車身沖壓件設(shè)計過程中工藝性及經(jīng)濟性研究

趙建榮　胡建輝　張維維　蔣兵　朱凱　張帥　

摘 要：車身沖壓件的工藝性指所設(shè)計的零件在滿足使用要求的前提下，制造、維修的可行性和經(jīng)濟性。一個好的結(jié)構(gòu)工藝性的零件，它能在滿足一定的生產(chǎn)條件和保證使用性能的前提下，以高的生產(chǎn)效率和低的成本制造出來。本文主要對車身沖壓件在設(shè)計過程中的工藝性和經(jīng)濟性進行分析。

關(guān)鍵詞：車身沖壓件;工藝性;經(jīng)濟性

1 引言

近年來，我國市場經(jīng)濟取得了很大的發(fā)展，汽車制造業(yè)也取得了快速的發(fā)展與進步，目前我國汽車產(chǎn)業(yè)仍處于普及期，有較大的增長空間。中國汽車產(chǎn)業(yè)已經(jīng)邁入品牌向上、高質(zhì)量發(fā)展的增長階段。研究零部件設(shè)計過程的工藝性及經(jīng)濟性，有助于提高汽車企業(yè)的經(jīng)濟效益，提高企業(yè)在社會市場中的競爭力。不良的車身沖壓件結(jié)構(gòu)設(shè)計，在實際生產(chǎn)過程中容易造成以下缺陷：工序過多，模具復(fù)雜，成本偏高;材料破裂，起皺;沖壓狀態(tài)不穩(wěn)定，難以控制，零件存在回彈、扭曲變形;裝配工藝性差，容易出錯;焊接工藝性差;電泳不完全，或者電泳液漏不干凈;安全系數(shù)低，操作不便，操作工人容易被劃傷。因此，沖壓件設(shè)計過程中的工藝性和經(jīng)濟性研究，對于提高零件質(zhì)量、降低制造成本，減少生產(chǎn)中的安全事故有重大意義。

2 沖壓件工藝性研究

2.1 沖壓件成型工序工藝性

沖壓件成型工序主要考慮的問題：沖壓方向、沖壓負角、拉延（拉深）深度、拔模斜度、圓角、增加吸料區(qū)、增加型面防止反彈扭曲、增加放錯標(biāo)記。沖壓方向就是模具成形過程中，壓機的運動方向，成型工序沖壓方向選取原則為模具以無沖壓負角為第一優(yōu)先原則，根據(jù)平均法向原則、最小拉伸深度原則、最小沖壓質(zhì)量差（沖裁力）原則來確定沖壓方向。沖壓負角會增加工序數(shù)量，提高單件成本，而且不利于模具脫件，降低生產(chǎn)效率，可以利用CATIA軟件拔模分析功能、利用專用沖壓分析軟件（Dynaform、Hyperform等）檢查有無沖壓負角。在建模前先確定沖壓方向（料厚線定義可以方向與沖壓方向一致，長度代表材料厚度），沖壓方向選取原則為以垂直主平面為原則，在后續(xù)增加的加強翻邊、加強筋、點焊邊等拔模方向都以沖壓方向線為基準(zhǔn)進行拔模，就基本可以避免沖壓負角。拉延（拉深）深度盡可能小，可以避免使用高價的高性能材料，增加采用高強剛才的可能性，減少廢料，減少工序，從而減少模具和生產(chǎn)成本。可以通過增加大的斜面，降低拉延率，加大圓角來減小零件的拉延深度。在功能性能允許的情況下盡量增大拔模斜度，以利于產(chǎn)品成型和使拔模方便易行，減少卡模的可能性，也能減少表面擦傷。兩個B是推薦的方式，工藝性均優(yōu)于A方式。如圖1。

拉延模頂圓角、底圓角在結(jié)構(gòu)、空間、密封、外觀等要求允許的前提下盡量要大。比較大的R角可以減輕產(chǎn)品局部變形程度，減少縮徑、開裂幾率，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本。一般情況下不要低于3mm，外表面件根據(jù)外觀造型可以酌情考慮小于3mm。底圓角相對要求要大些，因為成型過程中，該位置材料流動比較劇烈，越大越有利于成形，不容易發(fā)生縮徑、拉裂等缺陷。

