汽車結構件沖壓工藝設計優化

安徽江淮汽車集團股份有限公司 合肥 230001

汽車結構件是形成汽車骨架、影響汽車結構穩定性、安全性以及支撐汽車各類元器件的零件。在汽車產品開發中，結構件零件數量多，其搭建關系較為復雜，成為汽車車身精度、強度以及整車開發成本的重要影響因素。

產品數據設計完成后，工藝設計部門對零件進行沖壓件工藝規劃和計算機輔助工程（CAE分析），一般是從成形性、零件品質保證、模具強度和修邊工藝可行性、生產成本等方面提出問題和風險，以ECR（工程變更申請單）的形式反饋給產品設計部門，由產品設計部門對產品數據進行修改和優化，從而達到減少模具開發成本，優化生產工藝，提高整車產品質量的目的。如圖1所示，是汽車零件工藝設計的一般流程。

成形性分析

1）沖壓件的圓角半徑太小，會造成局部過尖，零件減薄率超過極限，從而引起零件開裂。一般情況下汽車內板結構件圓角半徑應盡量大于3mm，以避免增加模具數量；局部凸包或凹坑的圓角半徑盡量大于8mm，具體圓角半徑的尺寸與零件材質和形狀等因素相關，可以通過對產品數模的CAE分析，計算零件的減薄率，確認圓角處是否會出現開裂現象，根據分析結果選擇滿足零件成形要求的合理圓角半徑。

圖1 汽車零件工藝設計流程

如圖2所示，某車型頂蓋橫梁的零件數模，在產品SE數據階段，橫梁上部凸臺沉孔的圓角半徑是5mm，經CAE分析，拉延過程中，此凸臺圓角根部已超出成形極限，圓角有開裂的風險，經初步分析，將沉臺圓角半徑增大至7mm可消除開裂。通過對數模整體的排查，優化數模質量。

沖壓件的拉延深度或翻孔高度應在合理的范圍內，特別要注意局部拉延深度或翻孔較深的部位，由于減薄率過大很容易引起開裂，可以通過CAE分析軟件確認是否會出現開裂現象，從而對零件結構進行改進，設置減少拉延深度的特征或改變成形工藝，優化材料流動特性，避免開裂現象。某零件安裝板翻邊孔的優化過程如圖3所示。

圖2 產品R角優化

孔1#、2#、3#、4#原來為翻邊孔結構，翻邊高度為5mm，工藝為沖孔-翻邊（孔），經分析由于翻邊（孔）高度較高，翻邊孔四周存在開裂現象，經產品優化，1#、4#沖孔翻邊結構改為臺階孔結構，工藝改為先成形凸臺，再進行凸臺沖孔；2#、3#通過加大翻邊底部圓角和四周圓角，同時翻邊高度從3mm改為1mm，可改善零件翻邊孔開裂的現象。

圖3 某零件安裝板的翻邊孔優化

沖壓件存在負角，在沖壓成形過程中，會造成產品件脫模困難無法正常取件，或者需要增加額外的工序實現，因此零件應帶有一定的拔模角，拉延深度較大的零件或者高強板零件的拔模角應適當增大。在數模分析階段，首先通過產品工藝分析，確定零件的沖壓方向，在選定的沖壓方向生產時，如果零件型面和沖壓方向之間存在負角，應進行產品優化，避免因負角的存在無法從模具取出零件，導致工序增加或模具結構復雜化。

某項目水箱上橫梁內板如圖4所示，初始數模（見圖4a）在選定的沖壓方向生產時，存在一定的負角，生產工藝無法實現，經沉臺側面角度優化后（見圖4b），可在不增加工序的情況下，滿足一次性成形要求。

圖4 水箱上橫梁內板拔模角優化

確認沖壓件的結構形狀和結構特征是否有利于保證其成形充分性，零件成形不充分的部位會存在剛性不足的問題，因此需要注意拉延深度較淺和無造型特征的平坦部位，可以通過增加特征來提高零件的變形程度。一般通過CAE分析軟件來確認沖壓件是否變形充分。

圖5 零件起皺

檢查沖壓件是否存在形狀變化較大的部位，在拉延過程中可能出現材料受力不均的情況，導致材料流動失穩而出現局部起皺。圖6是某項目頂蓋前橫梁的造型設計，由于凸臺前緣的造型存在較大的臺階，經分析會出現起皺的問題，可以通過減小相鄰兩部分的臺階差的方法解決起皺的問題。

圖6 頂蓋前橫梁

零件品質保證

檢查易回彈類的沖壓件是否在結構上進行了防回彈設計，梁類件和高強鋼類的零件容易產生回彈，在產品設計時應檢查沖壓件是否設置了防止回彈的特征，是否在零件圓角部位或零件的側壁增加防止回彈的特征筋。

孔邊緣距離翻邊圓角末端的距離不宜過小，以避免翻邊時孔變形，保證翻邊后的孔徑精度。

模具強度及修邊沖孔工藝的可行性

檢查修邊線位置的合理性。修邊線位置不合理會導致修邊刀塊強度不足，影響模具壽命，如圖7a圓圈處，因邊線形狀變化較大，無法保證刃口強度，如圖7b分析所示，會影響零件質量和模具壽命，可以按圖7c優化零件邊線。

圖7 刃口強度優化

沖孔位置的合理性。沖孔位置不合理會導致壓料芯或下模刃口強度不足，從而影響模具壽命。同時孔的位置設置，應保證沖頭的合理空間，避免沖孔過程中與零件型面干涉。圖8a孔距離零件邊緣過近，無法保證孔精度，同時圖8b的翻邊負角與沖頭干涉，沖孔無法實現，孔位置需要向內部移動。

圖8 沖孔位置不合理

生產成本

在工藝規劃階段預估大型沖壓件模具尺寸，結合生產場地的機床臺面對零件形狀或尺寸進行優化，不符合所選定生產線要求的零件，應及時進行調整，在滿足沖壓生產要求的前提下，盡量選擇成本較低的機床。

結構件中的安裝板、加強板等零件，在符合功能要求和焊接性能的前提下，確保零件的結構和沖壓生產工藝簡單，模具結構合理，同時盡量減少模具的數量，

零件結構可以保證通過合理排樣、合適的成形工藝以及零件合模生產等方法，提升整車材料利用率，對降低材料利用率的零件特征進行修改。

結語

1）分析零件在拉延和成形工藝中存在開裂、起皺的部位，通過優化圓角，增加特征筋消除風險；零件應盡量減少負角特征，工藝可實現，同時應滿足模具數量最小化。

2）根據零件材質和形狀特征，分析可能存在的回彈、扭曲及局部變形等風險，進行特征優化和工藝預防。

3）保證零件在翻邊過程不開裂，沖孔位置設置合理，生產過程無干涉或者因孔距離不合理造成模具強度降低，減小零件變形。

4）零件形狀的設定應考慮提升材料利用率、減少模具數量、結構簡單及生產線布置合理等因素，降低生產成本。