沖壓同步工程在某重型車項目的應用

趙鴻鵠，盧 橋，劉春雨，丁文軍，李 輝

（安徽江淮汽車集團股份有限公司 技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

汽車開發(fā)是一種運行周期長、資金投入大、技術(shù)集中、參與部門及人員眾多的開發(fā)項目。隨著中國自主品牌汽車的崛起和振興，逐漸從以往的串行開發(fā)模式進步成并行開發(fā)模式，即汽車同步工程。沖壓同步工程是在車身結(jié)構(gòu)件設(shè)計過程中考慮沖壓制作過程的各種因素，以實現(xiàn)零件設(shè)計和制作過程的集成與并行的系統(tǒng)方法。它要求沖壓工藝人員要同步的參與到汽車零件設(shè)計中，通過不斷的發(fā)現(xiàn)問題，與設(shè)計者、相關(guān)方溝通討論，提出解決問題的方案，不斷提升產(chǎn)品的工程可行性和質(zhì)量。

沖壓同步工程實施的目的是：確保產(chǎn)品設(shè)計的可制造性，保證沖壓零件首次提樣的項目節(jié)點；減少樣車試制期間的產(chǎn)品設(shè)變，節(jié)省工裝整改費用；優(yōu)化產(chǎn)品分塊及板料排樣，提高材料利用率，降低采購成本；合理規(guī)劃沖壓工序，確保生產(chǎn)穩(wěn)健性，提高設(shè)備利用率。明確了沖壓同步工程的實施目的后，結(jié)合本重型車項目實際，首先成立了沖壓同步工程小組，確定人員構(gòu)架及職責[1]，為項目工作的推進做好人力準備、組織準備、技術(shù)準備。

某重型車項目開發(fā)基本階段包括標桿車分析階段、模型設(shè)計階段、數(shù)據(jù)設(shè)計階段、樣車制作階段[2]、試生產(chǎn)階段、小批量生產(chǎn)階段。沖壓同步工程在不同的階段有不同的工作內(nèi)容及側(cè)重點，本文主要集中在前四個階段的沖壓同步工作，下面進行分別說明。

1 標桿車分析階段

標桿車分析階段，需要沖壓工藝人員通過拆解標桿車來熟悉車身結(jié)構(gòu)，分析關(guān)鍵零件的沖壓工藝性[3]，為接下來的工藝分析做好技術(shù)儲備。本階段沖壓工藝人員的工作共包含兩方面內(nèi)容：標桿車工藝分析與沖壓生產(chǎn)能力規(guī)劃分析。標桿車工藝分析首先要求沖壓工藝人員對競品零件品質(zhì)進行檢查，熟悉標桿車輛整體結(jié)構(gòu)，了解車身零件成形工藝和工序數(shù)、零件材質(zhì)使用情況，初步估算出競品車輛的材料利用率，其次需要識別并學習標桿車上采用的新工藝、特殊工藝，從而實現(xiàn)有競爭優(yōu)勢的產(chǎn)品設(shè)計。沖壓生產(chǎn)能力評估分析需結(jié)合本公司的生產(chǎn)現(xiàn)狀對沖壓生產(chǎn)能力進行分析，如機床臺面尺寸、壓機噸位、產(chǎn)能評估、工位器具存放場地，物流面積需求等各個方面進行規(guī)劃。

如圖1a所示為某標桿車后圍外板零件，該零件外形尺寸約為2380mm×1630mm×90mm，對標設(shè)計后本項目后圍外板也基本在該尺寸范圍內(nèi)，如圖1b所示，因此沖壓同步工程人員初步估算該零件生產(chǎn)的拉延模具長寬尺寸為3650mm×2480mm，且必須滿足拉延頂桿約13排的要求。經(jīng)過對本公司的重型車沖壓車間的壓力機設(shè)備調(diào)研后發(fā)現(xiàn)，該生產(chǎn)線最大設(shè)備為16000kN四點多連桿機械壓力機，工作臺尺寸為4000mm×2200mm，可用的拉延頂桿排數(shù)為10排，因此該拉延模具寬度方向超出機床臺面，且無法使用拉延頂桿，不能滿足主機廠的生產(chǎn)要求。

