基于沖壓CAE 仿真分析的工藝優(yōu)化與降本提質(zhì)

支明遠(yuǎn)

（江鈴汽車股份有限公司沖壓廠，江西 南昌 330000）

1 引言

一些早期開(kāi)發(fā)的車型產(chǎn)品，由于當(dāng)時(shí)的工藝相對(duì)局限，產(chǎn)品存在質(zhì)量不穩(wěn)定、生產(chǎn)效率低下及材料利用率低等問(wèn)題。而這些早期的車型產(chǎn)品依然是量產(chǎn)車型，因此這些問(wèn)題嚴(yán)重制約了生產(chǎn)成本的降低。近年來(lái)，CAE 仿真技術(shù)不斷發(fā)展和成熟，其在成形缺陷分析和工藝方案布置與優(yōu)化方面具有可操作性強(qiáng)且模擬分析結(jié)果越來(lái)越精準(zhǔn)的特點(diǎn)。從外部環(huán)境來(lái)看，汽車整車廠之間競(jìng)爭(zhēng)日益加劇，汽車銷售價(jià)格逐年下降，因此必須全面提升企業(yè)的成本控制水平，創(chuàng)造出更多的利潤(rùn)，以獲得市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。為此，必須不斷創(chuàng)新思路，利用不斷革新的科技手段深入挖掘出更多的降本提案。本文旨在利用日益成熟的CAE 分析技術(shù)，對(duì)早期存在缺陷的工藝進(jìn)行優(yōu)化，為降低量產(chǎn)老車型的生產(chǎn)成本提供思路，進(jìn)一步提高汽車銷售利潤(rùn)。提出解決方案。以進(jìn)一步優(yōu)化現(xiàn)有工藝方案，提高產(chǎn)品的成形穩(wěn)定性，改善產(chǎn)品質(zhì)量，減少產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中的在線調(diào)試時(shí)間提高生產(chǎn)作業(yè)效率，降低人工成本及能耗成本。因此，CAE 分析降本改善總體思路主要有三方面（見(jiàn)圖1）：①通過(guò)CAE 分析去優(yōu)化改善老產(chǎn)品的縮頸開(kāi)裂問(wèn)題，降低廢品損失成本；②減少產(chǎn)品在線調(diào)試時(shí)間，提高生產(chǎn)效率，降低人工成本及能耗成本；③通過(guò)CAE 分析去優(yōu)化工藝來(lái)料尺寸，進(jìn)一步提高原材料利用率，降低原材料投入成本。

圖1 基于CAE 分析下的降本總體思路

2 基于CAE 分析的降本提質(zhì)總體思路

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和各種模擬分析軟件的迅速發(fā)展，沖壓CAE 分析技術(shù)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，可以對(duì)整個(gè)工序過(guò)程進(jìn)行分析，提前發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析原因、

3 利用CAE 分析來(lái)提高產(chǎn)品成形穩(wěn)定性

3.1 成形不穩(wěn)定問(wèn)題介紹

如圖2 所示，以某老款量產(chǎn)車型副車架X 橫梁下板為例，模具已有10 年，自開(kāi)發(fā)以來(lái)，生產(chǎn)就一直不順利，質(zhì)量不穩(wěn)定，生產(chǎn)調(diào)試很困難。主要問(wèn)題有兩個(gè)：一是在兩側(cè)翻邊易出現(xiàn)縮頸開(kāi)裂（見(jiàn)圖3），開(kāi)裂廢品率達(dá)到了6.8%，單件成本44.01 元，年廢品損失很高，且由于產(chǎn)品成形穩(wěn)定性差導(dǎo)致生產(chǎn)調(diào)試時(shí)間長(zhǎng)，人工成本及能源成本都很高，導(dǎo)致產(chǎn)品整個(gè)生產(chǎn)成本很高；另一個(gè)問(wèn)題就是下道工序焊接車間抱怨副車架上下板裝配間隙大導(dǎo)致的焊接咬邊、燒穿問(wèn)題（見(jiàn)圖4），員工補(bǔ)焊勞動(dòng)強(qiáng)度大。

