料前板料質量以提高材料利用率；需要在方法①對應基礎上調整其余邊的位置及尺寸，使落料板料質量最小化。

圖1 側圍落料形狀分區

圖2 典型側圍板料形狀

2 材料利用率提升方法

側圍材料利用率提升方法如圖3所示，通過降低料片質量和廢料再利用的方式提高利用率；其中降低料片質量主要通過：①落料排樣在料片切斷處采用波浪形狀，減小送料步距，以減輕料片質量達到提升材料利用率的目的；②通過沖壓工藝方案優化拉深深度、拉深筋形狀、補充面及分模線，減輕有效板料區質量以實現材料利用率的提升。

圖3 側圍材料利用率提升方法

確定制件沖壓方向需要考慮控制制件棱線滑移、制件整體沖壓平衡（拔模角度及拉深深度等）、后續基準孔沖孔角度等；沖壓工藝補充面設計需要考慮壓料過程及后續成形過程中板料的起皺，同時壓料面不能高于成形制件的最低點；補充面形狀及拉深深度需考慮控制成形制件區域材料整體減薄率、塑性應變、最小次應變、凹模入口沖擊線及材料利用率等關鍵點。

2.1 拉深深度優化

側圍拉深沖壓工藝補充面按照與相鄰制件毗鄰位置可以分為圖4所示1～8個典型區域。根據側圍形狀特點，可以將補充面分為三大區域：區域一：1、4、5、6；區域二：2、3；區域三：7、8；區域一包含與相鄰制件安裝的法蘭邊，區域一的拉深深度取決于深度最淺的法蘭邊；區域二為優化拉深深度關鍵區域，此區域對應形狀如圖5所示，修邊方式可以采用側修邊，對應拉深深度較深；采用正修邊對應拉深深度較淺；區域三拉深深度根據區域一、二綜合確定。

圖4 側圍拉深工藝補充面分區

圖5 修邊方式

2.2 補充面及分模線優化

根據拉深成形后板料線邊緣與拉深筋中心線的距離及落料板料線形狀，確定板料尺寸關鍵點如圖6所示。對板料尺寸關鍵點位置的分模線進行優化處理：與門洞內補充形狀配合，優化點2、3、4對應邊補充面拔模角度；優化點5、6處壓料面形狀、補充面拔模角度及分模線；優化點7處補充面形狀、拔模角度及分模線形狀。

圖6 有效板料尺寸關鍵點

2.3 拉深筋形狀優化

由于側圍及補充面的形狀特點，根據成形性對拉深過程中板料流入需求，一般在圖7所示的邊1、2、3、4、6、7、8設計雙筋或局部雙筋。將普通的雙圓筋更改為同阻力系數的拉深檻加圓筋的雙筋形式，縮短拉深筋部位廢料線長。以圖8（a）所示形狀的圓筋（線長18.25 mm）為例，更改為同樣阻力的拉深檻（7.28 mm），如圖8（b）所示，分析結果如圖8（c）、（d）所示，拉深筋部位線長相對于圓筋縮短10.97 mm，達到減少廢料及板料尺寸、提升材料利用率的目的。

圖7 側圍拉深筋典型分布方式

圖8 拉深筋形狀優化

3 優化前后對比分析

側圍是白車身的重要組成部件，側圍既包含外露面（A面），也包含非外露面；側圍產品面根據不同位置可分為圖9所示的A、B、C、D區。沖壓工藝設計及工序排布需要保證：A面面品質量、與相鄰件配合面尺寸公差、與相鄰制件棱線/圓角連接、孔位孔徑及修邊線滿足要求等。

圖9 側圍產品面分區

3.1 材料力學性能

板料材料牌號為DC06，料厚為0.7 mm，材料力學性能如表1所示。材料硬化曲線選擇Ludwik公式表達，屈服準則選擇Hill屈服準則，FLC曲線選擇Keeler公式。

表1 材料力學性能

3.2 拉深成形有限元模型

拉深成形參數設置：壓邊力1 800 kN，拉深行程200 mm，摩擦系數0.15，板料初始網格20 mm；由于壓料面弧度較大，在板料送料方向前后設置擋料器，如圖10所示。

圖10 拉深有限元模型設置

3.3 結果對比分析

對比分析優化前、后制件成形的最小次應變分布及A面潛在缺陷，如圖11、圖12所示。從圖11、圖12可知，優化后的淺拉深與優化前深拉深A面區域最小次應力分布情況除局部區域外未發生明顯變化；優化后的A面潛在缺陷位置除1、5處與優化前位置相同外，優化后缺陷數量和位置均發生變化，但缺陷嚴重程度屬于同一數量級，對優化后面品缺陷潛在區域進行型面強壓預處理。

圖11 最小次應變對比分析

圖12 A面潛在缺陷對比分析

優化前后板料輪廓線如圖13所示，材料利用率對比如圖14所示，對于采用卷料模式優化后計算材料利用率提升了2.5%；對于采購落料料片的方式優化后材料利用率提升了6.7%。對優化后面品缺陷潛在區域進行模面強壓預處理，成形的制件如圖15所示。

圖13 優化前后板料線輪廓對比

圖14 優化前后材料利用率對比

圖15 成形的制件

4 結束語

從最小板料尺寸考慮，通過降低拉深深度、改變拉深筋形狀、優化補充面及分模線以達到提升側圍材料利用率的目的。為了進一步提升側圍材料利用率，還可以從以下方面考慮：落料料片切斷處板料邊線改為波浪形狀減小送料步距、門洞廢料再利用或套件沖壓、制件分縫線優化等。