低成本前圍板沖壓工藝開發(fā)與驗(yàn)證

中圖分類號(hào)：U466 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B DOI：10.19710/J.cnki.1003-8817.20250040

Abstract：Inorder torealizethelightweightofautobody，the traditional one-pieceBIWdashboardpanel is designed intotwoparts （theupperone andthelowerone）with differentthickness.According to the typical featuresof the front dashboard panel，namely thearch shape of theevacuation area of the wheel cover，this paper proposes shallow drawing plusreshaping tosimplify stamping processand greatly improve materialutilization rate.Inorder to address theisuesofcorrugationof dashboardupperpanel，insufficient stiffnessof singlepartandpoorwelding of evacuation area of the wheel cover，the paper verifies the feasibility of shallow drawing plus reshaping through stamping CAEanalysis，stamping physical production and welding quality verification.The cost saving advantage of split-type front dashboardpanel isconfirmed bythe cost accounting of the whole processchain （stamping，welding， coating）.Finally the low-cost front dashboard panel is put into mass production withshallow drawing plus reshaping process.

Keywords：IW，ashboardpanel，Stamping，Materialutilizationrate，F(xiàn)ormingsimlatic

1前言

汽車白車身成本是影響汽車成本的重要指標(biāo)，為降低整車成本，研究在滿足各項(xiàng)整車性能指標(biāo)條件下的低成本白車身結(jié)構(gòu)和工藝十分必要[-3]。材料利用率直接影響白車身成本，目前，沖壓工藝通過產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)、工藝創(chuàng)新設(shè)計(jì)、拉延筋設(shè)計(jì)和合模方案優(yōu)化等可有效提升材料利用率[4-8]。

淺拉延作為材料利用率提升的有效方案之一，目前行業(yè)內(nèi)主要應(yīng)用于汽車外覆蓋件（側(cè)圍、翼子板、門外板等）[9-13]。前圍板是發(fā)動(dòng)機(jī)艙與乘員艙的主要隔離構(gòu)件，具有隔聲、減振、隔熱的作用。常規(guī)的一體式前圍板拉延深度大、沖壓開裂多，需采用拉延性能更佳、成本相對(duì)更高的深沖鋼[14-15]，且沖壓成形工序多，修邊和沖孔需采用斜楔機(jī)構(gòu)，模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜[16-17]，制造成本高，沖壓的材料利用率較低。

為此，本文提出一種上、下分體不等厚設(shè)計(jì)的輕量化前圍板結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行淺拉延和整形工藝的研究和應(yīng)用驗(yàn)證，經(jīng)過成形CAE仿真分析、沖壓成形工藝驗(yàn)證、焊接質(zhì)量驗(yàn)證，分體式輕量化前圍板成功量產(chǎn)，降低了前圍板的成本。

2零件設(shè)計(jì)及工藝思路

2.1 分體式前圍板設(shè)計(jì)

圖1所示為常規(guī)一體式前圍板，通常采用厚度為 1.0mm 的冷軋鋼DC03（或者無間隙原子高強(qiáng)鋼HC260Y）或上、下分體激光拼焊板（上、下板厚度分別為 1.0mm?0.8mm ）。一體式前圍板存在拉延開裂、材料利用率低和工序多的缺點(diǎn)，如圖2所示。

圖1常規(guī)一體式前圍板

本文所設(shè)計(jì)的分體式前圍板如圖3所示，根據(jù)車身性能及碰撞需求，其前圍上、下板料厚分別為1.0mm?0.8mm ，可提高車身結(jié)構(gòu)輕量化水平，且由于分體式設(shè)計(jì)降低了零件成形難度，采用材料成本低于DC03的DC01。

（b）工序復(fù)雜且數(shù)量多

圖2一體式前圍板存在的問題

圖3分體式前圍板的設(shè)計(jì)

2.2分體式前圍板淺拉延整形工藝設(shè)計(jì)思路

針對(duì)分體式前圍上板左、右輪罩避讓區(qū)域的拱起形狀特征，即圖4a所示的A和B區(qū)域，將左、右兩側(cè)拱起特征在拉延工序（OP10）進(jìn)行攤平處理，與主體在同一平面，之后通過OP30工序整形獲得拱起形狀。圖4b所示為前圍上板的核心工藝，產(chǎn)品的拉延深度大幅降低，同時(shí)拉延工序的工藝補(bǔ)充整體低矮，即產(chǎn)生的廢料減少，提高了材料利用率。

圖4前圍上板淺拉延

圖5所示為前圍上板的工藝規(guī)劃，僅3道工序，由于OP20工序修邊包含正修和OP30工序的正整形翻邊，模具結(jié)構(gòu)得到簡(jiǎn)化且成本更低，無需復(fù)雜的側(cè)整形側(cè)修邊的斜楔機(jī)構(gòu)。