圖1 某后圍外板

要想實現(xiàn)所開發(fā)零件的順利投產(chǎn)，可以采用以下3個方案解決：①增加寬度超過2480mm的新的沖壓設(shè)備；②在設(shè)計造型階段，將零件進行切分設(shè)計，保證切分后的零件能滿足現(xiàn)有的生產(chǎn)設(shè)備；③選擇合適的沖壓設(shè)備，將模具進行外協(xié)生產(chǎn)。

經(jīng)分析后方案①存在投入費用多，建設(shè)周期長，設(shè)備利用率不高的風險，方案②對零件的整體性進行了破壞，且不能滿足設(shè)計意圖，因此開發(fā)項目組選擇了方案③，梳理出主機廠及外協(xié)單位的全部設(shè)備，預先針對該件制定生產(chǎn)預案，安排零件進行外協(xié)生產(chǎn)，最終規(guī)劃在合理的生產(chǎn)廠區(qū)完成了零件的生產(chǎn)制造。如果在產(chǎn)品開發(fā)初期沒有做好分析工作，在模具開發(fā)階段才發(fā)現(xiàn)類似問題，無疑會延遲模具開發(fā)周期，影響整個項目的開發(fā)進度。

2 模型設(shè)計階段

模型設(shè)計階段主要工作為模型分析、主斷面分析。

模型分析主要針對的是車身外覆蓋零件的工藝分析及確定車身狀態(tài)匹配程度，沖壓工藝人員需在汽車外觀造型出來之后，為減少沖壓缺陷，降低外覆蓋件質(zhì)量控制難度，對存在工藝缺陷的部位，提出改善對策，提高工藝可操作性。這一階段的分析結(jié)果對產(chǎn)品造型風格起到引導作用，為最終造型方案的確定提供參考依據(jù)。通常在乘用車項目中，多針對側(cè)圍外板、翼子板、發(fā)動機蓋外板、前后車門外板、行李箱外板等零件進行重點關(guān)注，在本重型車項目中，涉及到的外覆蓋件有側(cè)圍外板、車門外板、頂蓋外板、后圍外板等，這是與乘用車項目的不同之處。

主斷面分析是在造型部門提供車身主斷面的基礎(chǔ)上，沖壓同步工程人員對零件形狀進行簡化，在設(shè)計初期控制零件的成型難度，對沖壓成形性研究、沖壓方向選擇、零件R分析。如圖2所示為前圍模塊的風窗下橫梁外板，根據(jù)主斷面圖顯示，該件拔模角度為89.95°，呈負角狀態(tài)。為了保證零件的順利拔模，必須對該夾角進行放大。沖壓同步工程人員以ECR的形式提出角度變更，從而規(guī)避了零件型面設(shè)計時的缺陷出現(xiàn)。

圖2 某前圍模塊主斷面圖

3 數(shù)據(jù)設(shè)計階段

某重型車項目的數(shù)據(jù)設(shè)計共計分為四個階段：招標數(shù)模、SE數(shù)模、模具設(shè)計數(shù)模、NC數(shù)模。這一階段數(shù)據(jù)版本多，設(shè)計周期長，是沖壓同步工程人員提升產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量貢獻最大的階段。沖壓同步人員從沖壓工藝性、模具結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品品質(zhì)、生產(chǎn)線規(guī)劃、模具成本等因素出發(fā)，運用計算機輔助工程進行沖壓工藝分析，完成CAE分析報告和ECR報告。

沖壓成形的計算機仿真模擬實際上是利用數(shù)字模擬技術(shù)分析零件成形的全過程，用仿真計算來模擬實際的模具調(diào)試，計算的過程其實是一個不斷調(diào)整試錯的過程，通過調(diào)整工藝補充面形狀、坯料線的尺寸、拉延筋的位置及成型力大小，甚至于推翻原有工藝方案重新制作工藝補充面、設(shè)置坯料線和拉延筋，使之達到良好成形效果，在反復修改無法得到良好成形效果的前提下，對產(chǎn)品設(shè)計人員提出零件優(yōu)化方向，以減少后期設(shè)變修改模具的風險。

