汽車覆蓋件集成制造技術應用研究

蔣 磊，王 龍，謝蛟龍，王大鵬，馬培兵，郭智敏

（東風本田汽車有限公司 新車型中心，湖北 武漢 430056）

0 引言

近年來，隨著國內汽車市場的逐漸飽和，汽車行業邁入微增長、零增長甚至負增長時代[1]。汽車行業的競爭也愈發激烈，一方面受原材料、物流、勞務等因素的影響，上游零部件采購成本逐年上漲，另一方面為了保持市場競爭力，下游的終端銷售價格日趨下降[2]。在多重成本壓力下，汽車企業的經濟效益被不斷壓縮，降低整車制造成本成為當今汽車企業面臨的重要課題之一。以乘用車為例，縱觀整車成本，白車身制造成本約占整車成本的40%～50%，而汽車覆蓋件的制造成本在白車身成本中占比超過90%。因此降低汽車覆蓋件制造成本是削減整車成本、提高汽車企業經濟效益的一項重要舉措[3]。

為了降低汽車覆蓋件制造成本，諸多學者進行了相應的研究及應用。柳一凡等[4]在產品設計、工藝規劃及模具開發階段，借助沖壓成形虛擬分析軟件，分析零件的成形性和可利用的廢料大小，實現天窗縱梁加強板和天窗框架同步成形，減少了沖模數量，降低了沖壓原材料的費用。蔣磊等[5]針對汽車側圍外板傳統拉深工藝材料利用率低、生產成本高等問題，提出可提升材料利用率的淺拉深工藝方案，通過將側圍外板側翻邊法蘭展開作為壓料面，降低拉深深度，減少拉深工藝補充面以減小坯料尺寸，使側圍外板材料利用率達到47%，節約了材料成本。曹江懷等[6]提出一種在后蓋外板窗框處嵌套前門把手加強板的套模工藝方法，節省了沖模制造成本和材料消耗，并提高了生產效率。趙鴻鵠等[7]通過對不同零件的排列組合及組合體成形性分析，合理設計各工序沖壓工藝，實現6個零件的組合生產，減少了沖模開發成本。趙烈偉等[8]基于有限元平臺對天窗加強框和天窗加強框連接梁套件成形工藝進行動態模擬，使材料利用率較單件由40.11%提升至45.06%，降低了零件材料成本。上述研究均是通過提高材料利用率或采用一模多件的嵌套成形工藝來降低汽車覆蓋件制造成本，在一定程度上減少了材料消耗和工裝費用，但是對于一臺白車身，總零件數量并未減少，汽車覆蓋件的焊接成本仍未降低。

基于以上研究，提出一種汽車覆蓋件集成制造技術，根據白車身裝配關系，將后流水槽集成至側圍外板的行李箱蓋配合部，使二者融合成一個新的零件。運用有限元分析技術對其進行全工序成形數值模擬，驗證集成制造技術的可行性，結合有限元分析結果對成形工藝進行優化，最終實現該項技術的應用，并降低了汽車覆蓋件沖壓、焊接的綜合制造成本。

1 產品集成方案

側圍外板與后雨水槽集成方案如圖1所示，二者材料均為JAC270F-45/45，料厚均為0.65 mm。集成之前，后雨水槽通過8個焊點與側圍外板連接成一體，并與側圍外板存在10 mm的法蘭搭接量。研究的集成方案為：將后雨水槽焊接邊修剪10 mm，并沿修剪后的邊線與側圍外板進行縫合，使2個零件在不改變整車裝配關系的前提下實現集成，得到集成化的側圍外板。

圖1 側圍外板與后雨水槽集成

2 沖壓工藝方案

集成化側圍外板與傳統側圍外板相比，在行李箱蓋配合處結構更加復雜，如圖2（a）所示。通過圖2（b）所示的截面分析可知，行李箱蓋配合處在沖壓方向存在較大負角，負角區域的寬度達到60 mm，深度最大達到20 mm，同時該區域均采用小圓角過渡，圓角半徑均在R5 mm以下，成形難度較大。傳統側圍外板行李箱蓋配合處為10～15 mm寬的法蘭，采用過拉深+側翻邊即可成形，工藝相對簡單。集成化側圍外板行李箱蓋配合處由于存在多重曲面以及圓弧結構，過拉深后無法直接側翻邊實現成形，需要采用側翻邊與側整形的復合工藝。

