汽車覆蓋件集成制造技術(shù)應(yīng)用研究

蔣 磊，王 龍，謝蛟龍，王大鵬，馬培兵，郭智敏

（東風(fēng)本田汽車有限公司 新車型中心，湖北 武漢 430056）

0 引言

近年來，隨著國(guó)內(nèi)汽車市場(chǎng)的逐漸飽和，汽車行業(yè)邁入微增長(zhǎng)、零增長(zhǎng)甚至負(fù)增長(zhǎng)時(shí)代[1]。汽車行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)也愈發(fā)激烈，一方面受原材料、物流、勞務(wù)等因素的影響，上游零部件采購(gòu)成本逐年上漲，另一方面為了保持市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，下游的終端銷售價(jià)格日趨下降[2]。在多重成本壓力下，汽車企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益被不斷壓縮，降低整車制造成本成為當(dāng)今汽車企業(yè)面臨的重要課題之一。以乘用車為例，縱觀整車成本，白車身制造成本約占整車成本的40%～50%，而汽車覆蓋件的制造成本在白車身成本中占比超過90%。因此降低汽車覆蓋件制造成本是削減整車成本、提高汽車企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的一項(xiàng)重要舉措[3]。

為了降低汽車覆蓋件制造成本，諸多學(xué)者進(jìn)行了相應(yīng)的研究及應(yīng)用。柳一凡等[4]在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝規(guī)劃及模具開發(fā)階段，借助沖壓成形虛擬分析軟件，分析零件的成形性和可利用的廢料大小，實(shí)現(xiàn)天窗縱梁加強(qiáng)板和天窗框架同步成形，減少了沖模數(shù)量，降低了沖壓原材料的費(fèi)用。蔣磊等[5]針對(duì)汽車側(cè)圍外板傳統(tǒng)拉深工藝材料利用率低、生產(chǎn)成本高等問題，提出可提升材料利用率的淺拉深工藝方案，通過將側(cè)圍外板側(cè)翻邊法蘭展開作為壓料面，降低拉深深度，減少拉深工藝補(bǔ)充面以減小坯料尺寸，使側(cè)圍外板材料利用率達(dá)到47%，節(jié)約了材料成本。曹江懷等[6]提出一種在后蓋外板窗框處嵌套前門把手加強(qiáng)板的套模工藝方法，節(jié)省了沖模制造成本和材料消耗，并提高了生產(chǎn)效率。趙鴻鵠等[7]通過對(duì)不同零件的排列組合及組合體成形性分析，合理設(shè)計(jì)各工序沖壓工藝，實(shí)現(xiàn)6個(gè)零件的組合生產(chǎn)，減少了沖模開發(fā)成本。趙烈偉等[8]基于有限元平臺(tái)對(duì)天窗加強(qiáng)框和天窗加強(qiáng)框連接梁套件成形工藝進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，使材料利用率較單件由40.11%提升至45.06%，降低了零件材料成本。上述研究均是通過提高材料利用率或采用一模多件的嵌套成形工藝來降低汽車覆蓋件制造成本，在一定程度上減少了材料消耗和工裝費(fèi)用，但是對(duì)于一臺(tái)白車身，總零件數(shù)量并未減少，汽車覆蓋件的焊接成本仍未降低。

基于以上研究，提出一種汽車覆蓋件集成制造技術(shù)，根據(jù)白車身裝配關(guān)系，將后流水槽集成至側(cè)圍外板的行李箱蓋配合部，使二者融合成一個(gè)新的零件。運(yùn)用有限元分析技術(shù)對(duì)其進(jìn)行全工序成形數(shù)值模擬，驗(yàn)證集成制造技術(shù)的可行性，結(jié)合有限元分析結(jié)果對(duì)成形工藝進(jìn)行優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用，并降低了汽車覆蓋件沖壓、焊接的綜合制造成本。

1 產(chǎn)品集成方案

側(cè)圍外板與后雨水槽集成方案如圖1所示，二者材料均為JAC270F-45/45，料厚均為0.65 mm。集成之前，后雨水槽通過8個(gè)焊點(diǎn)與側(cè)圍外板連接成一體，并與側(cè)圍外板存在10 mm的法蘭搭接量。研究的集成方案為：將后雨水槽焊接邊修剪10 mm，并沿修剪后的邊線與側(cè)圍外板進(jìn)行縫合，使2個(gè)零件在不改變整車裝配關(guān)系的前提下實(shí)現(xiàn)集成，得到集成化的側(cè)圍外板。

