級(jí)進(jìn)模工藝在車身沖壓零件中的應(yīng)用

摘 要：級(jí)進(jìn)模工藝是未來(lái)車身沖壓零件沖壓工藝的主要發(fā)展方向之一。在項(xiàng)目開發(fā)前期對(duì)級(jí)進(jìn)模工藝進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃，通過(guò)合理產(chǎn)品設(shè)計(jì)、排樣設(shè)計(jì)與全工序數(shù)值模擬分析，可以有效提升生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。本文基于實(shí)際項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，介紹了級(jí)進(jìn)模工藝的排樣設(shè)計(jì)，提出了基于級(jí)進(jìn)模工藝的前期產(chǎn)品設(shè)計(jì)優(yōu)化，闡述了基于AutoForm的全工序成形分析來(lái)保證級(jí)進(jìn)模工藝的成形性，總結(jié)了基于級(jí)進(jìn)模工藝的材料利用率提升案例。

關(guān)鍵詞：級(jí)進(jìn)模工藝;排樣設(shè)計(jì);設(shè)計(jì)優(yōu)化;成形分析;利用率提升

0 引言

對(duì)于車身鈑金沖壓零件來(lái)說(shuō)，一般都需要多個(gè)工序才能實(shí)現(xiàn)，而隨著汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，技術(shù)水平的不斷提高，各主機(jī)廠以及零部件供應(yīng)商不斷嘗試自動(dòng)化程度高的工藝進(jìn)行生產(chǎn)，以提高生產(chǎn)效率，降低成本。多工位級(jí)進(jìn)模工藝的特點(diǎn)就是生產(chǎn)效率高，生產(chǎn)周期短，產(chǎn)品精度高，需要占用的現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)人員少，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化批量生產(chǎn)[1-2]，是未來(lái)車身鈑金零件沖壓工藝的主要發(fā)展方向之一。

目前，國(guó)內(nèi)外各主機(jī)廠在前期開發(fā)中，還沒(méi)有對(duì)車身鈑金零件的級(jí)進(jìn)模工藝選擇進(jìn)行統(tǒng)一的規(guī)劃，實(shí)際生產(chǎn)中級(jí)進(jìn)模的應(yīng)用主要是零部件供應(yīng)商自行選擇，這在一定程度上限制了級(jí)進(jìn)模工藝的應(yīng)用，進(jìn)而減小了改善生產(chǎn)效率以及降低生產(chǎn)成本的空間。本文基于某項(xiàng)目的級(jí)進(jìn)模工藝規(guī)劃經(jīng)驗(yàn)，介紹了級(jí)進(jìn)模工藝的排樣設(shè)計(jì)，提出了基于級(jí)進(jìn)模工藝的前期產(chǎn)品設(shè)計(jì)優(yōu)化，闡述了基于AutoForm的全工序成形分析來(lái)保證級(jí)進(jìn)模工藝的成形性，總結(jié)了基于級(jí)進(jìn)模工藝的材料利用率提升案例。

1 級(jí)進(jìn)模工藝的排樣設(shè)計(jì)

排樣設(shè)計(jì)是級(jí)進(jìn)模工藝設(shè)計(jì)的核心工作，其反映了產(chǎn)品的加工過(guò)程、模具結(jié)構(gòu)以及材料的利用率[1-3]。

1.1 工序確定

（1）級(jí)進(jìn)模沖壓工藝的特點(diǎn)就是在一套模具上實(shí)現(xiàn)多個(gè)不同沖壓工序的組合加工，整個(gè)工序排布過(guò)程主要包括沖裁、成形、切斷三類工序過(guò)程。在排樣設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先要考慮被加工制件在全部沖壓過(guò)程中共有哪些加工工序，各個(gè)加工工序具體的加工分解以及加工工序之間的優(yōu)化組合，針對(duì)各加工工序的特點(diǎn)，確定該產(chǎn)品的工序數(shù)目和順序。排序設(shè)計(jì)主要遵循以下幾方面：

（2）制件上孔與孔，孔與外形之間有相對(duì)尺寸要求時(shí)，要考慮在同一工位或者相近工位沖出，尺寸與形狀要求高的輪廓要盡量放在較后的工位上沖出。

（3）當(dāng)孔與邊緣的距離很小，并且對(duì)孔有較高精度要求時(shí)，要先沖外形，再?zèng)_孔。若孔較細(xì)長(zhǎng)，還應(yīng)分次沖裁，以保證凸模強(qiáng)度。

