降低門檻內板制造成本的工藝方案

趙晶石，潘遠安

（1.一汽解放汽車有限公司，吉林 長春 130000；2.長春汽車工業高等專科學校，吉林 長春 130000）

0 引 言

門檻內板是汽車地板區域重要零件之一，是保證汽車側碰安全性的主要結構件，對汽車的安全性能有重要影響[1]，其尺寸的穩定性直接關系地板總成的整體尺寸精度。門檻內板的材料強度高、回彈量大、成形力大、制造成本高，也是沖壓工藝中成形難度較高的零件之一[2]。在前期零件設計開發過程中，通過同步工程（simultaneous engineering，SE）優化零件、更改工藝方案等方式，降低模具投入費用并提高材料利用率[3～5]。現通過某車型門檻內板數據SE 開發與優化過程，利用CAE 軟件分析模擬，指導后期工藝更改，達到降低制造成本的目的。

1 零件信息描述

初始門檻內板結構如圖1 所示，材料為HC420/780DP，料厚1.2 mm，型面公差為±0.7 mm，修邊公差為±1.0 mm。模擬分析的材料性能參數為：屈服強度σs=521 MPa、抗拉強度σb=865 MPa、硬化指數n=0.13，塑性應變比為Rm=0.88。初始料片尺寸為1 090 mm×375 mm，通過計算（零件質量/料片質量×100%）得出材料利用率為64%。

圖1 初始門檻內板

2 數據分析與仿真

2.1 初始數據的仿真與分析

門檻內板的傳統成形工藝均為拉深，通過構建工藝補充，利用拉伸延展的原理將零件成形，再通過修邊工序將多余材料切除，模具需設置壓料芯結構，材料利用率較低。為了達到降低制造成本、提高材料利用率的目的，采用落料工藝既能省去修邊工序，又可以利用落料排樣使材料利用率最大化。但落料工藝對零件造型要求較高：整體平緩，斷面變化小，法蘭邊規整。初始門檻內板兩側翻邊存在30 mm 的高搭接凸臺，且主體結構存在50 mm 的高度差（見圖1），不滿足落料成形的條件，只能采取拉深工藝。拉深工藝的外延工藝補充增加了板料寬度方向20 mm 的用料，影響材料利用率達3%，且因門檻造型高度差較大，模具拉深成形時不能使板料與凸模型面整體同時接觸，會有起皺趨勢。

通過AutoForm 軟件模擬驗證分析（見圖2）可以看出，板料在拉深過程與預測結果一致，在高低型面連接區域產生起皺，且在成形到底前10 mm 仍不能消除起皺。在內板CAE 分析標準要求中，要保證到底前10 mm 無明顯起皺，說明零件目前狀態與標準不符。

雖然可以通過增加壓料結構消除起皺區域（見圖3），但會使拉深模結構變復雜，不利于后期模具維護和生產穩定。初始零件采用拉深工藝的材料利用率為64%，近1/3的材料成為廢料，浪費較大。

2.2 優化后數據仿真與分析

為提高材料利用率，在初始門檻內板基礎上優化，降低搭接零件高度，取消翻邊處凸臺結構，將更改后的數據經研發部門確認，幫助零件開發部門分析并調整與門檻內板搭接零件的結構，同時更改前端搭接零件斷面，優化后的零件主體高度差降低到20 mm，如圖4 所示。再次利用AutoForm 模擬計算，零件造型平面高度差的降低改善了起皺缺陷，如圖5 所示，但零件邊界的凸出問題仍然存在，致使板料寬度方向較之前模擬沒有明顯縮短，材料利用率僅提高了1%。

圖2 模擬分析過程

圖3 增加壓料結構的拉深模

從圖5 可以看出，起皺區域狀態已經滿足生產工藝要求，但材料利用率沒有明顯提升。為了實現材料利用率的實質提升，嘗試使用落料成形工藝，AutoForm軟件模擬零件成形過程如圖6所示。

圖4 優化后的零件

圖5 拉深模擬過程

從圖6 可以看出，成形過程中方框內法蘭邊起皺，同時造成圓圈內棱線R角擠壓變形。在后期模具調試過程中變形的R角不僅美觀度差，而且大幅度增加成形阻力，造成模具零件拉傷等問題，對后期生產和維護有較大影響。計算落料工藝的材料利用率發現，材料利用率達79.5%，提升了14.2%。另外，原零件生產工序為拉深、修邊、側整形沖孔和側沖孔4道工序，而采用落料成形工序后，生產工序為落料、側整形沖孔和側沖孔，減少了修邊工序，節省模具制造成本16萬元，更重要的是降低了后期模具零件表面研配量，在人工成本忽略不計的情況下，模具開發周期至少縮短15天以上。

使用落料工藝方案具有成本及周期優勢，只需解決造型高度差導致的R角變形問題即可，故將零件高度差整改至最低。經過反復計算優化，零件造型高度差降至5 mm以內，按照此方案模擬分析結果如圖7所示。

模擬結果通過了工藝可行性評估，零件成形過程中沒有起皺，R角無變形，材料利用率提高至81%，提升了17%，如圖8所示。

將模擬結果反饋給零件開發部門，零件開發部門對最終數據進行CAE 碰撞強度校核，滿足相應安全需求，至此零件與工藝均達到最優。同時，研發部門將該零件作為平臺件，以后在同一平臺車型開發中進行推廣，為后續車型保持工藝及成本先進性提供了支持。生產的門檻內板實物如圖9 所示，成形質量良好，與模擬分析一致。

圖7 高度差降低后的成形過程

3 結束語

闡述了門檻內板通過CAE 軟件模擬工藝，縮小零件造型平面高度差，取消局部凸臺結構，調整了零件間的搭接關系，優化了零件造型，實現工藝方案優化，達到提升材料利用率、節約模具制造成本、縮短模具調試周期的目的，為類似零件的開發及工藝設計提供了參考。

圖8 材料利用率提升過程

圖9 門檻內板實物