圖2 集成化側圍外板行李箱蓋配合處結構

根據產品結構特點、零件尺寸公差要求、沖壓設備約束條件及成本最小化等考慮，設計了4道工序的集成化側圍外板成形工藝方案：第1道工序為拉深，完成所有外表面區域的一次拉深成形以及前風擋搭接處、頂蓋搭接處、后風擋搭接處、行李箱蓋配合處、尾燈配合處、后部配合處、輪拱處、加油口、后三角窗配合處、前門洞、后門洞等區域的過拉深成形；第2道工序為修邊+整形+沖孔，完成沿周外輪廓修邊，前、后門洞區域以及加油口區域內孔修邊，前、后門洞區域和后三角窗配合處整形；第3道工序為翻邊+整形，完成前風擋搭接處、頂蓋搭接處、后風擋搭接處翻邊，輪拱處預翻邊，行李箱蓋配合處、尾燈配合處、后保險杠配合處以及加油口區域翻邊整形；第4道工序為翻邊+沖孔，完成輪拱處翻邊以 及所有沖孔。具體成形工藝方案如圖3所示。

圖3 集成化側圍外板成形工藝方案

3 成形工藝數值模擬

3.1 材料參數

由上述可知，集成化側圍外板采用的材料為JAC270F-45/45，屬于熱鍍鋅鐵合金鍍層軟鋼薄板，合金鍍層質量為45 g/m2，鍍層中鐵含量通常為8%～15%，其化學成分、力學性能與寶鋼DC56D+ZF材料相近。JAC270F-45/45材料特性如表1所示。

表1 JAC270F-45/45材料特性

采用應力應變曲線定義材料硬化曲線，材料屈服面模型選擇含有剪切應力分量的Hill-90。Hill-90屈服模型不僅包含了材料的厚向異性指數，還包含了材料在不同方向上的屈服應力，能更好地表征單向屈服應力和厚向異性指數的變化，具有較好的靈活性，使數值模擬結果與試模試驗結果更相符。

3.2 有限元分析

將集成化側圍外板全工序工藝數模另存為IGS格式，并導入AutoForm軟件中。根據工藝方案在AutoForm軟件中依次進行工序規劃、板料設計、工具體設定以及工藝參數設置，得到圖4所示的有限元模型。由于生產該集成化側圍外板的沖壓車間運用清洗機對板料進行清洗和潤滑，且沖模采用全型面鍍鉻處理，材料在沖壓成形過程中所受到的摩擦阻力較小。結合沖模調試經驗和實際工況條件，將有限元分析所用的摩擦系數設置為0.125，壓力機滑塊行程設置為900 mm，沖壓速度設置為1 500 mm/s，壓邊力、壓邊圈行程、壓料力、壓料板行程等工藝參數分別單獨設置，具體工藝參數如表2所示。

表2 側圍外板沖壓工藝參數

圖4 集成化側圍外板有限元模型

有限元分析所用的模面為CAD軟件設計的精細化工藝數模，為了保證數值模擬的準確性，需將工程階段（engineering phase）類型設置為“FV(final validation)”，并將主單元格大小（master element size）調整為12 mm，之后即可提交求解器進行迭代計算，集成化側圍外板全工序沖壓成形數值模擬結果如圖5所示。

由圖5（a）可知，集成化側圍外板全工序沖壓成形均位于安全區域，未超出材料的成形極限，無開裂風險。由圖5（b）可知，集成化側圍外板成形充分，無塑性變形不足，說明零件成形質量良好。雖然集成化側圍外板在全工序沖壓成形過程中未出現開裂、剛性不足等質量缺陷，但在行李箱蓋配合處出現了較為嚴重的起皺。對板料起皺因子進行分析，發現行李箱蓋配合處最大起皺因子達到了0.165，如圖5（c）所示，大于企業內汽車覆蓋件內表面起皺因子的判斷標準（＜0.05）[9]，表明零件起皺風險大。通過成形過程分析，發現行李箱蓋配合處起皺發生在工序3，在工序3成形到底前10 mm時，即出現目視可見的起皺，如圖5（d）所示，當工序3成形到底時，行李箱蓋配合處出現了疊料，說明起皺較嚴重。

