基于沖壓CAE 仿真分析的工藝優化與降本提質

支明遠

（江鈴汽車股份有限公司沖壓廠，江西 南昌 330000）

1 引言

一些早期開發的車型產品，由于當時的工藝相對局限，產品存在質量不穩定、生產效率低下及材料利用率低等問題。而這些早期的車型產品依然是量產車型，因此這些問題嚴重制約了生產成本的降低。近年來，CAE 仿真技術不斷發展和成熟，其在成形缺陷分析和工藝方案布置與優化方面具有可操作性強且模擬分析結果越來越精準的特點。從外部環境來看，汽車整車廠之間競爭日益加劇，汽車銷售價格逐年下降，因此必須全面提升企業的成本控制水平，創造出更多的利潤，以獲得市場競爭優勢。為此，必須不斷創新思路，利用不斷革新的科技手段深入挖掘出更多的降本提案。本文旨在利用日益成熟的CAE 分析技術，對早期存在缺陷的工藝進行優化，為降低量產老車型的生產成本提供思路，進一步提高汽車銷售利潤。提出解決方案。以進一步優化現有工藝方案，提高產品的成形穩定性，改善產品質量，減少產品生產過程中的在線調試時間提高生產作業效率，降低人工成本及能耗成本。因此，CAE 分析降本改善總體思路主要有三方面（見圖1）：①通過CAE 分析去優化改善老產品的縮頸開裂問題，降低廢品損失成本；②減少產品在線調試時間，提高生產效率，降低人工成本及能耗成本；③通過CAE 分析去優化工藝來料尺寸，進一步提高原材料利用率，降低原材料投入成本。

圖1 基于CAE 分析下的降本總體思路

2 基于CAE 分析的降本提質總體思路

隨著計算機技術和各種模擬分析軟件的迅速發展，沖壓CAE 分析技術已經得到廣泛應用，可以對整個工序過程進行分析，提前發現問題、分析原因、

3 利用CAE 分析來提高產品成形穩定性

3.1 成形不穩定問題介紹

如圖2 所示，以某老款量產車型副車架X 橫梁下板為例，模具已有10 年，自開發以來，生產就一直不順利，質量不穩定，生產調試很困難。主要問題有兩個：一是在兩側翻邊易出現縮頸開裂（見圖3），開裂廢品率達到了6.8%，單件成本44.01 元，年廢品損失很高，且由于產品成形穩定性差導致生產調試時間長，人工成本及能源成本都很高，導致產品整個生產成本很高；另一個問題就是下道工序焊接車間抱怨副車架上下板裝配間隙大導致的焊接咬邊、燒穿問題（見圖4），員工補焊勞動強度大。

圖2 某車型副車架X 橫梁下板

圖3 副車架X 橫梁下板開裂問題

圖4 副車架總成咬邊、燒穿問題

副車架X 橫梁下板材質為QStE460TM，為熱軋酸洗板，料厚2.0mm，共4 序，分別為：OP10 成形+OP20 修邊沖孔+OP30 翻邊+OP40 修邊沖孔側沖孔。產品開裂是在OP30 翻邊工序產生的，面間隙超差點，存在負回彈，見圖5，具體尺寸數據見表1，導致副車架總成機器人焊接時出現咬邊、燒穿問題。

表1 產品面間隙尺寸檢測數據

圖5 產品面間隙超差點

3.2 產品工序CAE 分析

為了對產品開裂進行系統分析，我們對全年度產品出現的開裂批次進行了梳理。通過比對材料性能參數數據發現，產品出現開裂是在材料延伸率處于14%～15%的情況下產生的，全年性能參數中延伸率在14%～20%波動，材質QStE460TM 為熱軋酸洗板，相對冷軋板具有材料性能波動較大、料厚一致性差、表面質量差等特點。為此，在進行CAE 分析前，對材料性能參數設定需要根據實際情況進行調整設定，以確保CAE 分析結果更接近于實際。通過對全年的材料性能數據進行統計分析，發現屈服強度在460MPa～553MPa 之間波動，抗拉強度在520MPa～659MPa 之間波動，延伸率在14%～20%之間波動，我們按實際供貨情況對性能參數數據進行了調整。同時相對于薄板件，料厚公差更大，在CAE 分析上要按厚板料厚公差來進行設定，此產品設定的料厚公差為±0.18mm ；還有就是相對于薄板件（冷軋板），材料表面質量更差，相應的摩擦系數更大，摩擦系數在這里設定為0.125。這些性能參數在CAE 分析前均需進行充分考慮并設定好，這是與薄板分析不一樣的地方，對于薄板件只需按默認值設定即可。

通過采用Autoform 對現有工藝進行CAE 分析，發現OP30 翻邊工序兩側翻邊存在開裂風險，安全裕度明顯不夠，OP30 翻邊CAE 成形性分析見圖6，產品實際開裂圖見圖7，通過比對發現CAE 分析結果與產品實際開裂位置基本一致。由于材料性能波動較大，比較QStE420TM與QStE460TM這兩種臨近牌號的材料，發現兩種材料在性能上有比較大的重疊區，如表2 材料性能參數表所示，并且QStE420TM延伸率≥16%，而我們的產品是QStE460TM延伸率在≥16%不會存在縮頸開裂，因此提出產品是否可以用QStE420TM 材料來替代，以提高產品成形穩定性的方案。