（4）在沖裁與成形過(guò)程中，都要盡量避免復(fù)雜形狀的凸模、凹模，對(duì)復(fù)雜的內(nèi)外形要增加工序組合進(jìn)行分解。

（5）尺寸精度要求高的制件，需要增加整形工序。

（6）根據(jù)需要適當(dāng)設(shè)置空工位，以保證模具強(qiáng)度，并且為后續(xù)調(diào)模時(shí)增加工序留有余地。

1.2 料帶設(shè)計(jì)

料帶的作用是減小或者消除制件在各工序成形時(shí)的相互影響，保證制件在沖壓過(guò)程中穩(wěn)定送進(jìn)，定位準(zhǔn)確[2-4]。料帶的設(shè)計(jì)既要保證載體的剛度和強(qiáng)度，又要提高材料的利用率，需要綜合考慮制件的尺寸，材料以及變形特點(diǎn)。料帶的主要帶料方式如表1所示。

料帶的主要設(shè)計(jì)原則如下：

（1）各零件間盡量有輔助料帶連接。

（2）薄板料帶盡量采用加強(qiáng)筋方式及增加料帶寬度。

（3）料帶廢料處可采用“U”形折彎來(lái)保證料帶穩(wěn)定性。

（4）針對(duì)卷寬較寬的料帶，盡量增加折彎來(lái)保證料帶穩(wěn)定性，同時(shí)對(duì)于兩件對(duì)拼的情況盡量不要采用中間一條料帶的方式，三條料帶能最大限度的保證送料的穩(wěn)定性。

表1 級(jí)進(jìn)模工藝主要料帶形式

2 基于級(jí)進(jìn)模工藝的前期產(chǎn)品設(shè)計(jì)優(yōu)化

沖壓零件采用級(jí)進(jìn)模工藝有諸多優(yōu)點(diǎn)，但是基于級(jí)進(jìn)模的工藝性而言，并不是所有的零件都適合做級(jí)進(jìn)模。為了保證級(jí)進(jìn)模工藝的精益應(yīng)用，需要對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)提出了一定要求，為了避免在產(chǎn)品設(shè)計(jì)后期因造型凍結(jié)而導(dǎo)致的更改困難，我們需要在項(xiàng)目前期產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段提前介入，對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，從而促進(jìn)級(jí)進(jìn)模工藝的工藝規(guī)劃與精益應(yīng)用。

2.1 零件周邊盡量給料帶連接提供缺口

如圖1所示，零件周圍一圈都有翻邊，料帶無(wú)從連接，若采用級(jí)進(jìn)模工藝，料帶只能連接到翻邊上，后期零件與料帶分離后痕跡明顯，同時(shí)也不利于該零件的材料利用率。因此，在前期產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)就要考慮留出缺口，提供連料位置。

2.2 產(chǎn)品主型面區(qū)域開定位孔

如圖2所示零件，在前期產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)就要考慮在主型面區(qū)域開定位孔，用于工藝定位，從而避免在廢料區(qū)域開定位孔，提高材料利用率。

2.3 推薦沖孔修邊與沖壓方向一致，盡量避免側(cè)沖孔，側(cè)修邊

如圖3所示，該零件在送料方向上需要側(cè)沖孔，需要增加斜楔機(jī)構(gòu)及空工位，同時(shí)也增加模具成本。

2.4 產(chǎn)品盡量不要設(shè)計(jì)負(fù)角

如圖4所示，零件沖孔的下部存在負(fù)角，盡管有的負(fù)角可以通過(guò)工藝優(yōu)化實(shí)現(xiàn)沖壓成形，但是增加了工步數(shù)，增大了模具尺寸，尤其對(duì)于步距較大的零件，增加了模具費(fèi)用及沖次費(fèi)用的同時(shí)也可能導(dǎo)致沒(méi)有合適的壓機(jī)可以生產(chǎn)。

2.5 橫梁類零件可以根據(jù)連料形式開缺口

如圖5所示，該類橫梁零件兩端連料，如果能在產(chǎn)品設(shè)計(jì)前期考慮在連料位置開缺口，則能降低料帶寬度，從而提高材料利用率。

3 基于AutoForm的全工序成形分析

多工位級(jí)進(jìn)模工藝是一種高精密、高效率的多工序集成工藝，尤其對(duì)于復(fù)雜零件的沖壓成形，產(chǎn)品容易產(chǎn)生開裂、起皺、回彈等缺陷，為了確保零件的可成形性，可制造性，提高模具設(shè)計(jì)與開發(fā)效率，降低開發(fā)成本，對(duì)于沖壓產(chǎn)品進(jìn)行全工序的成形分析是十分必要的[5]。