通常該階段一個完整的工作結(jié)果評價包括以下要素：沖壓工藝的合理定義方案；模具工序比的提升方案；單件及整體材料利用率提升方案；零件開裂產(chǎn)生的位置判斷及改善方案；起皺可能產(chǎn)生的位置及改善方案；回彈可能產(chǎn)生的位置及改善方案；沖擊線、滑移線可能產(chǎn)生的位置及改善方案；零件包邊的分析、模具結(jié)構(gòu)中回退空間的分析。

如圖3a所示為某門框外板零件，該零件材質(zhì)為DC05，料厚為1.0mm，零件左下方拐角處圓角R值為R10mm，如圖3b所示。經(jīng)計算模擬后顯示該處出現(xiàn)側(cè)壁拉延開裂的缺陷，沖壓同步人員了解到該處可以變動的型面范圍后，將拐角處R值增大至R25mm，并對兩R過渡區(qū)進行變R處理，如圖3c所示，再次進行模擬分析產(chǎn)品無開裂，可以滿足成形性要求，基于此沖壓同步人員提交更改R值的ECR，反饋至產(chǎn)品設(shè)計者。

如圖4a所示為膨脹水箱罩板，該零件材質(zhì)為DC03，料厚為1.0mm，零件Z方向深度約為177mm，運用計算機模擬軟件分析后發(fā)現(xiàn)零件周圈側(cè)壁處出現(xiàn)嚴重拉延開裂，最大減薄率超過0.30，如圖4b所示。沖壓同步工程人員通過與產(chǎn)品設(shè)計者溝通后先將開裂缺陷區(qū)域的R角由R20mm變更為R30mm，并進行局部球化處理，再次分析依然出現(xiàn)開裂情況。比對表1可知DC03和DC06的冷軋鋼極限減薄率分別為0.26和0.29，因此沖壓同步工程人員提出將材質(zhì)變更為DC06，分析結(jié)果顯示局部的最大減薄率為0.28，整體的零件成型性較好，如圖4c所示。

材料利用率是指車身的實際質(zhì)量和進行工藝處理前的板材的質(zhì)量之比[4]，通常它通過材料損失率加以轉(zhuǎn)換，材料利用率=（板材質(zhì)量-零件質(zhì)量）/板材質(zhì)量×100%，故需對影響板材尺寸的產(chǎn)品形狀進行提前更改，以便提高材料利用率，如圖5a所示為后圍內(nèi)板本體，該零件材質(zhì)為DC03，料厚為0.8mm。該零件成形性良好，但由于零件的搭接關(guān)系使得零件突出四個搭接臂，計算后該零件的材料利用率約為50.27%，對整車的材料利用率貢獻度較小。沖壓同步工程人員經(jīng)分析后，提出零件拆分方案，將原來一個大件拆分成五個小件，如圖5b所示，拆分后的零件寬度由原來的2052mm縮減為1712mm，依然采用原來的材質(zhì)及鑄造模具的工藝方案，剩下的四個上、下連接板零件采用鋼板模具的工藝方案，并將材質(zhì)降低為DC01系列，料厚保持不變。通過零件拆分，提升了整體的材料利用率4.32%，同時又降低了沖壓開發(fā)成本。拆分對比見表2。

