翼子板材料利用率提升方案研究

蔣 松，喻 航

（四川成飛集成科技股份有限公司，四川成都 610092）

1 引言

白車身鋼材采購(gòu)成本是車身采購(gòu)成本的重要組成部分，提升白車身材料利用率是降低汽車制造成本的重要手段[1～3]。翼子板是白車身重要組成部件，并且翼子板的材料利用率通常低于白車身材料平均利用率。在確定的制件造型下，如何提高翼子板的材料利用率顯得尤為重要。

2 問題分析

翼子板拉伸成形通常采用雙模膛，通過兩塊板料的方式實(shí)現(xiàn)左右件共模。當(dāng)客戶產(chǎn)線具備垂直于送料方向調(diào)整前后工位制件位置功能時(shí)，可以考慮一張板料一模雙件的成形方式。翼子板材料料片典型形狀如圖1 所示。通常翼子板的板料形狀以擺剪為主（圖1a、圖1b），遇到擺剪形式無法滿足拉伸成形性需求時(shí)，采用級(jí)進(jìn)落料或單片落料的方式進(jìn)行（圖1c、圖1d、圖1e）。翼子板的材料利用率有兩種計(jì)算方法：①以落料前方板料/擺剪后梯形板料的重量作為基準(zhǔn)（采購(gòu)卷料）；②以落料后板料的重量作為基準(zhǔn)（采購(gòu)落料后料片）。造成翼子板材料利用率較低的主要原因：將翼子板拉伸補(bǔ)充面按照?qǐng)D2方式分區(qū)，為了保證分模線光順、制件成形力平衡、制件減薄、沖擊線及控制棱線滑移等，區(qū)域1、2、5、6造型會(huì)帶來大量的材料浪費(fèi)，修邊線展開及控制材料減薄率造成3、4位置的補(bǔ)充面存在大量廢料，兩者共同作用，造成翼子板的材料利用率較低。

圖1 典型翼子板板料形狀

圖2 翼子板拉伸工藝補(bǔ)充面分區(qū)

3 材料利用率提升辦法

以購(gòu)買卷料的方式探討翼子板材料利用率提升思路：①優(yōu)化落料排樣在料片切斷處采用波浪形狀，減小送料步距，從而較小料片重量達(dá)到提高材料利用率目的；②通過沖壓工藝方案優(yōu)化：拉伸深度、補(bǔ)充面、分模線及拉伸筋形狀優(yōu)化，減小廢料區(qū)重量實(shí)現(xiàn)材料利用率的提高；③在生產(chǎn)條件允許的情況下采用雙拼的方式，減小拼合處廢料尺寸，提高材料利用率，如圖3所示。

圖3 翼子板材料利用率提升思路

以某車型翼子板為例，設(shè)計(jì)沖壓工藝對(duì)比分析優(yōu)化前、后成形性指標(biāo)及材料利用率提升情況。板料材料牌號(hào)DC54D，材料厚度0.6mm。其中：密度ρ=7,800kg/m3，屈服強(qiáng)度=160MPa，彈性模量E=211GPa，硬化指數(shù)n=0.22，強(qiáng)度系數(shù)k=537.2MPa，泊松比=0.3，厚向異性指數(shù)r=1.54，r0°=1.5，r45°=1.52，r90°=1.62。材料硬化曲線選擇Ludwik 公式表達(dá)，屈服準(zhǔn)則選擇Hill 屈服準(zhǔn)則，F(xiàn)LC 曲線選擇Keeler 公式。由于壓料面弧度較大，在板料送料方向前后設(shè)置擋料器，如圖4 所示。壓邊力及拉伸行程根據(jù)拉伸工藝具體情況設(shè)定，摩擦系數(shù)0.15，板料初始網(wǎng)格20mm。

圖4 有限元模型

3.1 拉伸深度及補(bǔ)充面形狀優(yōu)化

沖壓方向、拉伸成形后制件減薄率、塑形應(yīng)變、最小次應(yīng)變、滑移線、拉伸筋布局、材料尺寸關(guān)鍵點(diǎn)及修邊方式的選擇等綜合影響拉伸深度及補(bǔ)充面形狀設(shè)計(jì)[4～5]。通過沖壓工藝優(yōu)化降低整體拉伸深度及優(yōu)化補(bǔ)充面形狀是減少?gòu)U料區(qū)域占比，是提高材料利用率的直接手段。

