側圍外板材料利用率提升方法研究

程方寶， 陳俊偉， 蔣磊， 冉奧陽， 李國偉

（東風本田汽車有限公司 新車型制造技術科， 湖北 武漢 430056）

0 引 言

中國制造2025對節(jié)能與新能源汽車發(fā)展有重要指示，把制造技術納入路線圖，節(jié)能與新能源汽車制造技術路線圖的發(fā)展思路是以綠色制造、智能制造、優(yōu)質(zhì)制造、快速制造為主線，以智能制造為主攻方向，在滿足節(jié)能降耗的同時提高制造精度。從車型成本上看，轎車白車身占比約為整車開發(fā)成本的40%～60%，白車身結構中沖壓件占據(jù)95%以上。沖壓件材料利用率反映了企業(yè)的技術和管理水平，也是影響經(jīng)濟效益的指標之一，發(fā)達國家企業(yè)的沖壓件材料利用率已達到75%以上，而國內(nèi)企業(yè)一般只有55%～70%，甚至更低。對于以消耗鋼板為主的沖壓，材料利用率提升1%，整車成本降低30元。汽車市場競爭日益激烈，價格戰(zhàn)逐漸進入白熱化，如何降低整車制造成本是各汽車企業(yè)核心課題。提升材料利用率能顯著降低白車身成本，因此研究沖壓件的材料利用率對節(jié)能與新能源汽車的綠色制造和智能制造起關鍵作用，能降低企業(yè)的制造成本，提升市場競爭力。

現(xiàn)以某車型側圍外板為研究對象，通過對側圍外板進行子部品（總成中零件）一體化設計、工藝補充優(yōu)化及材料二次利用等技術的應用，實現(xiàn)側圍外板材料利用率的提升，獲得了良好效果，為其他車型沖壓件提升材料利用率提供參考。

1 影響側圍外板材料利用率的因素分析

材料利用率影響因素為零件質(zhì)量及使用材料質(zhì)量，零件質(zhì)量越大，使用材料質(zhì)量越少，材料利用率就越高，反之則越低。零件的質(zhì)量主要受其結構影響，材料質(zhì)量主要受其尺寸影響，因此分析材料利用率主要從優(yōu)化零件結構及材料尺寸2個方面展開。

1.1 側圍外板零件結構分析

側圍外板是汽車所有覆蓋件中裝配關系最多的零件，需要與頂蓋、四門、尾燈等零件進行裝配，因此其外周輪廓和內(nèi)部輪廓復雜，開口較多，影響其材料利用率。如圖1所示，通過對現(xiàn)有5個車型側圍外板開口面積和材料利用率的調(diào)查，得出以下結論：零件的開口面積占比越大，材料利用率越低。因此可以通過優(yōu)化零件結構設計，盡量減少開口面積，增加零件質(zhì)量，提升材料利用率。

圖1 側圍外板開口面積占比和材料利用率統(tǒng)計結果

1.2 側圍外板材料尺寸分析

側圍外板材料由于成形性的要求，一般為異形材料，通過落料模生產(chǎn)得到。側圍外板在落料生產(chǎn)過程中共產(chǎn)生4塊邊角料，如圖2所示，分別位于尾箱和前立柱上部、輪轂和前立柱下部、后門洞部、前門洞部。這些邊角料通常以廢料形式進行處置，降低了側圍外板材料利用率。因此考慮將側圍外板4塊邊角料尺寸盡量縮短和二次利用落料廢料，可有效提升側圍外板材料利用率。

圖2 側圍外板落料廢料

2 側圍外板材料利用率提升方法

2.1 零件結構優(yōu)化

零件結構優(yōu)化的目的是為了盡量減少零件開口面積，通過白車身圖紙確認，側圍外板開口部零件為焊接加強件，因此考慮將焊接加強件和側圍外板進行一體化設計。為了滿足車身強度要求，側圍外板和周邊焊接加強件一體化設計需遵循以下原則：①材質(zhì)等級≤JAC27D-45∕45；②板料厚度≤0.6 mm。在零件結構設計早期階段，選擇合適的焊接加強件與側圍外板合并，實現(xiàn)一體化設計。最終確定流水槽、尾燈安裝蓋板與側圍外板進行一體化設計，如圖3所示。

圖3 子零件一體化設計方法

2.2 側圍外板材料尺寸優(yōu)化

沖壓工藝補充的合理性關乎零件的成形質(zhì)量和制造成本，因此沖壓工藝設計過程也是不斷完善、優(yōu)化的過程。覆蓋件的沖壓工藝在保證成形質(zhì)量的前提下，盡量采用最小工藝補充面；在不影響零件沖壓成形性能和模具結構強度的前提下，工藝補充面參數(shù)盡量采用最小值。

