程方寶， 陳俊偉， 蔣磊， 冉奧陽(yáng)， 李國(guó)偉

（東風(fēng)本田汽車有限公司 新車型制造技術(shù)科， 湖北 武漢 430056）

0 引 言

中國(guó)制造2025對(duì)節(jié)能與新能源汽車發(fā)展有重要指示，把制造技術(shù)納入路線圖，節(jié)能與新能源汽車制造技術(shù)路線圖的發(fā)展思路是以綠色制造、智能制造、優(yōu)質(zhì)制造、快速制造為主線，以智能制造為主攻方向，在滿足節(jié)能降耗的同時(shí)提高制造精度。從車型成本上看，轎車白車身占比約為整車開發(fā)成本的40%～60%，白車身結(jié)構(gòu)中沖壓件占據(jù)95%以上。沖壓件材料利用率反映了企業(yè)的技術(shù)和管理水平，也是影響經(jīng)濟(jì)效益的指標(biāo)之一，發(fā)達(dá)國(guó)家企業(yè)的沖壓件材料利用率已達(dá)到75%以上，而國(guó)內(nèi)企業(yè)一般只有55%～70%，甚至更低。對(duì)于以消耗鋼板為主的沖壓，材料利用率提升1%，整車成本降低30元。汽車市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，價(jià)格戰(zhàn)逐漸進(jìn)入白熱化，如何降低整車制造成本是各汽車企業(yè)核心課題。提升材料利用率能顯著降低白車身成本，因此研究沖壓件的材料利用率對(duì)節(jié)能與新能源汽車的綠色制造和智能制造起關(guān)鍵作用，能降低企業(yè)的制造成本，提升市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

現(xiàn)以某車型側(cè)圍外板為研究對(duì)象，通過對(duì)側(cè)圍外板進(jìn)行子部品（總成中零件）一體化設(shè)計(jì)、工藝補(bǔ)充優(yōu)化及材料二次利用等技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)側(cè)圍外板材料利用率的提升，獲得了良好效果，為其他車型沖壓件提升材料利用率提供參考。

1 影響側(cè)圍外板材料利用率的因素分析

材料利用率影響因素為零件質(zhì)量及使用材料質(zhì)量，零件質(zhì)量越大，使用材料質(zhì)量越少，材料利用率就越高，反之則越低。零件的質(zhì)量主要受其結(jié)構(gòu)影響，材料質(zhì)量主要受其尺寸影響，因此分析材料利用率主要從優(yōu)化零件結(jié)構(gòu)及材料尺寸2個(gè)方面展開。

1.1 側(cè)圍外板零件結(jié)構(gòu)分析

側(cè)圍外板是汽車所有覆蓋件中裝配關(guān)系最多的零件，需要與頂蓋、四門、尾燈等零件進(jìn)行裝配，因此其外周輪廓和內(nèi)部輪廓復(fù)雜，開口較多，影響其材料利用率。如圖1所示，通過對(duì)現(xiàn)有5個(gè)車型側(cè)圍外板開口面積和材料利用率的調(diào)查，得出以下結(jié)論：零件的開口面積占比越大，材料利用率越低。因此可以通過優(yōu)化零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，盡量減少開口面積，增加零件質(zhì)量，提升材料利用率。

圖1 側(cè)圍外板開口面積占比和材料利用率統(tǒng)計(jì)結(jié)果

1.2 側(cè)圍外板材料尺寸分析

側(cè)圍外板材料由于成形性的要求，一般為異形材料，通過落料模生產(chǎn)得到。側(cè)圍外板在落料生產(chǎn)過程中共產(chǎn)生4塊邊角料，如圖2所示，分別位于尾箱和前立柱上部、輪轂和前立柱下部、后門洞部、前門洞部。這些邊角料通常以廢料形式進(jìn)行處置，降低了側(cè)圍外板材料利用率。因此考慮將側(cè)圍外板4塊邊角料尺寸盡量縮短和二次利用落料廢料，可有效提升側(cè)圍外板材料利用率。