圖2 某車型副車架X 橫梁下板

圖3 副車架X 橫梁下板開(kāi)裂問(wèn)題

圖4 副車架總成咬邊、燒穿問(wèn)題

副車架X 橫梁下板材質(zhì)為QStE460TM，為熱軋酸洗板，料厚2.0mm，共4 序，分別為：OP10 成形+OP20 修邊沖孔+OP30 翻邊+OP40 修邊沖孔側(cè)沖孔。產(chǎn)品開(kāi)裂是在OP30 翻邊工序產(chǎn)生的，面間隙超差點(diǎn)，存在負(fù)回彈，見(jiàn)圖5，具體尺寸數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，導(dǎo)致副車架總成機(jī)器人焊接時(shí)出現(xiàn)咬邊、燒穿問(wèn)題。

表1 產(chǎn)品面間隙尺寸檢測(cè)數(shù)據(jù)

圖5 產(chǎn)品面間隙超差點(diǎn)

3.2 產(chǎn)品工序CAE 分析

為了對(duì)產(chǎn)品開(kāi)裂進(jìn)行系統(tǒng)分析，我們對(duì)全年度產(chǎn)品出現(xiàn)的開(kāi)裂批次進(jìn)行了梳理。通過(guò)比對(duì)材料性能參數(shù)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)品出現(xiàn)開(kāi)裂是在材料延伸率處于14%～15%的情況下產(chǎn)生的，全年性能參數(shù)中延伸率在14%～20%波動(dòng)，材質(zhì)QStE460TM 為熱軋酸洗板，相對(duì)冷軋板具有材料性能波動(dòng)較大、料厚一致性差、表面質(zhì)量差等特點(diǎn)。為此，在進(jìn)行CAE 分析前，對(duì)材料性能參數(shù)設(shè)定需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整設(shè)定，以確保CAE 分析結(jié)果更接近于實(shí)際。通過(guò)對(duì)全年的材料性能數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)屈服強(qiáng)度在460MPa～553MPa 之間波動(dòng)，抗拉強(qiáng)度在520MPa～659MPa 之間波動(dòng)，延伸率在14%～20%之間波動(dòng)，我們按實(shí)際供貨情況對(duì)性能參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行了調(diào)整。同時(shí)相對(duì)于薄板件，料厚公差更大，在CAE 分析上要按厚板料厚公差來(lái)進(jìn)行設(shè)定，此產(chǎn)品設(shè)定的料厚公差為±0.18mm ；還有就是相對(duì)于薄板件（冷軋板），材料表面質(zhì)量更差，相應(yīng)的摩擦系數(shù)更大，摩擦系數(shù)在這里設(shè)定為0.125。這些性能參數(shù)在CAE 分析前均需進(jìn)行充分考慮并設(shè)定好，這是與薄板分析不一樣的地方，對(duì)于薄板件只需按默認(rèn)值設(shè)定即可。

通過(guò)采用Autoform 對(duì)現(xiàn)有工藝進(jìn)行CAE 分析，發(fā)現(xiàn)OP30 翻邊工序兩側(cè)翻邊存在開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)，安全裕度明顯不夠，OP30 翻邊CAE 成形性分析見(jiàn)圖6，產(chǎn)品實(shí)際開(kāi)裂圖見(jiàn)圖7，通過(guò)比對(duì)發(fā)現(xiàn)CAE 分析結(jié)果與產(chǎn)品實(shí)際開(kāi)裂位置基本一致。由于材料性能波動(dòng)較大，比較QStE420TM與QStE460TM這兩種臨近牌號(hào)的材料，發(fā)現(xiàn)兩種材料在性能上有比較大的重疊區(qū)，如表2 材料性能參數(shù)表所示，并且QStE420TM延伸率≥16%，而我們的產(chǎn)品是QStE460TM延伸率在≥16%不會(huì)存在縮頸開(kāi)裂，因此提出產(chǎn)品是否可以用QStE420TM 材料來(lái)替代，以提高產(chǎn)品成形穩(wěn)定性的方案。