翼子板拉伸深度及補(bǔ)充面優(yōu)化主要從優(yōu)化圖2中的2、3、4、6區(qū)域著手，在保證合理的修邊方式基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化。將圖2 中1、2、3 區(qū)域修邊線展開后全部或大部分在壓料面上，如圖5 所示，優(yōu)化后拉伸深度降低20mm，優(yōu)化前壓料力100t，優(yōu)化后壓料力120t；優(yōu)化前、后成形分析對(duì)比結(jié)果如圖6、圖7、圖8所示，優(yōu)化后局部最小次應(yīng)變小于零的區(qū)域略有增大，制件區(qū)域塑形應(yīng)變均大于0.04，制件A 面潛在面品缺陷區(qū)域位置及面積發(fā)生變化外，但與優(yōu)化前處于同一級(jí)別，優(yōu)化后材料利用率由44.5%提升到50.2%。

圖5 修邊線展開

圖6 最小次應(yīng)變

圖7 塑性應(yīng)變

圖8 潛在面品缺陷

3.2 板料形狀優(yōu)化

采用擺剪方式的料片（見圖9），在翼子板輪罩處存在較大區(qū)域的無效廢料；通過優(yōu)化輪罩部位補(bǔ)充面及分模線，調(diào)整板料輪廓，將輪罩處擺剪直線輪廓優(yōu)化成隨形曲線形狀，按圖10所示方式進(jìn)行落料排樣，實(shí)現(xiàn)無廢料落料。優(yōu)化后分析結(jié)果如圖11所示，與優(yōu)化前相比輪眉處局部最小次應(yīng)變小于零，但制件整體塑形應(yīng)變大于0.04，A面潛在面品缺陷在翼子板與發(fā)蓋搭接附近位置出現(xiàn)新增潛在缺陷區(qū)域，但與優(yōu)化前處于同一級(jí)別。優(yōu)化后材料利用率由50.2%提升至65.2%。

圖9 擺剪排樣方式

圖11 優(yōu)化后分析結(jié)果

3.3 拉伸筋形狀優(yōu)化

將拉伸成形深度降低后，拉伸成形后材料流入量不大；將普通的雙圓筋，更改為同阻力系數(shù)的檻形筋，進(jìn)一步減短拉伸筋部位廢料線長(zhǎng)；以圖12a 所示形狀的圓筋（線長(zhǎng)37.38mm）為例，更改為同樣阻力（圖12c、圖12d 分析結(jié)果）的拉伸檻（21.46mm）圖12 中b形狀，拉伸筋部位線長(zhǎng)相對(duì)于圓筋減短15.95mm。將圖13 中1、2、3 位置雙圓筋優(yōu)化為拉伸檻。優(yōu)化后材料利用率由65.2%提高到69.1%。

圖12 拉伸筋對(duì)比分析

圖13 拉伸筋優(yōu)化

3.4 拼合優(yōu)化

在圖13中區(qū)域2位置，當(dāng)采用雙模膛兩張板料方案時(shí)，存在拉伸筋部位及拉伸筋外廢料浪費(fèi)問題。按圖14 方式將制件進(jìn)行拼合，拉伸成形后（見圖15）最小次應(yīng)變、塑形應(yīng)變滿足工藝要求，潛在面品缺陷與兩張板料拉伸后處在同一級(jí)別。采用單張板料拼合的方式材料利用率為57.2%，由于落料過程中存在廢料造成材料利用率低于圖10方案方式，但高于圖9方案的擺剪方式。

圖14 拼合落料排樣

圖15 雙拼方式及分析結(jié)果

4 結(jié)論

從降低拉伸深度、補(bǔ)充面、分模線、拉伸筋形狀及拼合方式優(yōu)化方面提出提高翼子板材料利用率的方法。沖壓工藝設(shè)計(jì)中需要根據(jù)翼子板的制件形狀特點(diǎn)，結(jié)合客戶產(chǎn)線功能及車型產(chǎn)量，綜合考慮增開落料模的性價(jià)比，選擇合理的優(yōu)化措施，在確保制件質(zhì)量的前提下，實(shí)現(xiàn)制件材料利用率的提升。