圖2 側(cè)圍外板落料廢料

2 側(cè)圍外板材料利用率提升方法

2.1 零件結(jié)構(gòu)優(yōu)化

零件結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的是為了盡量減少零件開口面積，通過白車身圖紙確認(rèn)，側(cè)圍外板開口部零件為焊接加強(qiáng)件，因此考慮將焊接加強(qiáng)件和側(cè)圍外板進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)。為了滿足車身強(qiáng)度要求，側(cè)圍外板和周邊焊接加強(qiáng)件一體化設(shè)計(jì)需遵循以下原則：①材質(zhì)等級(jí)≤JAC27D-45∕45；②板料厚度≤0.6 mm。在零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)早期階段，選擇合適的焊接加強(qiáng)件與側(cè)圍外板合并，實(shí)現(xiàn)一體化設(shè)計(jì)。最終確定流水槽、尾燈安裝蓋板與側(cè)圍外板進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，如圖3所示。

圖3 子零件一體化設(shè)計(jì)方法

2.2 側(cè)圍外板材料尺寸優(yōu)化

沖壓工藝補(bǔ)充的合理性關(guān)乎零件的成形質(zhì)量和制造成本，因此沖壓工藝設(shè)計(jì)過程也是不斷完善、優(yōu)化的過程。覆蓋件的沖壓工藝在保證成形質(zhì)量的前提下，盡量采用最小工藝補(bǔ)充面；在不影響零件沖壓成形性能和模具結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，工藝補(bǔ)充面參數(shù)盡量采用最小值。

側(cè)圍外板工藝補(bǔ)充斷面如圖4所示，前立柱采用拉深、垂直修邊工藝，拉深工藝補(bǔ)充在保證A柱成形充分的前提下，盡量采用最小的拉深深度h1和側(cè)壁拔模角θ1，如圖4中A-A所示，在滿足修邊刀塊強(qiáng)度的前提下，盡量減小修邊延長(zhǎng)線L。如圖4中B-B所示，頂棚部位采用淺拉深、垂直修邊、側(cè)整形工藝，拉深工藝補(bǔ)充在保證A面（外觀面）成形充分及無(wú)沖擊痕的前提下，盡量采用最小的拉深深度h2和側(cè)壁拔模角θ2。如圖4中C-C所示，裙邊部位采用淺拉深、垂直修邊、側(cè)整形工藝，拉深工藝補(bǔ)充在保證裙邊成形充分的前提下，盡量采用最小的拉深深度h3和側(cè)壁拔模角θ3。如圖4中D-D所示，尾燈部位采用拉深、修邊和整形復(fù)合工藝，拉深工藝補(bǔ)充在保證尾燈處成形充分的前提下，盡量采用最小的拉深深度h4和側(cè)壁拔模角θ4。如表1所示，統(tǒng)計(jì)了5個(gè)已量產(chǎn)車型側(cè)圍外板工藝斷面參數(shù)，以此經(jīng)驗(yàn)作為參考設(shè)定該側(cè)圍外板工藝參數(shù)。

表1 側(cè)圍外板工藝斷面參數(shù)統(tǒng)計(jì)

圖4 側(cè)圍外板工藝補(bǔ)充斷面

2.3 側(cè)圍外板落料二次利用

為了能夠合理有效地利用側(cè)圍外板在落料過程中產(chǎn)生的邊角料，基于二次利用材料適用部品篩選條件，如表2所示，采用AutoForm成形分析軟件進(jìn)行分析，當(dāng)無(wú)起皺、開裂等明顯缺陷時(shí)，判定適合二次利用。該車型最終選定油箱蓋內(nèi)板適用側(cè)圍外板前門洞處廢料，如圖5所示。

