汽车结构件冲压工艺设计优化

2021年4月27日
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汽车结构件冲压工艺设计优化

汽车结构件是形成汽车骨架、影响汽车结构稳定性、安全性以及支撑汽车各类元器件的零件。在汽车产品开发中,结构件零件数量多,其搭建关系较为复杂,成为汽车车身精度、强度以及整车开发成本的重要影响因素。

汽车结构件冲压工艺设计优化

产品数据设计完成后,工艺设计部门对零件进行冲压件工艺规划和计算机辅助工程(CAE分析),一般是从成形性、零件品质保证、模具强度和修边工艺可行性、生产成本等方面提出问题和风险,以ECR(工程变更申请单)的形式反馈给产品设计部门,由产品设计部门对产品数据进行修改和优化,从而达到减少模具开发成本,优化生产工艺,提高整车产品质量的目的。如图1所示,是汽车零件工艺设计的一般流程。

汽车结构件冲压工艺设计优化

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 成形性分析 

(1)冲压件的圆角半径太小,会造成局部过尖,零件减薄率超过极限,从而引起零件开裂。一般情况下汽车内板结构件圆角半径应尽量大于3mm,以避免增加模具数量;局部凸包或凹坑的圆角半径尽量大于8mm,具体圆角半径的尺寸与零件材质和形状等因素相关,可以通过对产品数模的CAE分析,计算零件的减薄率,确认圆角处是否会出现开裂现象,根据分析结果选择满足零件成形要求的合理圆角半径。

 

如图2所示,某车型顶盖横梁的零件数模,在产品SE数据阶段,横梁上部凸台沉孔的圆角半径是5mm,经CAE分析,拉延过程中,此凸台圆角根部已超出成形极限,圆角有开裂的风险,经初步分析,将沉台圆角半径增大至7mm可消除开裂。通过对数模整体的排查,优化数模质量。

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(2)冲压件的拉延深度或翻孔高度应在合理的范围内,特别要注意局部拉延深度或翻孔较深的部位,由于减薄率过大很容易引起开裂,可以通过CAE分析软件确认是否会出现开裂现象,从而对零件结构进行改进,设置减少拉延深度的特征或改变成形工艺,优化材料流动特性,避免开裂现象。某零件安装板翻边孔的优化过程如图3所示。

 

孔1#、2#、3#、4#原来为翻边孔结构,翻边高度为5mm,工艺为冲孔-翻边(孔),经分析由于翻边(孔)高度较高,翻边孔四周存在开裂现象,经产品优化,1#、4#冲孔翻边结构改为台阶孔结构,工艺改为先成形凸台,再进行凸台冲孔;2#、3#通过加大翻边底部圆角和四周圆角,同时翻边高度从3mm改为1mm,可改善零件翻边孔开裂的现象。

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(3)冲压件存在负角,在冲压成形过程中,会造成产品件脱模困难无法正常取件,或者需要增加额外的工序实现,因此零件应带有一定的拔模角,拉延深度较大的零件或者高强板零件的拔模角应适当增大。在数模分析阶段,首先通过产品工艺分析,确定零件的冲压方向,在选定的冲压方向生产时,如果零件型面和冲压方向之间存在负角,应进行产品优化,避免因负角的存在无法从模具取出零件,导致工序增加或模具结构复杂化。

 

某项目水箱上横梁内板如图4所示,初始数模(见图4a)在选定的冲压方向生产时,存在一定的负角,生产工艺无法实现,经沉台侧面角度优化后(见图4b),可在不增加工序的情况下,满足一次性成形要求。

汽车结构件冲压工艺设计优化

(4)确认冲压件的结构形状和结构特征是否有利于保证其成形充分性,零件成形不充分的部位会存在刚性不足的问题,因此需要注意拉延深度较浅和无造型特征的平坦部位,可以通过增加特征来提高零件的变形程度。一般通过CAE分析软件来确认冲压件是否变形充分。

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(5)检查冲压件是否存在形状变化较大的部位,在拉延过程中可能出现材料受力不均的情况,导致材料流动失稳而出现局部起皱。图6是某项目顶盖前横梁的造型设计,由于凸台前缘的造型存在较大的台阶,经分析会出现起皱的问题,可以通过减小相邻两部分的台阶差的方法解决起皱的问题。

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  零件品质保证  

检查易回弹类的冲压件是否在结构上进行了防回弹设计,梁类件和高强钢类的零件容易产生回弹,在产品设计时应检查冲压件是否设置了防止回弹的特征,是否在零件圆角部位或零件的侧壁增加防止回弹的特征筋。

孔边缘距离翻边圆角末端的距离不宜过小,以避免翻边时孔变形,保证翻边后的孔径精度。

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  模具强度及 

  修边冲孔工艺的可行性 

检查修边线位置的合理性。修边线位置不合理会导致修边刀块强度不足,影响模具寿命,如图7a圆圈处,因边线形状变化较大,无法保证刃口强度,如图7b分析所示,会影响零件质量和模具寿命,可以按图7c优化零件边线。

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冲孔位置的合理性。冲孔位置不合理会导致压料芯或下模刃口强度不足,从而影响模具寿命。同时孔的位置设置,应保证冲头的合理空间,避免冲孔过程中与零件型面干涉。图8a孔距离零件边缘过近,无法保证孔精度,同时图8b的翻边负角与冲头干涉,冲孔无法实现,孔位置需要向内部移动。

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 生产成本 

 

在工艺规划阶段预估大型冲压件模具尺寸,结合生产场地的机床台面对零件形状或尺寸进行优化,不符合所选定生产线要求的零件,应及时进行调整,在满足冲压生产要求的前提下,尽量选择成本较低的机床。

 

结构件中的安装板、加强板等零件,在符合功能要求和焊接性能的前提下,确保零件的结构和冲压生产工艺简单,模具结构合理,同时尽量减少模具的数量。

 

零件结构可以保证通过合理排样、合适的成形工艺以及零件合模生产等方法,提升整车材料利用率,对降低材料利用率的零件特征进行修改。

汽车结构件冲压工艺设计优化

  结  语  

 

  1. 分析零件在拉延和成形工艺中存在开裂、起皱的部位,通过优化圆角,增加特征筋消除风险;零件应尽量减少负角特征,工艺可实现,同时应满足模具数量最小化。

  2. 根据零件材质和形状特征,分析可能存在的回弹、扭曲及局部变形等风险,进行特征优化和工艺预防。

  3. 保证零件在翻边过程不开裂,冲孔位置设置合理,生产过程无干涉或者因孔距离不合理造成模具强度降低,减小零件变形。

  4. 零件形状的设定应考虑提升材料利用率、减少模具数量、结构简单及生产线布置合理等因素,降低生产成本。

作者:     赵 娜   单位:      安徽江淮汽车集团股份有限公司

本文已在《汽车工艺师》杂志

2021年第 3  期 “数字化工厂” 栏目    P48-P50  发表。

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