汽車結(jié)構(gòu)件沖壓工藝設(shè)計(jì)優(yōu)化

安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司 合肥 230001

汽車結(jié)構(gòu)件是形成汽車骨架、影響汽車結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、安全性以及支撐汽車各類元器件的零件。在汽車產(chǎn)品開發(fā)中，結(jié)構(gòu)件零件數(shù)量多，其搭建關(guān)系較為復(fù)雜，成為汽車車身精度、強(qiáng)度以及整車開發(fā)成本的重要影響因素。

產(chǎn)品數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)完成后，工藝設(shè)計(jì)部門對零件進(jìn)行沖壓件工藝規(guī)劃和計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE分析），一般是從成形性、零件品質(zhì)保證、模具強(qiáng)度和修邊工藝可行性、生產(chǎn)成本等方面提出問題和風(fēng)險，以ECR（工程變更申請單）的形式反饋給產(chǎn)品設(shè)計(jì)部門，由產(chǎn)品設(shè)計(jì)部門對產(chǎn)品數(shù)據(jù)進(jìn)行修改和優(yōu)化，從而達(dá)到減少模具開發(fā)成本，優(yōu)化生產(chǎn)工藝，提高整車產(chǎn)品質(zhì)量的目的。如圖1所示，是汽車零件工藝設(shè)計(jì)的一般流程。

成形性分析

1）沖壓件的圓角半徑太小，會造成局部過尖，零件減薄率超過極限，從而引起零件開裂。一般情況下汽車內(nèi)板結(jié)構(gòu)件圓角半徑應(yīng)盡量大于3mm，以避免增加模具數(shù)量；局部凸包或凹坑的圓角半徑盡量大于8mm，具體圓角半徑的尺寸與零件材質(zhì)和形狀等因素相關(guān)，可以通過對產(chǎn)品數(shù)模的CAE分析，計(jì)算零件的減薄率，確認(rèn)圓角處是否會出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，根據(jù)分析結(jié)果選擇滿足零件成形要求的合理圓角半徑。

圖1 汽車零件工藝設(shè)計(jì)流程

如圖2所示，某車型頂蓋橫梁的零件數(shù)模，在產(chǎn)品SE數(shù)據(jù)階段，橫梁上部凸臺沉孔的圓角半徑是5mm，經(jīng)CAE分析，拉延過程中，此凸臺圓角根部已超出成形極限，圓角有開裂的風(fēng)險，經(jīng)初步分析，將沉臺圓角半徑增大至7mm可消除開裂。通過對數(shù)模整體的排查，優(yōu)化數(shù)模質(zhì)量。

沖壓件的拉延深度或翻孔高度應(yīng)在合理的范圍內(nèi)，特別要注意局部拉延深度或翻孔較深的部位，由于減薄率過大很容易引起開裂，可以通過CAE分析軟件確認(rèn)是否會出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，從而對零件結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)置減少拉延深度的特征或改變成形工藝，優(yōu)化材料流動特性，避免開裂現(xiàn)象。某零件安裝板翻邊孔的優(yōu)化過程如圖3所示。

圖2 產(chǎn)品R角優(yōu)化

孔1#、2#、3#、4#原來為翻邊孔結(jié)構(gòu)，翻邊高度為5mm，工藝為沖孔-翻邊（孔），經(jīng)分析由于翻邊（孔）高度較高，翻邊孔四周存在開裂現(xiàn)象，經(jīng)產(chǎn)品優(yōu)化，1#、4#沖孔翻邊結(jié)構(gòu)改為臺階孔結(jié)構(gòu)，工藝改為先成形凸臺，再進(jìn)行凸臺沖孔；2#、3#通過加大翻邊底部圓角和四周圓角，同時翻邊高度從3mm改為1mm，可改善零件翻邊孔開裂的現(xiàn)象。

圖3 某零件安裝板的翻邊孔優(yōu)化

沖壓件存在負(fù)角，在沖壓成形過程中，會造成產(chǎn)品件脫模困難無法正常取件，或者需要增加額外的工序?qū)崿F(xiàn)，因此零件應(yīng)帶有一定的拔模角，拉延深度較大的零件或者高強(qiáng)板零件的拔模角應(yīng)適當(dāng)增大。在數(shù)模分析階段，首先通過產(chǎn)品工藝分析，確定零件的沖壓方向，在選定的沖壓方向生產(chǎn)時，如果零件型面和沖壓方向之間存在負(fù)角，應(yīng)進(jìn)行產(chǎn)品優(yōu)化，避免因負(fù)角的存在無法從模具取出零件，導(dǎo)致工序增加或模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜化。