圖1 側(cè)圍外板與后雨水槽集成

2 沖壓工藝方案

集成化側(cè)圍外板與傳統(tǒng)側(cè)圍外板相比，在行李箱蓋配合處結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，如圖2（a）所示。通過圖2（b）所示的截面分析可知，行李箱蓋配合處在沖壓方向存在較大負(fù)角，負(fù)角區(qū)域的寬度達(dá)到60 mm，深度最大達(dá)到20 mm，同時(shí)該區(qū)域均采用小圓角過渡，圓角半徑均在R5 mm以下，成形難度較大。傳統(tǒng)側(cè)圍外板行李箱蓋配合處為10～15 mm寬的法蘭，采用過拉深+側(cè)翻邊即可成形，工藝相對(duì)簡(jiǎn)單。集成化側(cè)圍外板行李箱蓋配合處由于存在多重曲面以及圓弧結(jié)構(gòu)，過拉深后無(wú)法直接側(cè)翻邊實(shí)現(xiàn)成形，需要采用側(cè)翻邊與側(cè)整形的復(fù)合工藝。

圖2 集成化側(cè)圍外板行李箱蓋配合處結(jié)構(gòu)

根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、零件尺寸公差要求、沖壓設(shè)備約束條件及成本最小化等考慮，設(shè)計(jì)了4道工序的集成化側(cè)圍外板成形工藝方案：第1道工序?yàn)槔睿瓿伤型獗砻鎱^(qū)域的一次拉深成形以及前風(fēng)擋搭接處、頂蓋搭接處、后風(fēng)擋搭接處、行李箱蓋配合處、尾燈配合處、后部配合處、輪拱處、加油口、后三角窗配合處、前門洞、后門洞等區(qū)域的過拉深成形；第2道工序?yàn)樾捱?整形+沖孔，完成沿周外輪廓修邊，前、后門洞區(qū)域以及加油口區(qū)域內(nèi)孔修邊，前、后門洞區(qū)域和后三角窗配合處整形；第3道工序?yàn)榉?整形，完成前風(fēng)擋搭接處、頂蓋搭接處、后風(fēng)擋搭接處翻邊，輪拱處預(yù)翻邊，行李箱蓋配合處、尾燈配合處、后保險(xiǎn)杠配合處以及加油口區(qū)域翻邊整形；第4道工序?yàn)榉?沖孔，完成輪拱處翻邊以 及所有沖孔。具體成形工藝方案如圖3所示。

圖3 集成化側(cè)圍外板成形工藝方案

3 成形工藝數(shù)值模擬

3.1 材料參數(shù)

由上述可知，集成化側(cè)圍外板采用的材料為JAC270F-45/45，屬于熱鍍鋅鐵合金鍍層軟鋼薄板，合金鍍層質(zhì)量為45 g/m2，鍍層中鐵含量通常為8%～15%，其化學(xué)成分、力學(xué)性能與寶鋼DC56D+ZF材料相近。JAC270F-45/45材料特性如表1所示。

表1 JAC270F-45/45材料特性

采用應(yīng)力應(yīng)變曲線定義材料硬化曲線，材料屈服面模型選擇含有剪切應(yīng)力分量的Hill-90。Hill-90屈服模型不僅包含了材料的厚向異性指數(shù)，還包含了材料在不同方向上的屈服應(yīng)力，能更好地表征單向屈服應(yīng)力和厚向異性指數(shù)的變化，具有較好的靈活性，使數(shù)值模擬結(jié)果與試模試驗(yàn)結(jié)果更相符。

3.2 有限元分析

將集成化側(cè)圍外板全工序工藝數(shù)模另存為IGS格式，并導(dǎo)入AutoForm軟件中。根據(jù)工藝方案在AutoForm軟件中依次進(jìn)行工序規(guī)劃、板料設(shè)計(jì)、工具體設(shè)定以及工藝參數(shù)設(shè)置，得到圖4所示的有限元模型。由于生產(chǎn)該集成化側(cè)圍外板的沖壓車間運(yùn)用清洗機(jī)對(duì)板料進(jìn)行清洗和潤(rùn)滑，且沖模采用全型面鍍鉻處理，材料在沖壓成形過程中所受到的摩擦阻力較小。結(jié)合沖模調(diào)試經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際工況條件，將有限元分析所用的摩擦系數(shù)設(shè)置為0.125，壓力機(jī)滑塊行程設(shè)置為900 mm，沖壓速度設(shè)置為1 500 mm/s，壓邊力、壓邊圈行程、壓料力、壓料板行程等工藝參數(shù)分別單獨(dú)設(shè)置，具體工藝參數(shù)如表2所示。