表1 沖壓板材減薄率

圖3 某門框外板零件

圖4 某膨脹水箱罩板

圖5 某后圍內(nèi)板本體

圖6 某車門內(nèi)板

表2 后圍內(nèi)板本體拆分對比表

圖7 某頂棚支架

在汽車白車身結(jié)構(gòu)件中，如側(cè)圍外板、全景天窗頂蓋外板、車門門框外板等會在中間區(qū)域存置有大片的廢料，在數(shù)據(jù)設(shè)計階段沖壓同步工程人員就要與產(chǎn)品設(shè)計者一同，通過工藝手段將這些特定零件的廢料加以利用，以提升整車的材料利用率。如圖6a為某重型車項目的車門內(nèi)板，零件材質(zhì)為DC04，料厚為1.0mm，零件外形尺寸為1606mm×1168mm×155mm，采用開卷落料后進行拉延成形的工藝方案，落料的坯料尺寸為1745mm×1350mm，中間區(qū)域廢料空間約為1350mm×808mm，如圖6b所示。圖7a所示為頂棚支架，零件材質(zhì)為DC01，料厚為1.0mm，零件外形尺寸為158mm×67mm×62mm，采用排樣成形的工藝方案，展開后坯料尺寸為250mm×68mm，經(jīng)分析后發(fā)現(xiàn)該件可以有效利用車門內(nèi)板的中間廢料區(qū)域空間進行排樣，排樣示意如圖7b所示，一片廢料可以產(chǎn)出12個頂棚支架零件?；诖耍瑳_壓同步工程人提出材質(zhì)變更申請，將頂棚支架零件的材質(zhì)由DC01變更為DC04。按照該利用方案的思路，針對本重型車項目全部的沖壓開發(fā)零件，共計整理出包括臥鋪支架安裝板等在內(nèi)的13個零件，可以滿足在車門內(nèi)板的中間廢料區(qū)域排樣的使用，排樣方案如表3所示。考慮到實際的整臺份車量生產(chǎn)的批次規(guī)劃，經(jīng)過沖壓測算，每生產(chǎn)50臺車，就會產(chǎn)生100片車門內(nèi)板中間廢料，其中48片廢料可以滿足其他13個嵌套零件的50臺生產(chǎn)，剩余52片廢料進行備份或廢置，能夠兼顧到生產(chǎn)臺份的要求?？尚行?。該階段重點檢查前期分析階段沒有得到產(chǎn)品設(shè)計部門認可而留作后期驗證的問題，同時兼顧關(guān)注前期分析時遺漏的沖壓工藝問題。該階段主要工作包括零件強度、剛度分析、零件成形性分析、精度控制分析、裝配干涉檢查等。生成的樣車檢查報告反饋給產(chǎn)品設(shè)計部門，為模具制作和零件成功生產(chǎn)提供保證。對于沖壓同步工程人員，還應該將實物狀態(tài)與前期各數(shù)據(jù)階段的分析報告存檔為數(shù)據(jù)庫，反之對分析時的參數(shù)進行優(yōu)化，為后續(xù)新車型開發(fā)提供借鑒，不斷提升產(chǎn)品品質(zhì)和品牌競爭力。

表3 某重型車項目車門內(nèi)板利用方案圖（局部）

通過沖壓同步工程工具在數(shù)據(jù)設(shè)計階段的應用，某重型車項目提交的ECR共計475條，其中成形類ECR的條數(shù)為245條，占比約51.6%，提升材料利用率的ECR條數(shù)為38條，占比約8%。如表4所示。

4 樣車制造階段

樣車制作階段沖壓同步工程人員能直接從零件實物狀態(tài)判斷出零件沖壓可行性，進而評估出量產(chǎn)

表4 某重型車項目ECR統(tǒng)計表

5 結(jié)束語

通過沖壓同步工程在某重型車項目中的應用，制造成本降低30%～50%，整車的材料利用率提升了8.2%，車型開發(fā)全過程方案更改次數(shù)減少50%以上；產(chǎn)品開發(fā)時長縮短40%～60%，縮短產(chǎn)品投放市場的時間[5]；產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟效益。綜上所述，沖壓同步工程的持續(xù)介入，能有效的將工程問題解決在萌芽狀態(tài)，有助于縮短汽車的開發(fā)周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量，節(jié)約企業(yè)成本，提升企業(yè)競爭力。

目前，運用同步工程的原理進行沖壓方案已在其它新車型的開發(fā)中有效推廣應用，顯著提升了本公司其他車型的產(chǎn)品競爭力。