級(jí)進(jìn)模的沖壓仿真的難點(diǎn)在于毛坯外形輪廓的反算以及成形過(guò)程中料帶的變形。在級(jí)進(jìn)模工藝規(guī)劃中，我們使用AutoForm軟件對(duì)每一個(gè)零件進(jìn)行全工序的成形模擬分析，如圖6所示。

對(duì)于主要關(guān)注以下幾點(diǎn)分析結(jié)果。

3.1 產(chǎn)品邊界優(yōu)化

為了獲得準(zhǔn)確的分析結(jié)果，首先要保證分析后的產(chǎn)品邊界與實(shí)際產(chǎn)品邊界并對(duì)初始板料輪廓線進(jìn)行反算優(yōu)化，直至模擬的產(chǎn)品輪廓線與實(shí)際產(chǎn)品邊界相比，重合或者在公差范圍內(nèi)。

3.2 料帶中橋的優(yōu)化

料帶中的橋是料帶與產(chǎn)品的部分，這一部分是為了保證在沖壓過(guò)程中產(chǎn)品的正常傳送，同時(shí)不會(huì)因產(chǎn)品的成形導(dǎo)致料帶變形從而影響料帶傳送的準(zhǔn)確性。這就要求橋在沖壓過(guò)程中可以變形，但不能斷裂，同時(shí)還要保證料帶不能發(fā)生明顯變形，如圖7所示。橋的邊界外形沒(méi)有明確定義，最終要結(jié)合成形結(jié)果進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整。

3.3 成形性分析

通過(guò)分析零件的成形過(guò)程，如圖8所示，并且對(duì)減薄、開裂、增厚、起皺、回彈等結(jié)果進(jìn)行檢查分析優(yōu)化，如圖9所示，確保零件成形工藝性良好，適合進(jìn)行沖壓加工。

4 基于級(jí)進(jìn)模工藝的材料利用率提升案例

一般認(rèn)為，大多數(shù)級(jí)進(jìn)模工藝的利用率會(huì)小于或等于單工序的利用率。由于各個(gè)零件的形狀存在較大差異，既要保證零件的質(zhì)量又要提高材料利用率存在一定的難度，在二者有沖突的情況下，我們首先要保證零件的質(zhì)量。如何盡可能提高材料利用率是每一個(gè)級(jí)進(jìn)模排樣設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的問(wèn)題，這需要我們多積累相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)對(duì)產(chǎn)品的特點(diǎn)和用途有透徹的了解。

4.1 級(jí)進(jìn)模搭邊值選取標(biāo)準(zhǔn)

級(jí)進(jìn)模料帶的形式是影響級(jí)進(jìn)模工藝零件材料利用率的主要因素之一。零件尺寸決定料寬，進(jìn)而決定料帶形式，再根據(jù)零件特征決定最終料帶。在級(jí)進(jìn)模工藝規(guī)劃過(guò)程中，在保證料帶穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，通過(guò)規(guī)范級(jí)進(jìn)模料帶形式及搭邊值選取，可以實(shí)現(xiàn)材料利用率的最大化。我們?cè)诩?jí)進(jìn)模工藝規(guī)劃過(guò)程中根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，按照材料、料厚、卷料寬度三個(gè)維度對(duì)產(chǎn)品級(jí)進(jìn)模搭邊值選取進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，如圖10所示為某一中間料帶形式的級(jí)進(jìn)模搭邊值選取標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)搭邊值的合理選取，有效提升了產(chǎn)品的材料利用率。

4.2 材料利用率提升案例

在排樣設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)充分利用級(jí)進(jìn)模工藝特點(diǎn)并結(jié)合零件的不同特點(diǎn)可以有效提升產(chǎn)品的材料利用率，降低成本。對(duì)于相同材質(zhì)、料厚、產(chǎn)量的零件可以放在一起考慮排樣設(shè)計(jì)：比如左右件、外形相似的零件、中間有大孔的零件與小零件成組套料等。