表2 側(cè)圍外板沖壓工藝參數(shù)

圖4 集成化側(cè)圍外板有限元模型

有限元分析所用的模面為CAD軟件設(shè)計(jì)的精細(xì)化工藝數(shù)模，為了保證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，需將工程階段（engineering phase）類型設(shè)置為“FV(final validation)”，并將主單元格大?。╩aster element size）調(diào)整為12 mm，之后即可提交求解器進(jìn)行迭代計(jì)算，集成化側(cè)圍外板全工序沖壓成形數(shù)值模擬結(jié)果如圖5所示。

由圖5（a）可知，集成化側(cè)圍外板全工序沖壓成形均位于安全區(qū)域，未超出材料的成形極限，無(wú)開裂風(fēng)險(xiǎn)。由圖5（b）可知，集成化側(cè)圍外板成形充分，無(wú)塑性變形不足，說明零件成形質(zhì)量良好。雖然集成化側(cè)圍外板在全工序沖壓成形過程中未出現(xiàn)開裂、剛性不足等質(zhì)量缺陷，但在行李箱蓋配合處出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的起皺。對(duì)板料起皺因子進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)行李箱蓋配合處最大起皺因子達(dá)到了0.165，如圖5（c）所示，大于企業(yè)內(nèi)汽車覆蓋件內(nèi)表面起皺因子的判斷標(biāo)準(zhǔn)（＜0.05）[9]，表明零件起皺風(fēng)險(xiǎn)大。通過成形過程分析，發(fā)現(xiàn)行李箱蓋配合處起皺發(fā)生在工序3，在工序3成形到底前10 mm時(shí)，即出現(xiàn)目視可見的起皺，如圖5（d）所示，當(dāng)工序3成形到底時(shí)，行李箱蓋配合處出現(xiàn)了疊料，說明起皺較嚴(yán)重。

圖5 集成化側(cè)圍外板全工序沖壓成形數(shù)值模擬

4 成形工藝優(yōu)化

4.1 起皺原因分析

由于融合了后雨水槽，集成化側(cè)圍外板行李箱蓋配合處負(fù)角法蘭寬度相對(duì)于傳統(tǒng)側(cè)圍外板成倍增加，翻邊整形深度也更深。為了不增大板料尺寸，保證零件集成后材料利用率不變，并降低拉深開裂風(fēng)險(xiǎn)，在設(shè)計(jì)拉深工序數(shù)模時(shí)，運(yùn)用淺拉深工藝，即將行李箱蓋配合處的負(fù)角法蘭展開，使修邊線位于壓料面上，達(dá)到降低拉深深度、減少工藝補(bǔ)充面的目的，如圖6（a）、（b）所示。但淺拉深工藝的應(yīng)用又帶來新的問題，即工藝補(bǔ)充面與零件面偏差過大，后工序翻邊整形時(shí)，材料流動(dòng)不可控，切向得不到有效伸展，易產(chǎn)生多料起皺。利用工序3有限元模型（見圖6（c））對(duì)成形過程進(jìn)行分析，當(dāng)距離下止點(diǎn)20 mm時(shí)，行李箱蓋配合處側(cè)翻邊整形開始成形，受產(chǎn)品結(jié)構(gòu)自身局限性影響，成形初始階段側(cè)翻邊整形凹模工作型面未能同時(shí)與零件接觸，下部刃口最先觸料，如圖6（d）所示。當(dāng)距離下止點(diǎn)10 mm時(shí)，側(cè)翻邊整形凹模上部刃口才開始觸料。此時(shí)，一部分材料被約束至側(cè)翻邊整形凹模上、下部刃口之間，在切向壓應(yīng)力Fa、Fb的作用下，材料發(fā)生失穩(wěn)并處于懸空狀態(tài)，如圖6（e）所示。隨著側(cè)翻邊整形凹模不斷向前運(yùn)動(dòng)，材料壓縮失穩(wěn)效應(yīng)不斷加劇，并最終形成起皺。

