優化沖壓工藝降低碳排放量與制造成本

韋林濤， 劉海東， 蒙航宇， 宋彥汕

（柳州廣菱汽車技術有限公司， 廣西 柳州 545007）

0 引 言

在“雙碳”背景下，汽車生產供應鏈開始進行低碳革命。針對供應鏈中的鈑金成形行業，減少CO2排放量的需求越來越迫切，主要是為了減少材料成本及碳排放成本，達到綠色發展的目的。汽車產業是碳排放重要的部分，為實現國內2030年碳達峰、2060年碳中和的“雙碳”目標，眾多車企將目光集中在電動汽車產品及使用過程中的碳排放，而忽略龐大的產業鏈。汽車全產業鏈低碳發展是汽車產業“雙碳”轉型的支撐，即使是純電動汽車，汽車鋼板生產的碳排放約占整車供應鏈碳排放的20%以上，因此減少汽車沖壓鋼板的碳排放對產業鏈低碳化十分重要。現闡述一種帶框車門高利用率沖壓工藝方案的實際案例，以供同行參考。

1 車門內板特點與常規沖壓工藝設計

車門內板形狀較復雜，拉深深度較深，約150~180 mm，且上下部位的落差較大，鋼制車門的板料一般使用BUSD、DC54D、DC06等冷軋鋼板，板料厚度一般為0.65~0.7 mm，在沖壓成形過程中，具有開裂和起皺共存的缺陷，成形難度大。

1.1 沖壓工藝

根據經驗，成形乘用車帶框車門內板的沖模一般采用4+1的沖壓工藝，需要開發5副沖模完成以下工序，即OP05落料、OP10拉深、OP20切邊+沖孔、OP30整形+翻邊+切邊、OP40沖孔+側沖孔+整形，如圖1所示。

圖1 沖壓工序

1.2 常規拉深工藝補充

帶框車門尺寸大，由于車身設計限制，窗框部位與門檻部位落差較大，為保證零件拉深成形質量，四周壓料面需要遵循隨形和平緩過渡的原則進行設計，如圖2所示，補充面深度按有限元分析指導設計與修改，確保零件無開裂和起皺現象，如圖3所示。

圖2 常規壓料面設計

圖3 常規工藝補充面

2 沖壓工藝優化及材料利用率提升方案

根據以上描述，在常規沖壓工藝中，工藝補充面較深，材料利用率較低，因零件成形開裂問題，要采用開卷落料工藝，需要開發落料模用于生產坯料，經以往項目統計，帶框車門內板材料利用率一般在46%~51%。

2.1 窗框上側壓料面工藝及工藝補充優化方案

經研究發現，一般窗框上側壓料面及補充面設計比較深的原因是因拉深成形過程中的壓料狀態、零件減薄率和材料流入時序的限制，所以材料浪費較多。經分析，窗框部位在拉深過程中，對材料流入需求不大，可利用淺拉深方式進行成形，可減少毛坯板料的使用量，提高材料利用率，如圖4所示。

圖4 傳統拉深工藝補充面與淺拉深工藝補充面對比

因零件形狀整體起伏較大，須考慮上模和壓邊圈閉合時壓料狀態的光順性，防止在拉深過程中產生起皺，因此在窗框上側采用三動拉深工藝進行成形，三動拉深是指在模具中設置3個壓料芯，其中上模1個壓料芯，下模2個壓料芯，且壓料芯在拉深過程中行程不一致，如圖5所示。該工藝方案可有效控制窗框頂部材料的流動，避免拉深過程中產生疊料。

圖5 三動拉深模主要結構

三動拉深成形過程：當坯料放入模具后，壓力機滑塊帶動上模壓料芯和凹模下行，下行至成形到底前150 mm，上模壓料芯與下模壓料芯閉合，凹模和壓邊圈閉合的同時壓料，開始進行拉深，拉深至成形到底前110 mm時，下模壓料芯行程到底后停止，完成窗框部位拉深，為避免干涉，上模壓料芯開始回退，凹模繼續隨壓力機滑塊下行，對其它部位進行拉深，直到拉深結束，拉深過程如圖6所示。