4.2.1 優(yōu)化工序內(nèi)容

充分利用級(jí)進(jìn)模多工序的優(yōu)勢(shì)，將拉延工藝轉(zhuǎn)變?yōu)槎啻纬尚喂に?，提升材料利用率，如圖11所示。

4.2.2 小件雙料帶

小件錯(cuò)位對(duì)拼，如圖12所示，每個(gè)件連接一條料帶，既提高了料帶的穩(wěn)定性，同時(shí)也提高了材料利用率。

4.2.3 產(chǎn)品面當(dāng)料帶

產(chǎn)品面作為料帶，以產(chǎn)品上的孔作為定位孔，最終分離時(shí)切除多余廢料，如圖13所示。

4.2.4 交叉排樣料帶

充分利用零件外形特點(diǎn)，零件交叉排列，減少?gòu)U料，提高了利用率，如圖14所示。

4.2.5 套料排樣料帶

對(duì)于相同材質(zhì)，料厚，產(chǎn)量的零件，若大零件排樣料帶中有大的空間，可以在料帶中嵌入小零件，形成套料排樣，如圖15所示。

5 級(jí)進(jìn)模在車身沖壓零件中的應(yīng)用

車身沖壓零件采用級(jí)進(jìn)模有諸多的有點(diǎn)，但是并不是所有的零件都適合做級(jí)進(jìn)模，出于對(duì)工藝性以及成本考慮，級(jí)進(jìn)模的應(yīng)用對(duì)零件的設(shè)計(jì)有一定的要求，這需要在項(xiàng)目前期就要對(duì)零件的設(shè)計(jì)與工藝選擇做出統(tǒng)一規(guī)劃。目前，國(guó)內(nèi)外汽車行業(yè)對(duì)沖壓零件級(jí)進(jìn)模的應(yīng)用還沒(méi)有進(jìn)行過(guò)統(tǒng)一的規(guī)劃。結(jié)合多年的實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，我們?cè)谀稠?xiàng)目設(shè)計(jì)前期進(jìn)行了級(jí)進(jìn)模的統(tǒng)一規(guī)劃，并結(jié)合級(jí)進(jìn)模的工藝特點(diǎn)以及成本考量，提出了級(jí)進(jìn)模在車身沖壓零件的適用原則如下：

5.1 工藝要求

具備工藝帶料位置;

工藝性符合要求;

料帶穩(wěn)定性符合要求;

產(chǎn)品及廢料收集符合要求。

5.2 壓機(jī)要求

臺(tái)面尺寸符合要求;

壓機(jī)噸位符合要求。

5.3 產(chǎn)品更改頻次

更改頻次過(guò)多的零件不建議使用級(jí)進(jìn)模;

后期零件設(shè)變較多的零件不建議使用級(jí)進(jìn)模。

5.4 材料利用率

經(jīng)成本對(duì)比評(píng)估，與傳統(tǒng)工藝相比，材料利用率損失值需在15%以內(nèi)。

通過(guò)對(duì)車身沖壓零件進(jìn)行級(jí)進(jìn)模工藝統(tǒng)一規(guī)劃，如圖16所示，我們制定了級(jí)進(jìn)模工藝適用清單，最終級(jí)進(jìn)模工藝的應(yīng)用比例由以往項(xiàng)目的20%左右提升到該項(xiàng)目的53%，有效提升了該項(xiàng)目車身沖壓零件的自動(dòng)化生產(chǎn)水平并且降低了成本。

6 結(jié)論

（1）前期產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，結(jié)合工藝與產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)精益設(shè)計(jì)及精益工藝開發(fā)。

（2）通過(guò)對(duì)零件進(jìn)行全工序數(shù)值模擬分析，可以使模擬結(jié)果更接近于實(shí)際生產(chǎn)情況，進(jìn)而保證零件在級(jí)進(jìn)模工藝應(yīng)用中的可成形性和可制造性。

（3）料帶設(shè)計(jì)是級(jí)進(jìn)模排樣設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，對(duì)料帶設(shè)計(jì)優(yōu)化可以有效提升產(chǎn)品的材料利用率。

（4）級(jí)進(jìn)模設(shè)計(jì)靈活性大，制定方案需綜合考慮各方面的因素，并不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，提升工藝水平。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：鄭德兵（1984-），男，黑龍江鐵力人，本科，同步工程經(jīng)理，研究方向：沖壓同步工程&車身先進(jìn)成型工藝。