優(yōu)化沖壓工藝降低碳排放量與制造成本

韋林濤， 劉海東， 蒙航宇， 宋彥汕

（柳州廣菱汽車技術(shù)有限公司， 廣西 柳州 545007）

0 引 言

在“雙碳”背景下，汽車生產(chǎn)供應(yīng)鏈開(kāi)始進(jìn)行低碳革命。針對(duì)供應(yīng)鏈中的鈑金成形行業(yè)，減少CO2排放量的需求越來(lái)越迫切，主要是為了減少材料成本及碳排放成本，達(dá)到綠色發(fā)展的目的。汽車產(chǎn)業(yè)是碳排放重要的部分，為實(shí)現(xiàn)國(guó)內(nèi)2030年碳達(dá)峰、2060年碳中和的“雙碳”目標(biāo)，眾多車企將目光集中在電動(dòng)汽車產(chǎn)品及使用過(guò)程中的碳排放，而忽略龐大的產(chǎn)業(yè)鏈。汽車全產(chǎn)業(yè)鏈低碳發(fā)展是汽車產(chǎn)業(yè)“雙碳”轉(zhuǎn)型的支撐，即使是純電動(dòng)汽車，汽車鋼板生產(chǎn)的碳排放約占整車供應(yīng)鏈碳排放的20%以上，因此減少汽車沖壓鋼板的碳排放對(duì)產(chǎn)業(yè)鏈低碳化十分重要?，F(xiàn)闡述一種帶框車門高利用率沖壓工藝方案的實(shí)際案例，以供同行參考。

1 車門內(nèi)板特點(diǎn)與常規(guī)沖壓工藝設(shè)計(jì)

車門內(nèi)板形狀較復(fù)雜，拉深深度較深，約150~180 mm，且上下部位的落差較大，鋼制車門的板料一般使用BUSD、DC54D、DC06等冷軋鋼板，板料厚度一般為0.65~0.7 mm，在沖壓成形過(guò)程中，具有開(kāi)裂和起皺共存的缺陷，成形難度大。

1.1 沖壓工藝

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，成形乘用車帶框車門內(nèi)板的沖模一般采用4+1的沖壓工藝，需要開(kāi)發(fā)5副沖模完成以下工序，即OP05落料、OP10拉深、OP20切邊+沖孔、OP30整形+翻邊+切邊、OP40沖孔+側(cè)沖孔+整形，如圖1所示。

圖1 沖壓工序

1.2 常規(guī)拉深工藝補(bǔ)充

帶框車門尺寸大，由于車身設(shè)計(jì)限制，窗框部位與門檻部位落差較大，為保證零件拉深成形質(zhì)量，四周壓料面需要遵循隨形和平緩過(guò)渡的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖2所示，補(bǔ)充面深度按有限元分析指導(dǎo)設(shè)計(jì)與修改，確保零件無(wú)開(kāi)裂和起皺現(xiàn)象，如圖3所示。

圖2 常規(guī)壓料面設(shè)計(jì)

圖3 常規(guī)工藝補(bǔ)充面

2 沖壓工藝優(yōu)化及材料利用率提升方案

根據(jù)以上描述，在常規(guī)沖壓工藝中，工藝補(bǔ)充面較深，材料利用率較低，因零件成形開(kāi)裂問(wèn)題，要采用開(kāi)卷落料工藝，需要開(kāi)發(fā)落料模用于生產(chǎn)坯料，經(jīng)以往項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)，帶框車門內(nèi)板材料利用率一般在46%~51%。

2.1 窗框上側(cè)壓料面工藝及工藝補(bǔ)充優(yōu)化方案

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，一般窗框上側(cè)壓料面及補(bǔ)充面設(shè)計(jì)比較深的原因是因拉深成形過(guò)程中的壓料狀態(tài)、零件減薄率和材料流入時(shí)序的限制，所以材料浪費(fèi)較多。經(jīng)分析，窗框部位在拉深過(guò)程中，對(duì)材料流入需求不大，可利用淺拉深方式進(jìn)行成形，可減少毛坯板料的使用量，提高材料利用率，如圖4所示。