表2 材料性能參數(shù)表

圖6 OP30 翻邊CAE 分析圖

圖7 OP30 翻邊實(shí)際開(kāi)裂圖

據(jù)此做了QStE420TM 與QStE460TM 兩種牌號(hào)的沖壓CAE 對(duì)比分析。具體分析如下：①?gòu)腛P10 FLD 成形性分析來(lái)看，兩者之間幾乎沒(méi)有差異（見(jiàn)圖8、9）；②從OP10 起皺分析來(lái)看，成形過(guò)程中兩者潛在起皺結(jié)果相差不大（見(jiàn)圖10、11）；③對(duì)比OP30 翻邊工序CAE 失效分析，QStE420TM 失效值比QStE460TM要小，開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)小，更適合于翻邊成形（見(jiàn)圖12、13）。

圖8 OP10 FLD（QStE460TM）

圖9 OP10 FLD（QStE420TM）

圖10 OP10 起皺分析（QStE460TM）

圖11 OP10 起皺分析（QStE420TM）

圖12 OP30 失效分析（QStE460TM）

由于板材厚且材料強(qiáng)度較高，對(duì)于回彈分析，模具間隙對(duì)產(chǎn)品的回彈影響很大，它直接影響著板料與模具的接觸狀態(tài)，控制著板材的流動(dòng)，間隙過(guò)緊不僅會(huì)導(dǎo)致模塊損傷、產(chǎn)品變薄及產(chǎn)品拉傷缺陷，同時(shí)產(chǎn)生的回彈也相對(duì)較大而不是想像中的會(huì)更好。當(dāng)模具間隙為1 個(gè)料厚時(shí)，回彈值為最小為0.08mm，當(dāng)模具間隙大于1 個(gè)料厚并繼續(xù)增大時(shí)，回彈又有增大的趨勢(shì)，呈V 字型，具體回彈分析見(jiàn)圖14。

圖13 OP30 失效分析（QStE420TM）

圖14 模具間隙與產(chǎn)品回彈關(guān)系圖

3.3 基于CAE 分析下的改善措施

綜上分析得出結(jié)論，QStE420TM 相對(duì)QStE460TM翻邊成形開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)較小，安全裕度更高，更有利于翻邊成形，而其他無(wú)明顯差異。據(jù)此向產(chǎn)品工程師提出副車架X 橫梁下板是否可以用QStE420TM材料來(lái)替代，以提高產(chǎn)品翻邊成形的安全裕度。對(duì)產(chǎn)品按照新材料QStE420TM輸入進(jìn)行工況CAE 分析（見(jiàn)圖15、16），重新校核其強(qiáng)度耐久性能，結(jié)論如下：①常規(guī)工況下，上下板最大Mises 應(yīng)力各工況均不超過(guò)屈服極限，滿足強(qiáng)度要求。極限工況下，上下板最大PEEQ 小于1，滿足強(qiáng)度要求；②基于Base 方案分析結(jié)論，將最大損傷目標(biāo)值定為1，基于CCST5 規(guī)范最大損傷值均小于1，滿足耐久要求；③懸置工況最大損傷值為0.204＜1，滿足耐久要求。根據(jù)CAE 分析結(jié)論可以將產(chǎn)品材質(zhì)更改為QStE420TM，同時(shí)申請(qǐng)了QStE420TM試模料進(jìn)行生產(chǎn)裝配，滿足路試驗(yàn)證要求。