在車門內(nèi)板前、后下角，側(cè)圍外辦門洞拐角登出增加吸料區(qū)，可以避免材料流動劇烈，壓應(yīng)力大于拉應(yīng)力導(dǎo)致的褶皺，通過吸料區(qū)改善該區(qū)域的材料流動，提高外觀質(zhì)量，提高成型模具壽命。另外可以增加型面、三角筋來防止反彈、扭曲、變形，提高沖壓件剛度。對于左右對稱件可以通過增加放錯標(biāo)記來區(qū)分，在某一側(cè)增加明顯的標(biāo)志，如開缺口或者將L、R直接打在零件上，避免在裝配時操作工分左右件困難而裝配錯誤。

2.2 沖壓件修邊、沖孔工序工藝性

沖壓件修邊、沖孔工序主要考慮的問題：修邊線盡量保持規(guī)則、修邊凸緣細節(jié)（搭接扣、點焊凸緣等）、沖孔最小孔直徑、最小孔邊緣與制件邊緣制件的距離L、孔的布置、沖頭長寬比例、斜面沖孔、轉(zhuǎn)角處圓角最小半徑以及安全的零部件形狀。修邊線盡量保持規(guī)則，修邊的邊沿走向應(yīng)盡量與上半部走向一致，利于成型，修邊線盡量是一條直線或者規(guī)則的形狀，有利于修邊模具裝配調(diào)整，有利于工藝展開料的計算，減少展開料驗證次數(shù)、時間，降低模具的加工難度，提高模具的壽命，縮短開發(fā)周期。修邊凸緣注意細節(jié)，搭接扣、點焊凸緣等部位有一定的角度（6-8°），有利于廢料排料，增加模具強度。最小沖孔直徑根據(jù)材料厚度可以采取不同的數(shù)值，材料厚度0.7～1mm，最小孔徑可以采用3.5以上，材料厚度大于1mm，建議采用5以上。小于5的孔，生產(chǎn)過程中沖頭極易折斷，不建議采用。最小孔邊緣與制件邊緣之間的距離L根據(jù)孔的大小確定，孔的直徑10T>>5T時，應(yīng)是L>2.5T;孔的直徑<5T時，應(yīng)是L>1.5T。如圖2。

沖壓件孔布置的不能太密，間距太近，導(dǎo)致沖頭布置困難，可能分兩序沖孔，造成孔位、孔距尺寸公差很難保證。沖頭長寬比例要考慮料厚、材質(zhì)，最好不超過4：1，寬度最好不小于5mm，避免過長的懸臂和狹槽結(jié)構(gòu)，以防止因凸模過細而在沖裁時折斷。斜面沖孔跟料厚和孔直徑有關(guān)，當(dāng)料厚小于等于1.0mm孔徑大于等于12mm時，斜度不能大于10°，料厚每增大0.1mm或孔徑每減少1mm，允許傾斜的角度相應(yīng)減少1度，增加平臺，可以減少工藝難度、模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度，減少工序。沖裁件上的轉(zhuǎn)角應(yīng)采用圓角，以避免尖角處因應(yīng)力集中而使模具沖裂。零部件應(yīng)設(shè)計為安全形狀，應(yīng)將尖角部分作倒圓角處理，在轉(zhuǎn)序、裝卸或操作時減少受傷概率，通常這種工藝倒圓R=5-8mm。安裝工藝孔通過增加小翻邊，防止割傷操作者手臂，同時可以提高車門內(nèi)板的剛度。

2.3 沖壓件翻邊工序工藝性

沖壓件翻邊工序主要考慮的問題：工藝切口、最小翻邊高度、最小孔邊距離、最小翻邊R角。工藝切口要盡量圓滑，長度不要過長，一般3T-5T即可，寬度大于2T（盡量大于等于5mm），太大有影響涂裝密封的可能。翻邊高度小于6mm，基本不需要增開工藝切口，可以通過展開料算出來;大于6mm可以考慮增開工藝切口，避免產(chǎn)生聚料缺陷，對模具間隙造成影響。

