天窗加強環的成本優化

文／程巖·中國第一汽車集團有限公司

目前，國內的汽車市場跨界車和SUV 持續熱銷，消費者對乘車舒適度要求也越來越高，大天窗、全景天窗也逐步成為各大主機廠的車型賣點。全景天窗的天窗加強框由于中間空開部分較大，在設計時不僅要考慮產品結構強度，還要保證制件的尺寸精度，消除天窗與加強框在汽車行駛過程中的碰撞異響。由于全景天窗中間空開部分較大，整體結構會極大的浪費材料成本，如何提高制件的材料利用率，降低工裝投資成為天窗加強環成本優化的關鍵點。本文主要介紹了天窗加強環由整體結構工藝優化為激光拼焊結構，極大地提高了制件材料利用率，降低了材料成本；采用直角拼焊板結構，取消了開卷落料模，節約了兩套落料模的工裝投資。相比于整體式的天窗加強環，直角拼焊天窗加強環在成本上取得了巨大的優勢。

產品優化

天窗加強環整體結構，零件凈重6.44kg，材質ST280，料厚為1.2mm。毛坯料為一整塊矩形料，消耗定額為22.68kg,制件材料利用率為28.4%，如圖1 所示。

圖1 整體結構

為了降低材料成本，在制件工藝評審階段提出將產品改為拼焊結構，為減少成形過程中焊縫兩側材料的流動量差異過大，焊縫通常選擇在天窗拐角過后直線段10mm 左右的距離，材質、料厚不變，制件改為4 塊激光拼焊后一體結構，如圖2 所示。零件凈重6.44kg，毛坯料為4 塊矩形料拼焊，消耗定額為15.71kg，制件材料利用率為40.12%，比整體結構天窗加強環消耗定額降低6.97kg，單車降成本約55.76 元。

圖2 拼焊結構

工藝優化

天窗加強環拼焊結構，傳統的工藝方案：通常拼焊結構天窗加強環都是由四塊板組成(圖3)，1#、2#兩塊板帶天窗口形狀，由于成形時材料流動需要，會采用開卷落料模落出U 形豁口，3#、4#兩塊板拼焊邊進行精剪，四塊板按圖3 焊縫位置拼焊后，整體拉延成形。傳統工藝方案的優點是成形過程中板料均勻流動，制件成形性能良好，無開裂起皺現象。缺點是需要增加兩套開卷落料模，實現1#、2#兩塊料的落料外形，工裝成本約增加40 萬元左右。

圖3 傳統拼焊板

傳統方案的激光拼焊板拉延模工藝方案：內外壓料板行程一致，行程60mm，外壓料板壓料力為200噸，內壓料板壓料力為130 噸，拉延模擬分析結果，焊縫位置無開裂現象，如圖4 所示。

圖4 傳統拼焊板焊縫拉延成形狀態

經工藝優化后改為直角拼焊板結構，1#、2#、3#、4#四塊板直接精剪, 按圖5 焊縫位置焊接，取消了1#、2#板的U 形豁口的開卷落料。

圖5 直角拼焊板結構

壓料力設置

直角拼焊板拉延模工藝方案，外壓料板壓料力為150 噸，內壓料板壓料力165 噸。

拉延筋設置

天窗外側壓料圈拉延筋設置，天窗口內側壓料圈四個拐角處采用鎖死筋，控制板料不流動，其余直邊采用圓筋，左右兩側拉延筋系數為0.2，上下兩側拉延筋系數為0.1，制件拉延到底，天窗口內側板料有少量流動量，如圖6 所示。

圖6 拉延筋設置

行程設置

內外壓料圈差動行程的設置，是確保天窗加強環直角拼焊尖點處不劇烈撕裂的關鍵要素，外壓料圈行程60mm，內壓料圈行程30mm，凹模鑲塊隨上底板下行，模具閉合前60mm，凹模鑲塊與外壓料圈接觸，外壓料圈及凹模鑲塊成形出外拉延筋，制件開始拉延成形，模具閉合前30mm，內壓料圈與凹模鑲塊接觸，成形出內拉延筋，如圖7 所示。差動行程的設置，在保證板料成形過程中無成形面品缺陷的前提條件下，使天窗口內部的成形深度降低，有效控制內壓料圈成筋的先后，保證了板料在直角拼焊處最少的成形流動量及制件成形尺寸的穩定性。

圖7 成筋模擬分析效果

經過拉延模擬分析直角拼焊的工藝方案，在鎖死筋成形過程中，拼焊尖點有開裂的情況，在制件成形到底后，直角拼焊尖點開裂狀態略有增大，如圖8 所示。因為開裂尖點在工藝補充部分，在后工序會修邊去掉，不影響最終制件的成形性和尺寸精度。

圖8 直角拼焊尖點成形分析

模具結構優化

天窗加強環拉延模的傳統結構，包括上底板、下底板、凹模、凸模、外壓料圈、內壓料圈。模具外壓料圈和內壓料圈的下方均設置有托桿，托桿與壓機的下氣墊相接觸，下氣墊為壓料圈提供動力，內外壓料圈行程均為60mm，工作時上模向下運動，模具閉合前60mm 時，凹模與外壓料圈和內壓料圈同時接觸夾料，板料外側拉延筋與天窗口內側拉延筋成形，隨后上模、外壓料圈和內壓料圈共同向下運動，板料與凸模接觸，開始制件拉深直至運動到模具下死點位置，拉深完成。傳統模具內外壓料圈行程相同，成形深度較大，不利于產品天窗口形狀成形，易出現開裂情況，所以板料的天窗口需要進行隨形落料。

差動行程天窗加強環模具結構，包括上底板、下底板、凹模鑲塊、凸模、外壓料圈、外壓料圈鑲塊、內壓料圈、內壓料圈鑲塊。模具外壓料圈行程60mm，內壓料圈行程30mm，工作時上模下行，模具閉合前60mm，凹模與外壓料圈接觸，成形出外拉延筋，凹模下行，模具閉合前30mm，內壓料圈與凹模鑲塊接觸，成形出內拉延筋，窗口四處拐角為鎖死方筋，上模繼續下行，制件最終成形完成，模具閉合，如圖9 所示。差動行程的優勢就是內壓料圈行程短，天窗口形狀成形較淺，不易出現開裂情況，所以板料的天窗口不需要進行隨形落料。

圖9 差動行程下制件的狀態

結束語

本文通過對天窗加強環整體結構進行產品、工藝、模具結構的優化，實現了天窗加強環的直角拼焊結構，不僅極大地提高了制件的材料利用率，降低了材料成本，更通過結構優化實現了天窗加強環直角拼焊的成形可行性，對于天窗加強環沖壓成本的降低起到巨大的推廣應用意義。天窗加強環差動行程的設置，使天窗口內部的成形深度降低，確保成形工藝可行性，天窗口四角的鎖死筋保證了板料在直角拼焊尖點處最少的成形流動量，保證焊縫不撕裂。通過對產品拼焊結構的改善，降低了制件的材料成本，通過對拉延模具的改善，節約了開卷落料模，降低了工裝投資成本，目前此工藝方案已經推廣應用到我公司后序車型。

材料成本方面，天窗加強環整體結構的零件凈重6.44kg，消耗定額為22.68 kg，材料利用率為28.4%，天窗加強環拼焊結構的零件凈重6.475kg，消耗定額為17.83 kg，材料利用率為36.22%，因此，每輛車降低成本34.79 元。工裝成本可以節約兩套開卷落料模，大約40 萬元。