側圍外板工藝補充斷面如圖4所示，前立柱采用拉深、垂直修邊工藝，拉深工藝補充在保證A柱成形充分的前提下，盡量采用最小的拉深深度h1和側壁拔模角θ1，如圖4中A-A所示，在滿足修邊刀塊強度的前提下，盡量減小修邊延長線L。如圖4中B-B所示，頂棚部位采用淺拉深、垂直修邊、側整形工藝，拉深工藝補充在保證A面（外觀面）成形充分及無沖擊痕的前提下，盡量采用最小的拉深深度h2和側壁拔模角θ2。如圖4中C-C所示，裙邊部位采用淺拉深、垂直修邊、側整形工藝，拉深工藝補充在保證裙邊成形充分的前提下，盡量采用最小的拉深深度h3和側壁拔模角θ3。如圖4中D-D所示，尾燈部位采用拉深、修邊和整形復合工藝，拉深工藝補充在保證尾燈處成形充分的前提下，盡量采用最小的拉深深度h4和側壁拔模角θ4。如表1所示，統(tǒng)計了5個已量產(chǎn)車型側圍外板工藝斷面參數(shù)，以此經(jīng)驗作為參考設定該側圍外板工藝參數(shù)。

表1 側圍外板工藝斷面參數(shù)統(tǒng)計

圖4 側圍外板工藝補充斷面

2.3 側圍外板落料二次利用

為了能夠合理有效地利用側圍外板在落料過程中產(chǎn)生的邊角料，基于二次利用材料適用部品篩選條件，如表2所示，采用AutoForm成形分析軟件進行分析，當無起皺、開裂等明顯缺陷時，判定適合二次利用。該車型最終選定油箱蓋內(nèi)板適用側圍外板前門洞處廢料，如圖5所示。

表2 二次利用材料適用部品篩選條件

圖5 側圍外板二次材料利用

3 側圍外板材料利用率提升方法實施

3.1 沖壓工藝設計

為了實現(xiàn)側圍外板與子零件一體化，對沖壓工藝設計要求更高。尾燈安裝蓋板一體化，型面更加復雜，難點在于成形時會開裂及工序排布困難，工藝設計如圖6中A-A所示，OP10過拉深、OP20修邊整形。流水槽一體化難點在于零件整形工序回彈，導致精度不良，工藝設計如圖6中B-B所示，OP10過拉深、OP20修邊、OP30整形。

圖6 尾燈部及流水槽部工藝補充

3.2 CAE分析虛擬驗證

零件制造可行性前期通過CAE虛擬分析進行驗證，避免實物調(diào)試出現(xiàn)不良，浪費時間及精力進行反復改修。利用AutoForm軟件導入CAD沖壓工藝模面，按照工藝方案依次設置拉深、修邊、翻邊各工序的工具體和工藝參數(shù)，各工序工具體有限元模型如圖7（a）所示。通過CAE軟件虛擬分析，確認是否有開裂起皺等不良現(xiàn)象，否則進行工藝模面調(diào)整，最終符合各項CAE判定基準，如圖7（b）所示。

圖7 CAE成形仿真分析

3.3 模具結構設計

制定沖壓工藝后，為實現(xiàn)各工序工藝內(nèi)容，需要進行合理的模具結構設計。如圖8中A-A所示，尾燈部位在OP20工序進行修邊整形復合，根據(jù)設定進入量，先外側修邊后再內(nèi)側整形。如圖8中BB所示，流水槽部位在OP30工序使用40°斜楔側整形，下模為活動凸模，沖壓完成后回退便于零件取出。

圖8 模具局部結構

4 側圍外板實物效果驗證

4.1 品質(zhì)確認

按照已設定的模具結構進行沖模制造，并利用虛擬CAE成形工藝參數(shù)及仿真結果指導模具調(diào)試，得到圖9所示的側圍外板和油箱蓋。從圖9可以看出，側圍外板成形充分，無開裂、起皺及明顯的外觀面凹陷等缺陷，滿足零件批量生產(chǎn)的需求，同時油箱蓋精度滿足白車身配合尺寸要求。

圖9 側圍外板和油箱蓋完成件

4.2 成本效果確認

通過采取以上對策，側圍外板材料利用率提升4%，實現(xiàn)了白車身材料費、子部品焊接費、涂膠費以及外購零件費用削減，單臺成本降低10.8元，如圖10所示。

圖10 材料利用率和成本統(tǒng)計

5 結束語

通過對某車型側圍外板材料利用率提升方法進行研究，從子零件一體化、工藝補充優(yōu)化、材料二次利用3個方面介紹了提高側圍外板材料利用率的方法。通過上述方法的實際應用，提高了工藝技術水平，為后續(xù)車型的沖壓工藝設計提供了參考。

提高材料利用率的方法較多，但都需要通過實踐驗證，例如沖壓覆蓋件落料方式，此方法需要核算落料模的投資、維修成本與提高材料利用率后的收益關系。總之，提高材料利用率是為了降低整車制造成本，在設計提高材料利用率方法時需要綜合考慮投資成本與收益的關系。