最小翻邊高度、最小孔邊距離，為了保證翻邊質(zhì)量，當(dāng)翻邊角度在90°時，翻邊高度必須滿足H>2T，否則可能造成翻邊角度不對，或者翻不過來，尤其是孔翻邊出現(xiàn)高度不一致的缺陷。設(shè)計翻邊時應(yīng)保證孔在變形范圍之外，一般情況下，從孔邊到彎曲半徑中心的距離為：當(dāng)t<2mm時，L>1.5t，當(dāng)t>2mm時，L>2t，如果不能滿足以上要求，必須先翻邊、彎曲后沖孔，防止孔變形（工藝過孔除外）。

最小翻邊R角，翻邊件、彎曲件的半徑不宜過大或者過小，過大容易受回彈的影響，精度難以保證（可增加加強筋防止回彈）;過小則容易產(chǎn)生裂紋，引起報廢。

3 沖壓件經(jīng)濟性研究

3.1 沖壓件排樣、材料利用率

沖壓件的成本構(gòu)成，一般原材料占50%～70%，加工費用（包括工時費用、人工工資、能源消耗等）占20%～40%，模具費用在10%以內(nèi)。因此，欲降低零件的成本，從經(jīng)濟學(xué)的角度看，減少材料消耗是最為重要的。

汽車沖壓件總體材料利用率都比較低，整車平均只有50%左右，就是說有一半的材料白白扔掉，由此可見材料的利用率很大程度的決定了沖壓件的成本乃至整車成本。沖壓件的形狀應(yīng)力求簡單、對稱。盡可能采用圓形、矩形等規(guī)則形狀，形狀應(yīng)便于排樣，力求做到減少廢料，以提高材料利用率。零件形狀與節(jié)約材料的關(guān)系如圖3。

3.2 改進制件結(jié)構(gòu)以減少工序

在不影響使用性能的前提下，改進制件結(jié)構(gòu)以減少工序，節(jié)約材料，降低成本。減少工序數(shù)量，主要減少側(cè)翻、側(cè)沖孔工序的數(shù)量。左右對稱件做到自對稱，采用沖口工藝，可以減少組合件數(shù)量，切口處應(yīng)有適當(dāng)斜度，以免工件從凹模中退出時舌部與凹模內(nèi)壁摩擦，造成退件困難。距離修邊線較近的工藝過孔盡量采用切豁口，以降低模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜度，減少工序數(shù)量。形狀復(fù)雜的沖壓件，可以采用沖-焊結(jié)構(gòu)，先分別沖制若干單件，然后再焊成整件，以簡化沖壓工藝，減少工序數(shù)量，降低成本。

3.3 孔徑的統(tǒng)一

由于現(xiàn)在模具沖孔凸模（沖頭）已經(jīng)有很多廠家采用標(biāo)準(zhǔn)件，建議將裝配孔固定為6或者8*8，密封條固定孔5，凸焊螺母孔7、9，;焊裝工藝定位孔10、12等各類孔徑盡可能統(tǒng)一，避免采用6.2、5.8、7.5、6.5*6.5等孔徑。統(tǒng)一孔徑有利于模具的加工、裝配，降低模具成本，以后大批生產(chǎn)時如果模具沖頭折斷，可以直接將標(biāo)準(zhǔn)件沖頭進行更換，縮短維修時間（如果是非標(biāo)準(zhǔn)件，則需拆卸、加工、熱處理、裝配、調(diào)試等工序），可以減少內(nèi)外飾的塑料件種類，利于管理。

4 結(jié)束語

總的來說，有不少車身沖壓件，在保證性能、裝配等要求的前提下，往往只需改動一兩個尺寸，或局部稍微變動一下，其工藝性、經(jīng)濟性便大為改善，不僅對提高沖壓件的質(zhì)量有益，而且還能提高材料利用率，減少工序數(shù)，從而提高經(jīng)濟效益。