某項(xiàng)目水箱上橫梁內(nèi)板如圖4所示，初始數(shù)模（見圖4a）在選定的沖壓方向生產(chǎn)時，存在一定的負(fù)角，生產(chǎn)工藝無法實(shí)現(xiàn)，經(jīng)沉臺側(cè)面角度優(yōu)化后（見圖4b），可在不增加工序的情況下，滿足一次性成形要求。

圖4 水箱上橫梁內(nèi)板拔模角優(yōu)化

確認(rèn)沖壓件的結(jié)構(gòu)形狀和結(jié)構(gòu)特征是否有利于保證其成形充分性，零件成形不充分的部位會存在剛性不足的問題，因此需要注意拉延深度較淺和無造型特征的平坦部位，可以通過增加特征來提高零件的變形程度。一般通過CAE分析軟件來確認(rèn)沖壓件是否變形充分。

圖5 零件起皺

檢查沖壓件是否存在形狀變化較大的部位，在拉延過程中可能出現(xiàn)材料受力不均的情況，導(dǎo)致材料流動失穩(wěn)而出現(xiàn)局部起皺。圖6是某項(xiàng)目頂蓋前橫梁的造型設(shè)計(jì)，由于凸臺前緣的造型存在較大的臺階，經(jīng)分析會出現(xiàn)起皺的問題，可以通過減小相鄰兩部分的臺階差的方法解決起皺的問題。

圖6 頂蓋前橫梁

零件品質(zhì)保證

檢查易回彈類的沖壓件是否在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了防回彈設(shè)計(jì)，梁類件和高強(qiáng)鋼類的零件容易產(chǎn)生回彈，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時應(yīng)檢查沖壓件是否設(shè)置了防止回彈的特征，是否在零件圓角部位或零件的側(cè)壁增加防止回彈的特征筋。

孔邊緣距離翻邊圓角末端的距離不宜過小，以避免翻邊時孔變形，保證翻邊后的孔徑精度。

模具強(qiáng)度及修邊沖孔工藝的可行性

檢查修邊線位置的合理性。修邊線位置不合理會導(dǎo)致修邊刀塊強(qiáng)度不足，影響模具壽命，如圖7a圓圈處，因邊線形狀變化較大，無法保證刃口強(qiáng)度，如圖7b分析所示，會影響零件質(zhì)量和模具壽命，可以按圖7c優(yōu)化零件邊線。

圖7 刃口強(qiáng)度優(yōu)化

沖孔位置的合理性。沖孔位置不合理會導(dǎo)致壓料芯或下模刃口強(qiáng)度不足，從而影響模具壽命。同時孔的位置設(shè)置，應(yīng)保證沖頭的合理空間，避免沖孔過程中與零件型面干涉。圖8a孔距離零件邊緣過近，無法保證孔精度，同時圖8b的翻邊負(fù)角與沖頭干涉，沖孔無法實(shí)現(xiàn)，孔位置需要向內(nèi)部移動。

圖8 沖孔位置不合理

生產(chǎn)成本

在工藝規(guī)劃階段預(yù)估大型沖壓件模具尺寸，結(jié)合生產(chǎn)場地的機(jī)床臺面對零件形狀或尺寸進(jìn)行優(yōu)化，不符合所選定生產(chǎn)線要求的零件，應(yīng)及時進(jìn)行調(diào)整，在滿足沖壓生產(chǎn)要求的前提下，盡量選擇成本較低的機(jī)床。

結(jié)構(gòu)件中的安裝板、加強(qiáng)板等零件，在符合功能要求和焊接性能的前提下，確保零件的結(jié)構(gòu)和沖壓生產(chǎn)工藝簡單，模具結(jié)構(gòu)合理，同時盡量減少模具的數(shù)量，

零件結(jié)構(gòu)可以保證通過合理排樣、合適的成形工藝以及零件合模生產(chǎn)等方法，提升整車材料利用率，對降低材料利用率的零件特征進(jìn)行修改。

結(jié)語

1）分析零件在拉延和成形工藝中存在開裂、起皺的部位，通過優(yōu)化圓角，增加特征筋消除風(fēng)險；零件應(yīng)盡量減少負(fù)角特征，工藝可實(shí)現(xiàn)，同時應(yīng)滿足模具數(shù)量最小化。

2）根據(jù)零件材質(zhì)和形狀特征，分析可能存在的回彈、扭曲及局部變形等風(fēng)險，進(jìn)行特征優(yōu)化和工藝預(yù)防。

3）保證零件在翻邊過程不開裂，沖孔位置設(shè)置合理，生產(chǎn)過程無干涉或者因孔距離不合理造成模具強(qiáng)度降低，減小零件變形。

4）零件形狀的設(shè)定應(yīng)考慮提升材料利用率、減少模具數(shù)量、結(jié)構(gòu)簡單及生產(chǎn)線布置合理等因素，降低生產(chǎn)成本。