圖5前圍上板工藝規(guī)劃方案

按照?qǐng)D5工藝方案進(jìn)行沖壓成形仿真分析，由于該工藝為淺拉延，成形深度低，不存在開裂風(fēng)險(xiǎn)，因此，重點(diǎn)關(guān)注起皺風(fēng)險(xiǎn)。圖6a所示為OP10淺拉延的CAE分析起皺趨勢(shì)值（壓邊力設(shè)置為 1250kN ，料片設(shè)置為隨形T形料），產(chǎn)品本體區(qū)域起皺趨勢(shì)值（PotentialWrikles，PW） lt;0.01 ，工藝補(bǔ)充及其壓料面 PW?0.03 ，滿足起皺可控的CAE評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。圖6b所示為OP30翻邊整形的CAE分析起皺趨勢(shì)值（上壓料力為 1600kN ，周圈整形翻邊力為 800kN ，產(chǎn)品輪罩避讓區(qū)域 PW?0.01 ，即該區(qū)域存在起皺風(fēng)險(xiǎn)，需實(shí)際驗(yàn)證其起皺狀態(tài)。

圖6前圍上板起皺趨勢(shì)值CAE分析

3不同工藝方案下材料利用率對(duì)比

基于前期同步工程階段的成形分析，針對(duì)分體式前圍板常規(guī)拉延、一體式前圍板拉延分別與分體式前圍板淺拉延整形工藝方案進(jìn)行對(duì)比，分析料片尺寸、零件質(zhì)量、材料利用率等方面的差異。

3.1分體式前圍板常規(guī)拉延與淺拉延對(duì)比

圖7所示為分體式前圍上板常規(guī)拉延（型面一次壓延到位，無整形工序）與淺拉延的工藝補(bǔ)充對(duì)比，由關(guān)鍵斷面A-A及B-B可知，其工藝補(bǔ)充的高度分別由 96mm、58mm 下降至 26mm?9.6mm ，下降比例超過 72% 。

圖7分體式前圍上板的常規(guī)拉延和淺拉延工藝補(bǔ)充

板料尺寸及材料利用率的對(duì)比如表1所示。分體式前圍板常規(guī)拉延的板料尺寸為1740mm×830mm ，材料利用率為 56.19% 。由于淺拉延方案工藝補(bǔ)充的大幅降低，其板料尺寸減小為 1720mm×760mm ，其材料利用率提升為62.08% ，板料使用量減少 1.08kg ，板料成本降低5.4元/件（以DC01材料單價(jià)為5000元/為核算基礎(chǔ)）。

表1分體式前圍上板的常規(guī)拉延和淺拉延的材料利用率

3.2一體式前圍板常規(guī)拉延與分體式淺拉延對(duì)比

圖8所示為一體式前圍板常規(guī)拉延與圖7b中的分體式前圍上板淺拉延的工藝補(bǔ)充對(duì)比，由圖中關(guān)鍵斷面A-A及B-B可知，其工藝補(bǔ)充高度分別由 108mm?88mm 下降至 26mm?9.6mm ，下降比例超過 76% ，與圖7a中的的分體式前圍板常規(guī)拉延相比，具有更高的工藝補(bǔ)充下降幅度。

圖8一體式前圍板常規(guī)拉延方案的工藝補(bǔ)充

如表2所示，一體式前圍板拉延的板料尺寸為1922mm×1285mm ，板料質(zhì)量為 19.39kg ，材料利用率僅為 58.5% 。如表3所示，分體式前圍板的上板采用淺拉延方案，由于其工藝補(bǔ)充的大幅降低，前圍上、下板尺寸分別為 1720mm×760mm，1565mm× 650mm ，總質(zhì)量為 16.65kg ，綜合材料利用率提升至 62.04% ，板料使用量減少約 2.64kg ，板料成本降低約20元（以DC01材料單價(jià)為5000元/t，DC03材料單價(jià)為5300元/t為核算基礎(chǔ)）。

表2一體式前圍板常規(guī)拉延方案的材料利用率

表3分體式前圍板淺拉延方案的材料利用率

由表2和表3可知，與等厚一體式前圍板（厚度為 1.0mm ）相比，采用分體式前圍板（上、下板厚度分別為 1.0mm.0.8mm 時(shí)，質(zhì)量由 11.35kg 降為10.33kg， 同時(shí)材料由DC03替換為成本更低的DC01，有效降低了原材料成本。

4生產(chǎn)驗(yàn)證

如圖9所示，經(jīng)過沖壓成形仿真CAE分析和產(chǎn)品匹配區(qū)域焊接搭接情況等綜合分析，分體式前圍板淺拉延工藝方案存在3項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)需現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物驗(yàn)證：輪罩區(qū)域的沖壓整形起皺風(fēng)險(xiǎn)驗(yàn)證；剛性不足驗(yàn)證；輪罩起皺區(qū)域焊接質(zhì)量驗(yàn)證。

