同步工程在汽车冲压中的应用--产品工程化阶段

同步工程的意义和流程

工作意义

冲压同步工程是在整车开发过程（包括概念设计、工程设计以及模具招标阶段)中对车身零件进行冲压工艺分析的过程。传统的汽车开发设计环节和生产环节严重脱节，易出现设计、造型一流，但后期制造无法实现的情况，而重大的设计变更会造成开发周期延长、成本攀升，甚至生产出二流产品。在项目周期中，越早发现潜在制造风险，可采取的措施越多，解决问题的成本越少（图1)。

图1 可采取措施和成本与项目进度关系

工作流程

整车开发流程是将车型最初的规划变为一件件实实在在的产品，最终走向市场的一个覆盖全过程、全业务链的流程。整车开发流程定义了“什么时候，做什么事情”，各功能模块根据整车开发流程制定工作手册，定义“怎么做”的问题，各功能模块可分为架构开发、造型开发、工程开发和制造开发，从架构开发启动到架构初步定型，之后便开始造型和工程开发，工程和制造开发根据造型开发提供的造型面进行工程布置和工艺开发。

同步工程解决的问题

在SE阶段，冲压件的问题分为两类，一类为可制造性问题，指零件在后期生产过程中应满足的生产条件和产品质量要求，本文将从设备通过性以及零件成形性这两方面进行分析；另一类为易制造性问题，指在零件满足可制造性前提下，通过优化产品设计、模面设计等以获得质量更优、成本更低的零件。

可制造性问题

⑴设备可通过性。主要是验证产品设计是否满足当前设备条件和生产要求，包括线前要求、压机要求、自动化要求以及线末要求。

1)线前要求。主要有堆垛要求、拆垛要求、一模两件能力、清洗能力以及对中能力等。例如钢板使用磁性分张，铝板采用气刀分张，因此铝板零件要求冲压线前具备铝板拆垛能力。

2)压机要求。包括压机吨位是否满足成形力要求、模具是否超出压机台面、压机数量是否满足工序数要求和模具闭合高度要求等。例如由于门内板侧冲孔较多，单序完成侧冲孔时模具存在斜楔干涉，因此需要两序完成侧冲孔，为了将工序数控制在四序，OP20则在轮罩区域连修带整。

3)自动化要求。主要是检测当前产品设计是否满足自动化设备要求，是否影响生产节拍，包括模具摆放方向、零件冲压方向等是否造成机械手和模具之间的干涉等。为了检测此类干涉问题，开发冲压自动化运动仿真系统（图3)，在模具制造之前评估自动化设备和模具碰撞风险并实现工具离线设计功能。

4)线末要求。线末主要是收料区，线末设备需要满足零件旋转、分张要求以及避免产生零件重力变形。零件重力变形是指冲压线末零件由机械手抓取、放到传送带然后再到收料台的整个过程中由零件自身重力引起的变形。外板零件由于自身刚性较差易出现此类问题，因此开发全过程重力变形模拟系统（图4)，成功识别出若干零件的重力变形问题。

图3 自动化运动仿真

图4 全过程重力变形模拟

⑵成形性。针对成形性问题，目前主要依靠Autoform软件对零件全工序进行模拟，并对零件开裂、起皱、凹陷、滑移线等缺陷进行识别。由于各整车厂板料供应商、设备和调试能力不同，故不同厂家的模拟设置标准和判断标准会略有不同，但应和现场实际情况对标，使虚拟仿真结果更加接近现场零件。另外，为了验证冲压的稳定性以及模拟模具调试过程，开发了Sigma仿真系统：一方面，在仿真软件中对料厚、r值、n值、屈服强度以及润滑系数等设置公差范围，以模拟材料、设备条件波动后模具的适应性；另一方面，对压边力、拉延筋系数、板料位置等设置公差以模拟调试过程中模具的适应性。图5所示为用Sigma计算得到某零件的润滑、拉延筋等因素对其局部开裂影响的大小。