表2 二次利用材料適用部品篩選條件

圖5 側(cè)圍外板二次材料利用

3 側(cè)圍外板材料利用率提升方法實(shí)施

3.1 沖壓工藝設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)側(cè)圍外板與子零件一體化，對(duì)沖壓工藝設(shè)計(jì)要求更高。尾燈安裝蓋板一體化，型面更加復(fù)雜，難點(diǎn)在于成形時(shí)會(huì)開裂及工序排布困難，工藝設(shè)計(jì)如圖6中A-A所示，OP10過拉深、OP20修邊整形。流水槽一體化難點(diǎn)在于零件整形工序回彈，導(dǎo)致精度不良，工藝設(shè)計(jì)如圖6中B-B所示，OP10過拉深、OP20修邊、OP30整形。

圖6 尾燈部及流水槽部工藝補(bǔ)充

3.2 CAE分析虛擬驗(yàn)證

零件制造可行性前期通過CAE虛擬分析進(jìn)行驗(yàn)證，避免實(shí)物調(diào)試出現(xiàn)不良，浪費(fèi)時(shí)間及精力進(jìn)行反復(fù)改修。利用AutoForm軟件導(dǎo)入CAD沖壓工藝模面，按照工藝方案依次設(shè)置拉深、修邊、翻邊各工序的工具體和工藝參數(shù)，各工序工具體有限元模型如圖7（a）所示。通過CAE軟件虛擬分析，確認(rèn)是否有開裂起皺等不良現(xiàn)象，否則進(jìn)行工藝模面調(diào)整，最終符合各項(xiàng)CAE判定基準(zhǔn)，如圖7（b）所示。

圖7 CAE成形仿真分析

3.3 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

制定沖壓工藝后，為實(shí)現(xiàn)各工序工藝內(nèi)容，需要進(jìn)行合理的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。如圖8中A-A所示，尾燈部位在OP20工序進(jìn)行修邊整形復(fù)合，根據(jù)設(shè)定進(jìn)入量，先外側(cè)修邊后再內(nèi)側(cè)整形。如圖8中BB所示，流水槽部位在OP30工序使用40°斜楔側(cè)整形，下模為活動(dòng)凸模，沖壓完成后回退便于零件取出。

圖8 模具局部結(jié)構(gòu)

4 側(cè)圍外板實(shí)物效果驗(yàn)證

4.1 品質(zhì)確認(rèn)

按照已設(shè)定的模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行沖模制造，并利用虛擬CAE成形工藝參數(shù)及仿真結(jié)果指導(dǎo)模具調(diào)試，得到圖9所示的側(cè)圍外板和油箱蓋。從圖9可以看出，側(cè)圍外板成形充分，無(wú)開裂、起皺及明顯的外觀面凹陷等缺陷，滿足零件批量生產(chǎn)的需求，同時(shí)油箱蓋精度滿足白車身配合尺寸要求。

圖9 側(cè)圍外板和油箱蓋完成件

4.2 成本效果確認(rèn)

通過采取以上對(duì)策，側(cè)圍外板材料利用率提升4%，實(shí)現(xiàn)了白車身材料費(fèi)、子部品焊接費(fèi)、涂膠費(fèi)以及外購(gòu)零件費(fèi)用削減，單臺(tái)成本降低10.8元，如圖10所示。

圖10 材料利用率和成本統(tǒng)計(jì)

5 結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)某車型側(cè)圍外板材料利用率提升方法進(jìn)行研究，從子零件一體化、工藝補(bǔ)充優(yōu)化、材料二次利用3個(gè)方面介紹了提高側(cè)圍外板材料利用率的方法。通過上述方法的實(shí)際應(yīng)用，提高了工藝技術(shù)水平，為后續(xù)車型的沖壓工藝設(shè)計(jì)提供了參考。

提高材料利用率的方法較多，但都需要通過實(shí)踐驗(yàn)證，例如沖壓覆蓋件落料方式，此方法需要核算落料模的投資、維修成本與提高材料利用率后的收益關(guān)系?？傊岣卟牧侠寐适菫榱私档驼囍圃斐杀?，在設(shè)計(jì)提高材料利用率方法時(shí)需要綜合考慮投資成本與收益的關(guān)系。