圖4 傳統(tǒng)拉深工藝補(bǔ)充面與淺拉深工藝補(bǔ)充面對(duì)比

因零件形狀整體起伏較大，須考慮上模和壓邊圈閉合時(shí)壓料狀態(tài)的光順性，防止在拉深過(guò)程中產(chǎn)生起皺，因此在窗框上側(cè)采用三動(dòng)拉深工藝進(jìn)行成形，三動(dòng)拉深是指在模具中設(shè)置3個(gè)壓料芯，其中上模1個(gè)壓料芯，下模2個(gè)壓料芯，且壓料芯在拉深過(guò)程中行程不一致，如圖5所示。該工藝方案可有效控制窗框頂部材料的流動(dòng)，避免拉深過(guò)程中產(chǎn)生疊料。

圖5 三動(dòng)拉深模主要結(jié)構(gòu)

三動(dòng)拉深成形過(guò)程：當(dāng)坯料放入模具后，壓力機(jī)滑塊帶動(dòng)上模壓料芯和凹模下行，下行至成形到底前150 mm，上模壓料芯與下模壓料芯閉合，凹模和壓邊圈閉合的同時(shí)壓料，開(kāi)始進(jìn)行拉深，拉深至成形到底前110 mm時(shí)，下模壓料芯行程到底后停止，完成窗框部位拉深，為避免干涉，上模壓料芯開(kāi)始回退，凹模繼續(xù)隨壓力機(jī)滑塊下行，對(duì)其它部位進(jìn)行拉深，直到拉深結(jié)束，拉深過(guò)程如圖6所示。

圖6 三動(dòng)拉深成形過(guò)程中板料狀態(tài)

2.2 門檻側(cè)工藝優(yōu)化方案

常規(guī)的車門門檻部位成形工藝一般為OP10拉深模通過(guò)工藝補(bǔ)充一次拉深到位；OP20切掉零件形狀以外的廢料；OP30對(duì)法蘭面進(jìn)行整形。一次拉深到位需要在零件形狀以外設(shè)計(jì)工藝補(bǔ)充面，拉深模分模線在工藝補(bǔ)充面以外，加深了整體拉深深度，如圖7所示，因此該拉深工藝需要消耗的坯料較多，材料利用率較低，同時(shí)隨著拉深深度的加深，零件門檻部位的拉深減薄率增大，零件開(kāi)裂失效風(fēng)險(xiǎn)增加。

圖7 車門門檻側(cè)常規(guī)拉深工藝斷面

經(jīng)分析，門檻部位在保證不起皺與開(kāi)裂的情況下，可采取淺拉深、后整形的工藝方案進(jìn)行調(diào)整，如圖8所示。OP10去除拉深工藝補(bǔ)充面，將壓料分模線設(shè)置在零件形狀內(nèi)，降低拉深深度；OP20利用二次整形工藝將零件法蘭區(qū)域成形完畢；OP30切掉零件形狀以外的廢料。該工藝節(jié)省拉深工藝補(bǔ)充面所需的坯料，提高了材料利用率，同時(shí)降低了拉深深度，減少了因減薄率增大產(chǎn)生的開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。

圖8 門檻側(cè)改進(jìn)拉伸工藝斷面圖

2.3 坯料形狀優(yōu)化方案

由于帶框車門零件形狀不規(guī)整，在拉深過(guò)程中，各個(gè)方向均需要有材料流動(dòng)對(duì)零件形狀區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)料，防止成形零件開(kāi)裂，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，帶框車門內(nèi)板坯料需要用落料模進(jìn)行生產(chǎn)，坯料形狀如圖9（a）所示，需要開(kāi)發(fā)落料模，坯料生產(chǎn)成本較高，且材料利用率較低，造成浪費(fèi)。經(jīng)分析，可基于以上優(yōu)化工藝的基礎(chǔ)上，對(duì)坯料形狀進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化方案為取消落料工藝，采用不規(guī)則擺剪工藝進(jìn)行下料，然后在模具上旋轉(zhuǎn)坯料擺放位置，OP10增加刺破刀和切斷刀結(jié)構(gòu)，以保證零件成形，如圖9（b）、（c）所示。