圖15 副車架上板總成件

圖16 副車架下板總成件

更改材質(zhì)牌號(hào)后，產(chǎn)品開(kāi)裂問(wèn)題得到了徹底解決，消除了產(chǎn)品開(kāi)裂廢品損失成本。同時(shí)也結(jié)合CAE分析對(duì)產(chǎn)品回彈進(jìn)行了整改，對(duì)模具凸凹模間隙按1個(gè)料厚進(jìn)行了調(diào)整，調(diào)整后產(chǎn)品面間隙也滿足要求，提高了副車架總成的焊接質(zhì)量，消除了咬邊、燒穿等焊接缺陷。通過(guò)上述整改，產(chǎn)品成形安全裕度有了很大提高，大大降低了產(chǎn)品的生產(chǎn)調(diào)試時(shí)間，生產(chǎn)效率得到大幅提高，大大降低人工成本及設(shè)備能耗成本。

4 利用CAE 分析優(yōu)化工藝來(lái)料尺寸

以某老款量產(chǎn)車型右下緣前加強(qiáng)板為例，工藝OP10 為拉延工序（需要的工藝補(bǔ)充料較多，后序修邊將工藝補(bǔ)充料裁剪形成廢料，使材料利用率受到限制。經(jīng)分析，該件上部拉延深度較淺，修邊幅度較大，最終產(chǎn)品如圖17 所示。

圖17 右下緣前加強(qiáng)板產(chǎn)品圖

由于在產(chǎn)品上部成形較淺，拉延時(shí)板料流動(dòng)不大，成形起皺、開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)較小，因此提出的改善思路是：利用CAE 分析來(lái)優(yōu)化工藝來(lái)料尺寸，減少拉延壓邊量來(lái)提高材料利用率。產(chǎn)品材料牌號(hào)為BLD，原工藝來(lái)料尺寸1560mm×415mm×0.9mm，工序?yàn)镺P10 拉延+OP20 修邊沖孔+OP30 翻邊整形+OP40修邊沖孔。用Autoform 對(duì)產(chǎn)品OP10 拉延工序進(jìn)行CAE 分析，通過(guò)CAE 分析可以優(yōu)化來(lái)料寬度尺寸25mm,具體分析結(jié)果如下：①?gòu)腛P10 工序FLD 對(duì)比分析來(lái)看，OP10 拉延FLD（1560×415）拉伸更充分一點(diǎn)，但兩種成型效果基本相同（見(jiàn)圖18、19）；②從OP10 變薄分析來(lái)看，右圖開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)左圖要稍大一些，但都能滿足要求（見(jiàn)圖20、21）。

圖18 OP10 拉延FLD（1560×415）

圖19 OP10 拉延FLD（1560×390）

圖20 OP10 變薄分析（1560×415）

圖21 OP10 變薄分析（1560×390）

根據(jù)上述CAE 分析得出結(jié)論，來(lái)料尺寸優(yōu)化理論上是可行的，實(shí)際是否可以，申請(qǐng)了10 片料（1560×390）進(jìn)行驗(yàn)證，通過(guò)檢測(cè)均滿足質(zhì)量檢測(cè)要求（見(jiàn)圖22）。后續(xù)也進(jìn)行了小批量驗(yàn)證，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)效率都沒(méi)有影響。根據(jù)CAE 分析及試模驗(yàn)證結(jié)論對(duì)工藝來(lái)料尺寸進(jìn)行了更改。更改后，材料利用率由之前的43.29%提升至46.06%。

圖22 右下緣前加強(qiáng)板產(chǎn)品檢測(cè)

5 結(jié)束語(yǔ)

汽車市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈的背景下，如何降低公司運(yùn)營(yíng)成本是提升車企市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵，降本成為公司發(fā)展的主旋律。對(duì)于沖壓件成本占整車成本20%以上的沖壓廠來(lái)說(shuō)更需要不斷創(chuàng)新思路、深入挖掘出更多的降本提案。基于這種形式我們利用日益成熟的沖壓CAE 分析技術(shù)來(lái)對(duì)早期存在缺陷的工藝進(jìn)行優(yōu)化，規(guī)避之前設(shè)計(jì)的工藝缺陷，進(jìn)而提高產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率及原材料利用率，進(jìn)一步降低老品量產(chǎn)車型的生產(chǎn)成本，提高汽車銷售利潤(rùn)提升企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。