圖6 三動拉深成形過程中板料狀態

2.2 門檻側工藝優化方案

常規的車門門檻部位成形工藝一般為OP10拉深模通過工藝補充一次拉深到位；OP20切掉零件形狀以外的廢料；OP30對法蘭面進行整形。一次拉深到位需要在零件形狀以外設計工藝補充面，拉深模分模線在工藝補充面以外，加深了整體拉深深度，如圖7所示，因此該拉深工藝需要消耗的坯料較多，材料利用率較低，同時隨著拉深深度的加深，零件門檻部位的拉深減薄率增大，零件開裂失效風險增加。

圖7 車門門檻側常規拉深工藝斷面

經分析，門檻部位在保證不起皺與開裂的情況下，可采取淺拉深、后整形的工藝方案進行調整，如圖8所示。OP10去除拉深工藝補充面，將壓料分模線設置在零件形狀內，降低拉深深度；OP20利用二次整形工藝將零件法蘭區域成形完畢；OP30切掉零件形狀以外的廢料。該工藝節省拉深工藝補充面所需的坯料，提高了材料利用率，同時降低了拉深深度，減少了因減薄率增大產生的開裂風險。

圖8 門檻側改進拉伸工藝斷面圖

2.3 坯料形狀優化方案

由于帶框車門零件形狀不規整，在拉深過程中，各個方向均需要有材料流動對零件形狀區域進行補料，防止成形零件開裂，根據以往經驗，帶框車門內板坯料需要用落料模進行生產，坯料形狀如圖9（a）所示，需要開發落料模，坯料生產成本較高，且材料利用率較低，造成浪費。經分析，可基于以上優化工藝的基礎上，對坯料形狀進行優化。優化方案為取消落料工藝，采用不規則擺剪工藝進行下料，然后在模具上旋轉坯料擺放位置，OP10增加刺破刀和切斷刀結構，以保證零件成形，如圖9（b）、（c）所示。

圖9 常規工藝坯料形狀與優化后坯料形狀及刺破后狀態

采用坯料形狀優化方案后，在坯料生產工裝開發方面減少落料模的開發，在坯料生產方面提高了材料利用率，節約了落料加工費。

3 工藝改進對成本節約及碳排放的貢獻

3.1 開發成本節約

（1）工裝成本：取消2副落料模的開發，模具共重4.0×104kg，可節約模具開發成本120萬元。

（2）量產成本：前、后門內板均采用改進的沖壓工藝后，前門內板單件材料利用率由54%提升至62.5%；后門內板由51%提升至57%，每臺車型共節約5 kg鋼板，按年產5萬臺計算，可節約坯料成本228.5萬元，如表1所示。

表1 工藝改進前后的成本

3.2 碳排放貢獻

據相關資料表明，當前全國范圍內鑄造行業的碳排放水平如表2所示，省去2副2.0×104kg落料模的開發，可減少64.4噸碳排放量。

表2 鑄造行業的碳排放水平

汽車鋼板主要材料來源于長流程生產工藝，當前國內鋼鐵長流程企業平均每噸鋼CO2排放量在2.1噸左右，該項目單車規劃生產5年，目標為25萬臺，按表3所示數據計算，通過工藝改進可減少1.25×106kg的板材使用量，可減少2 625噸碳排放量。為了對碳中和有更直觀的認識，國家林業局相關研究數據表明，1棵樹每年可以儲存10 kg的CO2，在材料節省的基礎上，每年將有262 500棵樹免于儲存板材生產的CO2排放量，對碳中和的貢獻非常可觀。

表3 工藝改進前后材料用量與碳排放量及碳交易價格對比

從碳排放經濟效益上看，按近年全國碳排放交易平均價格為56元/噸計算，可減少碳交易支出費用約14.7萬元。

4 結束語

汽車零部件沖壓行業在模具制造、鈑金沖壓的生產過程中存在大量碳排放量，因此必須在整個制造流程中對沖壓工藝、模具結構進行改進和創新，從模具少量化、輕量化、材料利用提升方面降低鑄鋼、鑄鐵、鋼板和各類標準件使用量，以減少碳排放值，以上研究的工藝改進方法可應用到今后的項目中，為企業長期降碳目標提供一定的貢獻。

在“雙碳”大戰略背景下，汽車供應鏈企業需要加快低碳化轉型，需要汽車全產業鏈上下游進行聯動，從節能增效和材料應用回收、新工藝等方面進行改革，加快實現汽車行業的“雙碳”目標。