圖5 集成化側圍外板全工序沖壓成形數值模擬

4 成形工藝優化

4.1 起皺原因分析

由于融合了后雨水槽，集成化側圍外板行李箱蓋配合處負角法蘭寬度相對于傳統側圍外板成倍增加，翻邊整形深度也更深。為了不增大板料尺寸，保證零件集成后材料利用率不變，并降低拉深開裂風險，在設計拉深工序數模時，運用淺拉深工藝，即將行李箱蓋配合處的負角法蘭展開，使修邊線位于壓料面上，達到降低拉深深度、減少工藝補充面的目的，如圖6（a）、（b）所示。但淺拉深工藝的應用又帶來新的問題，即工藝補充面與零件面偏差過大，后工序翻邊整形時，材料流動不可控，切向得不到有效伸展，易產生多料起皺。利用工序3有限元模型（見圖6（c））對成形過程進行分析，當距離下止點20 mm時，行李箱蓋配合處側翻邊整形開始成形，受產品結構自身局限性影響，成形初始階段側翻邊整形凹模工作型面未能同時與零件接觸，下部刃口最先觸料，如圖6（d）所示。當距離下止點10 mm時，側翻邊整形凹模上部刃口才開始觸料。此時，一部分材料被約束至側翻邊整形凹模上、下部刃口之間，在切向壓應力Fa、Fb的作用下，材料發生失穩并處于懸空狀態，如圖6（e）所示。隨著側翻邊整形凹模不斷向前運動，材料壓縮失穩效應不斷加劇，并最終形成起皺。

圖6 集成化側圍外板行李箱蓋配合部起皺原因分析

4.2 起皺優化對策

根據上述起皺原因分析可知，造成集成化側圍外板行李箱蓋配合處起皺的主要原因為側翻邊整形量過大，需要減小行李箱蓋配合處的側翻邊整形量。由于調整工序1的過拉深設計過于繁瑣且耗時較長，需要反復進行成形仿真驗證，采取更易于操作的后工序工藝優化方法，將行李箱蓋配合處的側翻邊整形進行工序拆解，在工序2增加預成形，以減小工序3側翻邊整形量，降低切向壓應力對材料的影響，改善工序3側翻邊整形過程中材料的懸空狀態，具體工藝優化方案如圖7所示。

圖7 工藝優化方案

利用優化后的工藝數模再次對集成化側圍外板進行全工序沖壓成形有限元分析，得到的起皺分析結果如圖8所示。由圖8可知，工藝優化后行李箱蓋配合處最大起皺因子為0.045，滿足起皺因子＜0.05的判斷標準，說明零件發生起皺風險較小，可判定行李箱蓋配合處起皺問題得到解決。

圖8 工藝優化方案數值模擬驗證

5 方案驗證

將優化后的沖壓工藝數模用于集成側圍外板沖模結構設計，并用數值模擬結果指導現場試模，使板料尺寸、試模工藝參數、拉深材料流入量與數值模擬保持一致。最終調試穩定后獲得的集成化側圍外板工序件和完成件如圖9所示。由圖9可知，集成化側圍外板成形質量良好，無開裂、起皺以及成形不充分等質量缺陷，與數值模擬結果相符，達到了批量生產的質量要求，實現了側圍外板和后雨水槽的集成制造。

圖9 集成化側圍外板工序件和完成件

應用集成制造技術之前，后雨水槽為外購件，每件采購成本為9.6元。后雨水槽和側圍外板通過8個焊點焊接成側圍總成，每個焊點成本為0.5元。應用集成制造技術后，側圍外板工序2、3模具用于預成形和側整形的鑲件體積略有增加，但對于模具整體制造成本影響不大，可忽略不計。由計算可知，應用集成制造技術之后，可節約整車制造成本為9.6×2+0.5×8×2=27.2元/臺。

6 結束語

（1）提出了汽車覆蓋件集成制造技術，將側圍外板和后雨水槽進行結構融合，獲得了集成化側圍外板，減少了白車身構成件的數量，節約了整車制造成本。

（2）借助有限元分析軟件對集成化側圍外板全工序沖壓成形過程進行了數值模擬，識別了零件集成所帶來的起皺缺陷，通過增加預成形工藝，解決了行李箱蓋配合處起皺問題。

（3）利用數值模擬結果指導集成化側圍外板現場試模，獲得了良好的成形效果，驗證了側圍外板和后雨水槽集成制造應用的可行性，研究表明，基于有限元分析的沖壓工藝設計與優化可以實現汽車覆蓋件的集成制造，對于汽車行業成本控制具有一定的指導意義。