表2 材料性能參數表

圖6 OP30 翻邊CAE 分析圖

圖7 OP30 翻邊實際開裂圖

據此做了QStE420TM 與QStE460TM 兩種牌號的沖壓CAE 對比分析。具體分析如下：①從OP10 FLD 成形性分析來看，兩者之間幾乎沒有差異（見圖8、9）；②從OP10 起皺分析來看，成形過程中兩者潛在起皺結果相差不大（見圖10、11）；③對比OP30 翻邊工序CAE 失效分析，QStE420TM 失效值比QStE460TM要小，開裂風險小，更適合于翻邊成形（見圖12、13）。

圖8 OP10 FLD（QStE460TM）

圖9 OP10 FLD（QStE420TM）

圖10 OP10 起皺分析（QStE460TM）

圖11 OP10 起皺分析（QStE420TM）

圖12 OP30 失效分析（QStE460TM）

由于板材厚且材料強度較高，對于回彈分析，模具間隙對產品的回彈影響很大，它直接影響著板料與模具的接觸狀態，控制著板材的流動，間隙過緊不僅會導致模塊損傷、產品變薄及產品拉傷缺陷，同時產生的回彈也相對較大而不是想像中的會更好。當模具間隙為1 個料厚時，回彈值為最小為0.08mm，當模具間隙大于1 個料厚并繼續增大時，回彈又有增大的趨勢，呈V 字型，具體回彈分析見圖14。

圖13 OP30 失效分析（QStE420TM）

圖14 模具間隙與產品回彈關系圖

3.3 基于CAE 分析下的改善措施

綜上分析得出結論，QStE420TM 相對QStE460TM翻邊成形開裂風險較小，安全裕度更高，更有利于翻邊成形，而其他無明顯差異。據此向產品工程師提出副車架X 橫梁下板是否可以用QStE420TM材料來替代，以提高產品翻邊成形的安全裕度。對產品按照新材料QStE420TM輸入進行工況CAE 分析（見圖15、16），重新校核其強度耐久性能，結論如下：①常規工況下，上下板最大Mises 應力各工況均不超過屈服極限，滿足強度要求。極限工況下，上下板最大PEEQ 小于1，滿足強度要求；②基于Base 方案分析結論，將最大損傷目標值定為1，基于CCST5 規范最大損傷值均小于1，滿足耐久要求；③懸置工況最大損傷值為0.204＜1，滿足耐久要求。根據CAE 分析結論可以將產品材質更改為QStE420TM，同時申請了QStE420TM試模料進行生產裝配，滿足路試驗證要求。

圖15 副車架上板總成件

圖16 副車架下板總成件

更改材質牌號后，產品開裂問題得到了徹底解決，消除了產品開裂廢品損失成本。同時也結合CAE分析對產品回彈進行了整改，對模具凸凹模間隙按1個料厚進行了調整，調整后產品面間隙也滿足要求，提高了副車架總成的焊接質量，消除了咬邊、燒穿等焊接缺陷。通過上述整改，產品成形安全裕度有了很大提高，大大降低了產品的生產調試時間，生產效率得到大幅提高，大大降低人工成本及設備能耗成本。

4 利用CAE 分析優化工藝來料尺寸

以某老款量產車型右下緣前加強板為例，工藝OP10 為拉延工序（需要的工藝補充料較多，后序修邊將工藝補充料裁剪形成廢料，使材料利用率受到限制。經分析，該件上部拉延深度較淺，修邊幅度較大，最終產品如圖17 所示。

圖17 右下緣前加強板產品圖

由于在產品上部成形較淺，拉延時板料流動不大，成形起皺、開裂風險較小，因此提出的改善思路是：利用CAE 分析來優化工藝來料尺寸，減少拉延壓邊量來提高材料利用率。產品材料牌號為BLD，原工藝來料尺寸1560mm×415mm×0.9mm，工序為OP10 拉延+OP20 修邊沖孔+OP30 翻邊整形+OP40修邊沖孔。用Autoform 對產品OP10 拉延工序進行CAE 分析，通過CAE 分析可以優化來料寬度尺寸25mm,具體分析結果如下：①從OP10 工序FLD 對比分析來看，OP10 拉延FLD（1560×415）拉伸更充分一點，但兩種成型效果基本相同（見圖18、19）；②從OP10 變薄分析來看，右圖開裂風險相對左圖要稍大一些，但都能滿足要求（見圖20、21）。

圖18 OP10 拉延FLD（1560×415）

圖19 OP10 拉延FLD（1560×390）

圖20 OP10 變薄分析（1560×415）

圖21 OP10 變薄分析（1560×390）

根據上述CAE 分析得出結論，來料尺寸優化理論上是可行的，實際是否可以，申請了10 片料（1560×390）進行驗證，通過檢測均滿足質量檢測要求（見圖22）。后續也進行了小批量驗證，對產品質量及生產效率都沒有影響。根據CAE 分析及試模驗證結論對工藝來料尺寸進行了更改。更改后，材料利用率由之前的43.29%提升至46.06%。

圖22 右下緣前加強板產品檢測

5 結束語

汽車市場競爭日趨激烈的背景下，如何降低公司運營成本是提升車企市場競爭力的關鍵，降本成為公司發展的主旋律。對于沖壓件成本占整車成本20%以上的沖壓廠來說更需要不斷創新思路、深入挖掘出更多的降本提案。基于這種形式我們利用日益成熟的沖壓CAE 分析技術來對早期存在缺陷的工藝進行優化，規避之前設計的工藝缺陷，進而提高產品質量、生產效率及原材料利用率，進一步降低老品量產車型的生產成本，提高汽車銷售利潤提升企業競爭力。