4.1 沖壓起皺驗(yàn)證

針對(duì)前圍板上板OP30整形翻邊工序，選取距離底部 20mm?10mm?5mm?0mm 的位置對(duì)比實(shí)際沖壓結(jié)果與CAE分析結(jié)果，如圖10所示。在距離底部 20mm?10mm 位置，前圍上板輪罩區(qū)域的起皺波浪明顯，主要來源于整形翻邊圓角處不光順區(qū)域。但隨著整形刀具的進(jìn)一步作用，在距離底部 5mm 處，由于產(chǎn)品區(qū)域出現(xiàn)加強(qiáng)筋特征，其起皺問題得到緩解，僅存在輕微波浪。

圖10一體式前圍上板輪罩區(qū)域整形起皺

最終在成形時(shí)，輪罩區(qū)域的起皺基本消除，僅在平坦區(qū)域存在部分殘留的波浪痕。由于該區(qū)域存在與前圍橫梁的焊接搭接，因此，需進(jìn)一步驗(yàn)證焊接質(zhì)量。

4.2 單件剛度驗(yàn)證

圖11a和圖9b所示的沖壓CAE分析結(jié)果顯示，由于前圍上板采用淺拉延工藝，其左、右側(cè)翼輪罩避讓區(qū)大部分區(qū)域的變薄率不足 3% ，存在塑性變形不充分帶來的單件剛度不足風(fēng)險(xiǎn)[18-19]

如圖11b所示，針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)零件進(jìn)行人工搬抬及旋轉(zhuǎn)等操作驗(yàn)證，前圍板上板的單件剛度不存在變形及嚴(yán)重抖動(dòng)問題，即單件剛度無問題，滿足批量生產(chǎn)要求。

圖11前圍上板剛度不足風(fēng)險(xiǎn)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

4.3焊接質(zhì)量驗(yàn)證

針對(duì)4.1節(jié)中前圍上板輪罩避讓區(qū)兩翼存在的殘留波浪痕，由于該區(qū)域與前圍橫梁存在搭接焊點(diǎn)，需對(duì)焊接質(zhì)量進(jìn)行實(shí)物驗(yàn)證。

圖12所示為通過破拆檢測(cè)焊核直徑以及超聲波無損檢測(cè)焊點(diǎn)質(zhì)量，結(jié)果均顯示該波浪痕跡區(qū)域的焊點(diǎn)質(zhì)量合格，不存在虛焊等焊接不良問題。

圖12""前圍上板起皺區(qū)域焊接質(zhì)量驗(yàn)證

5 成本核算

對(duì)一體式和分體式前圍板的沖壓、焊裝和涂裝環(huán)節(jié)的成本進(jìn)行分析，獲得了2種產(chǎn)品設(shè)計(jì)的工藝成本。

5.1沖壓環(huán)節(jié)成本核算

如表2和表3所示，針對(duì)沖壓環(huán)節(jié)的一體式及分體式前圍板進(jìn)行成本核算，采用分體式后，材料利用率由 58.5% 提升至 62.04% ，車身減輕 1.02kg 材料牌號(hào)由DC03替換為成本更低的DC01，成本降低約20元/車。

5.2 全工藝鏈成本核算

與一體式前圍板相比，由于分體式前圍板在上、下板連接處增加了點(diǎn)焊、點(diǎn)焊膠和密封膠，因此，需要核算沖壓、焊裝及涂裝全工藝鏈的成本。

表4所示為一體式與分體式前圍板全工藝鏈的成本信息，采用分體式后，焊裝及涂裝工藝環(huán)節(jié)成本增加5.6元/車，以項(xiàng)目企劃銷量目標(biāo)30萬輛為核算基礎(chǔ)，沖壓模具的工裝降低成本與焊裝夾具的工裝增加成本基本持平，因此，分體式前圍板全工藝鏈預(yù)計(jì)約降本14.4元/車。

表4一體式與分體式前圍板全工藝生產(chǎn)鏈的成本對(duì)比

6 結(jié)束語

本文選取前圍板零件為研究對(duì)象，從減料厚、降牌號(hào)以及提升材料利用率等方面進(jìn)行了輕量化和低成本工藝開發(fā)與驗(yàn)證，得出如下結(jié)論：

a.分體式前圍板上板應(yīng)用淺拉延及整形工藝，針對(duì)CAE分析中存在的起皺、零件剛度不足及焊接質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，通過實(shí)際沖壓及焊接驗(yàn)證，其沖壓?jiǎn)渭昂附悠焚|(zhì)滿足要求，確認(rèn)了該分體式前圍上板產(chǎn)品設(shè)計(jì)的工藝可行性。

b.針對(duì)一體式等厚前圍板提出分體式上、下段前圍板設(shè)計(jì)，可降低成本并提高輕量化水平，本案例降低質(zhì)量 1.02kg ，全工藝鏈綜合降本14.4元/車。

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