圖6 集成化側(cè)圍外板行李箱蓋配合部起皺原因分析

4.2 起皺優(yōu)化對(duì)策

根據(jù)上述起皺原因分析可知，造成集成化側(cè)圍外板行李箱蓋配合處起皺的主要原因?yàn)閭?cè)翻邊整形量過大，需要減小行李箱蓋配合處的側(cè)翻邊整形量。由于調(diào)整工序1的過拉深設(shè)計(jì)過于繁瑣且耗時(shí)較長(zhǎng)，需要反復(fù)進(jìn)行成形仿真驗(yàn)證，采取更易于操作的后工序工藝優(yōu)化方法，將行李箱蓋配合處的側(cè)翻邊整形進(jìn)行工序拆解，在工序2增加預(yù)成形，以減小工序3側(cè)翻邊整形量，降低切向壓應(yīng)力對(duì)材料的影響，改善工序3側(cè)翻邊整形過程中材料的懸空狀態(tài)，具體工藝優(yōu)化方案如圖7所示。

圖7 工藝優(yōu)化方案

利用優(yōu)化后的工藝數(shù)模再次對(duì)集成化側(cè)圍外板進(jìn)行全工序沖壓成形有限元分析，得到的起皺分析結(jié)果如圖8所示。由圖8可知，工藝優(yōu)化后行李箱蓋配合處最大起皺因子為0.045，滿足起皺因子＜0.05的判斷標(biāo)準(zhǔn)，說明零件發(fā)生起皺風(fēng)險(xiǎn)較小，可判定行李箱蓋配合處起皺問題得到解決。

圖8 工藝優(yōu)化方案數(shù)值模擬驗(yàn)證

5 方案驗(yàn)證

將優(yōu)化后的沖壓工藝數(shù)模用于集成側(cè)圍外板沖模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并用數(shù)值模擬結(jié)果指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)試模，使板料尺寸、試模工藝參數(shù)、拉深材料流入量與數(shù)值模擬保持一致。最終調(diào)試穩(wěn)定后獲得的集成化側(cè)圍外板工序件和完成件如圖9所示。由圖9可知，集成化側(cè)圍外板成形質(zhì)量良好，無(wú)開裂、起皺以及成形不充分等質(zhì)量缺陷，與數(shù)值模擬結(jié)果相符，達(dá)到了批量生產(chǎn)的質(zhì)量要求，實(shí)現(xiàn)了側(cè)圍外板和后雨水槽的集成制造。

圖9 集成化側(cè)圍外板工序件和完成件

應(yīng)用集成制造技術(shù)之前，后雨水槽為外購(gòu)件，每件采購(gòu)成本為9.6元。后雨水槽和側(cè)圍外板通過8個(gè)焊點(diǎn)焊接成側(cè)圍總成，每個(gè)焊點(diǎn)成本為0.5元。應(yīng)用集成制造技術(shù)后，側(cè)圍外板工序2、3模具用于預(yù)成形和側(cè)整形的鑲件體積略有增加，但對(duì)于模具整體制造成本影響不大，可忽略不計(jì)。由計(jì)算可知，應(yīng)用集成制造技術(shù)之后，可節(jié)約整車制造成本為9.6×2+0.5×8×2=27.2元/臺(tái)。

6 結(jié)束語(yǔ)

（1）提出了汽車覆蓋件集成制造技術(shù)，將側(cè)圍外板和后雨水槽進(jìn)行結(jié)構(gòu)融合，獲得了集成化側(cè)圍外板，減少了白車身構(gòu)成件的數(shù)量，節(jié)約了整車制造成本。

（2）借助有限元分析軟件對(duì)集成化側(cè)圍外板全工序沖壓成形過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，識(shí)別了零件集成所帶來的起皺缺陷，通過增加預(yù)成形工藝，解決了行李箱蓋配合處起皺問題。

（3）利用數(shù)值模擬結(jié)果指導(dǎo)集成化側(cè)圍外板現(xiàn)場(chǎng)試模，獲得了良好的成形效果，驗(yàn)證了側(cè)圍外板和后雨水槽集成制造應(yīng)用的可行性，研究表明，基于有限元分析的沖壓工藝設(shè)計(jì)與優(yōu)化可以實(shí)現(xiàn)汽車覆蓋件的集成制造，對(duì)于汽車行業(yè)成本控制具有一定的指導(dǎo)意義。