圖9 常規(guī)工藝坯料形狀與優(yōu)化后坯料形狀及刺破后狀態(tài)

采用坯料形狀優(yōu)化方案后，在坯料生產(chǎn)工裝開(kāi)發(fā)方面減少落料模的開(kāi)發(fā)，在坯料生產(chǎn)方面提高了材料利用率，節(jié)約了落料加工費(fèi)。

3 工藝改進(jìn)對(duì)成本節(jié)約及碳排放的貢獻(xiàn)

3.1 開(kāi)發(fā)成本節(jié)約

（1）工裝成本：取消2副落料模的開(kāi)發(fā)，模具共重4.0×104kg，可節(jié)約模具開(kāi)發(fā)成本120萬(wàn)元。

（2）量產(chǎn)成本：前、后門內(nèi)板均采用改進(jìn)的沖壓工藝后，前門內(nèi)板單件材料利用率由54%提升至62.5%；后門內(nèi)板由51%提升至57%，每臺(tái)車型共節(jié)約5 kg鋼板，按年產(chǎn)5萬(wàn)臺(tái)計(jì)算，可節(jié)約坯料成本228.5萬(wàn)元，如表1所示。

表1 工藝改進(jìn)前后的成本

3.2 碳排放貢獻(xiàn)

據(jù)相關(guān)資料表明，當(dāng)前全國(guó)范圍內(nèi)鑄造行業(yè)的碳排放水平如表2所示，省去2副2.0×104kg落料模的開(kāi)發(fā)，可減少64.4噸碳排放量。

表2 鑄造行業(yè)的碳排放水平

汽車鋼板主要材料來(lái)源于長(zhǎng)流程生產(chǎn)工藝，當(dāng)前國(guó)內(nèi)鋼鐵長(zhǎng)流程企業(yè)平均每噸鋼CO2排放量在2.1噸左右，該項(xiàng)目單車規(guī)劃生產(chǎn)5年，目標(biāo)為25萬(wàn)臺(tái)，按表3所示數(shù)據(jù)計(jì)算，通過(guò)工藝改進(jìn)可減少1.25×106kg的板材使用量，可減少2 625噸碳排放量。為了對(duì)碳中和有更直觀的認(rèn)識(shí)，國(guó)家林業(yè)局相關(guān)研究數(shù)據(jù)表明，1棵樹(shù)每年可以儲(chǔ)存10 kg的CO2，在材料節(jié)省的基礎(chǔ)上，每年將有262 500棵樹(shù)免于儲(chǔ)存板材生產(chǎn)的CO2排放量，對(duì)碳中和的貢獻(xiàn)非常可觀。

表3 工藝改進(jìn)前后材料用量與碳排放量及碳交易價(jià)格對(duì)比

從碳排放經(jīng)濟(jì)效益上看，按近年全國(guó)碳排放交易平均價(jià)格為56元/噸計(jì)算，可減少碳交易支出費(fèi)用約14.7萬(wàn)元。

4 結(jié)束語(yǔ)

汽車零部件沖壓行業(yè)在模具制造、鈑金沖壓的生產(chǎn)過(guò)程中存在大量碳排放量，因此必須在整個(gè)制造流程中對(duì)沖壓工藝、模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新，從模具少量化、輕量化、材料利用提升方面降低鑄鋼、鑄鐵、鋼板和各類標(biāo)準(zhǔn)件使用量，以減少碳排放值，以上研究的工藝改進(jìn)方法可應(yīng)用到今后的項(xiàng)目中，為企業(yè)長(zhǎng)期降碳目標(biāo)提供一定的貢獻(xiàn)。

在“雙碳”大戰(zhàn)略背景下，汽車供應(yīng)鏈企業(yè)需要加快低碳化轉(zhuǎn)型，需要汽車全產(chǎn)業(yè)鏈上下游進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，從節(jié)能增效和材料應(yīng)用回收、新工藝等方面進(jìn)行改革，加快實(shí)現(xiàn)汽車行業(yè)的“雙碳”目標(biāo)。