翼子板材料利用率提升方案研究

蔣 松，喻 航

（四川成飛集成科技股份有限公司，四川成都 610092）

1 引言

白車身鋼材采購成本是車身采購成本的重要組成部分，提升白車身材料利用率是降低汽車制造成本的重要手段[1～3]。翼子板是白車身重要組成部件，并且翼子板的材料利用率通常低于白車身材料平均利用率。在確定的制件造型下，如何提高翼子板的材料利用率顯得尤為重要。

2 問題分析

翼子板拉伸成形通常采用雙模膛，通過兩塊板料的方式實現左右件共模。當客戶產線具備垂直于送料方向調整前后工位制件位置功能時，可以考慮一張板料一模雙件的成形方式。翼子板材料料片典型形狀如圖1 所示。通常翼子板的板料形狀以擺剪為主（圖1a、圖1b），遇到擺剪形式無法滿足拉伸成形性需求時，采用級進落料或單片落料的方式進行（圖1c、圖1d、圖1e）。翼子板的材料利用率有兩種計算方法：①以落料前方板料/擺剪后梯形板料的重量作為基準（采購卷料）；②以落料后板料的重量作為基準（采購落料后料片）。造成翼子板材料利用率較低的主要原因：將翼子板拉伸補充面按照圖2方式分區，為了保證分模線光順、制件成形力平衡、制件減薄、沖擊線及控制棱線滑移等，區域1、2、5、6造型會帶來大量的材料浪費，修邊線展開及控制材料減薄率造成3、4位置的補充面存在大量廢料，兩者共同作用，造成翼子板的材料利用率較低。

圖1 典型翼子板板料形狀

圖2 翼子板拉伸工藝補充面分區

3 材料利用率提升辦法

以購買卷料的方式探討翼子板材料利用率提升思路：①優化落料排樣在料片切斷處采用波浪形狀，減小送料步距，從而較小料片重量達到提高材料利用率目的；②通過沖壓工藝方案優化：拉伸深度、補充面、分模線及拉伸筋形狀優化，減小廢料區重量實現材料利用率的提高；③在生產條件允許的情況下采用雙拼的方式，減小拼合處廢料尺寸，提高材料利用率，如圖3所示。

圖3 翼子板材料利用率提升思路

以某車型翼子板為例，設計沖壓工藝對比分析優化前、后成形性指標及材料利用率提升情況。板料材料牌號DC54D，材料厚度0.6mm。其中：密度ρ=7,800kg/m3，屈服強度=160MPa，彈性模量E=211GPa，硬化指數n=0.22，強度系數k=537.2MPa，泊松比=0.3，厚向異性指數r=1.54，r0°=1.5，r45°=1.52，r90°=1.62。材料硬化曲線選擇Ludwik 公式表達，屈服準則選擇Hill 屈服準則，FLC 曲線選擇Keeler 公式。由于壓料面弧度較大，在板料送料方向前后設置擋料器，如圖4 所示。壓邊力及拉伸行程根據拉伸工藝具體情況設定，摩擦系數0.15，板料初始網格20mm。

圖4 有限元模型

3.1 拉伸深度及補充面形狀優化

沖壓方向、拉伸成形后制件減薄率、塑形應變、最小次應變、滑移線、拉伸筋布局、材料尺寸關鍵點及修邊方式的選擇等綜合影響拉伸深度及補充面形狀設計[4～5]。通過沖壓工藝優化降低整體拉伸深度及優化補充面形狀是減少廢料區域占比，是提高材料利用率的直接手段。

翼子板拉伸深度及補充面優化主要從優化圖2中的2、3、4、6區域著手，在保證合理的修邊方式基礎上進行優化。將圖2 中1、2、3 區域修邊線展開后全部或大部分在壓料面上，如圖5 所示，優化后拉伸深度降低20mm，優化前壓料力100t，優化后壓料力120t；優化前、后成形分析對比結果如圖6、圖7、圖8所示，優化后局部最小次應變小于零的區域略有增大，制件區域塑形應變均大于0.04，制件A 面潛在面品缺陷區域位置及面積發生變化外，但與優化前處于同一級別，優化后材料利用率由44.5%提升到50.2%。

圖5 修邊線展開

圖6 最小次應變

圖7 塑性應變

圖8 潛在面品缺陷

3.2 板料形狀優化

采用擺剪方式的料片（見圖9），在翼子板輪罩處存在較大區域的無效廢料；通過優化輪罩部位補充面及分模線，調整板料輪廓，將輪罩處擺剪直線輪廓優化成隨形曲線形狀，按圖10所示方式進行落料排樣，實現無廢料落料。優化后分析結果如圖11所示，與優化前相比輪眉處局部最小次應變小于零，但制件整體塑形應變大于0.04，A面潛在面品缺陷在翼子板與發蓋搭接附近位置出現新增潛在缺陷區域，但與優化前處于同一級別。優化后材料利用率由50.2%提升至65.2%。

圖9 擺剪排樣方式

圖11 優化后分析結果

3.3 拉伸筋形狀優化

將拉伸成形深度降低后，拉伸成形后材料流入量不大；將普通的雙圓筋，更改為同阻力系數的檻形筋，進一步減短拉伸筋部位廢料線長；以圖12a 所示形狀的圓筋（線長37.38mm）為例，更改為同樣阻力（圖12c、圖12d 分析結果）的拉伸檻（21.46mm）圖12 中b形狀，拉伸筋部位線長相對于圓筋減短15.95mm。將圖13 中1、2、3 位置雙圓筋優化為拉伸檻。優化后材料利用率由65.2%提高到69.1%。

圖12 拉伸筋對比分析

圖13 拉伸筋優化

3.4 拼合優化

在圖13中區域2位置，當采用雙模膛兩張板料方案時，存在拉伸筋部位及拉伸筋外廢料浪費問題。按圖14 方式將制件進行拼合，拉伸成形后（見圖15）最小次應變、塑形應變滿足工藝要求，潛在面品缺陷與兩張板料拉伸后處在同一級別。采用單張板料拼合的方式材料利用率為57.2%，由于落料過程中存在廢料造成材料利用率低于圖10方案方式，但高于圖9方案的擺剪方式。

圖14 拼合落料排樣

圖15 雙拼方式及分析結果

4 結論

從降低拉伸深度、補充面、分模線、拉伸筋形狀及拼合方式優化方面提出提高翼子板材料利用率的方法。沖壓工藝設計中需要根據翼子板的制件形狀特點，結合客戶產線功能及車型產量，綜合考慮增開落料模的性價比，選擇合理的優化措施，在確保制件質量的前提下，實現制件材料利用率的提升。