易制造性问题

易制造问题是指在满足零件可制造性前提下，如何使零件质量更好，模具结构更加简单，开发周期更短、各节点交付满意度更高。本文将从质量和成本这两方面进行分析。

⑴质量。说到质量就必须要提到精品车和精致工艺。精品车就是卓越汽车的概念，着重于外观质量和尺寸配合质量，从早期造型设计开始，便加强造型设计评审，强化制造过程精品车控制。冲压工艺将整车分为7个关键区域，包括前保区域、前大灯区域、后视镜区域、车顶区域、侧门区域、尾灯区域和后保区域，并形成冲压件精品车问题检查清单，关键节点跟踪更新状态直到模具制造调试阶段。

精致工艺的最终目标就是精致质量。针对冲压件而言，精致工艺是指精巧细致的冲压工艺，模面整体平滑、舒展，细节处拉伸充分且均匀，产品圆润饱满（图6)。

图5 Sigma仿真结果

图6 基础工艺与精致工艺对比

⑵成本。每款车型的面世都需要投入大量的研发和材料成本。随着国际上对汽车安全、节能、环保的要求越来越严格，前期投入的研发成本也越来越高，为了保证整车厂效益，必须控制模具的制造成本以及材料利用率。

从模具的制造成本上来说，主要体现在对工序数的优化、简化模具结构以及降低模具更改费用。首先，工序数的优化可通过连翻带整、连修带整等工艺实现，模具结构简化除了节省模具制造费用外，也简化了模具的维护和保养，这两点都需要SE工程师尽早将工艺需求传输给产品工程师用以优化产品设计。

从材料利用率上来说，提高材料利用率需要SE工程师不断进行工艺创新。以前盖内板为例，在风挡角部应用开口拉延工艺可以将材料利用率提高约4%。对于拼焊板形式的门内板，通过优化拼焊线形状，从多道弯曲改成一道弯曲，从曲线焊改为直线焊可节约零件制造成本。

以某车型后背门内板通过调整产品结构的分块改善冲压工艺性为例

（a）产品分块前设计

（b）CAE仿真分析结果

图7 后背门内板设计及CAE仿真分析结果

后背门内板分块前设计图及CAE仿真分析结果如图9所示，可以看出，后背门内板为整体结构，在给定的冲压方向，拉深深度超过350mm，而且中间部位侧壁拔模角度小，导致拉深开裂严重，无法成形。

（a）产品分块后设计

（b）CAE仿真分析结果

图8后背门内板分块后设计及CAE仿真分析结果

为解决开裂问题，对该产品进行了分块优化设计，建议将整体结构拆分成主体结构件①和3个加强件②、③和④，成形深度降低了95mm，产品分块后设计图及CAE仿真分析结果如图8所示，从图8可以看出，分块后的产品主体结构件①无开裂问题，3个加强件成形也无问题。

以某车型的发动机盖内板通过更改材料牌号来降低产品成本为例

（a）设计图

（b）材料为DC04的仿真分析结果

（c）材料为DC01的仿真分析结果

图*发动机盖内板设计及CAE仿真分析结果

该发动机盖内板结构较为简单（见图9（a）），初始定义材料为DC04，考虑到成本因素，DC01比DC04材料价格每吨节省760元，冲压SE人员采用DC04和DC01两种材料分别进行仿真分析，通过调整压边力、坯料大小、拉深筋大小及分布等，得到的分析结果基本一致，材料为DC04的仿真分析结果如图9（b）所示，材料为DC01的仿真分析结果如图9（c）所示。采用DC01材料单个零件节省成本：0.76元/kg×1.8kg（零件重量）/0.5（材料利用率）=2.7元，故采用DC01材料。

以某车型后保险杠安装支架根据产品功能要求、减少翻边工序为例

（a）更改前的翻边结构

（b）更改后的沉台结构

图10 后保险杠下安装支架

零件的两侧是翻边结构，如图10（a）所示，需要增加翻边工序，建议将翻边结构改为沉台结构，如图10（b）所示。翻边结构的目的是加强作用，沉台结构同样可以起到加强作用，而且还能减少1副翻边模，节省了模具开发成本。

以某车型前围板的工艺性分析为例

（a）翻边工序的冲压方向

（b）起皱解决方法

图11 前围板冲压分析

找出工艺问题并给出整改建议，设定前围板翻边工序的冲压方向为车身负Z向，两侧的翻孔是车身负Z向，而中间的翻孔是车身正Z向，翻孔方向不一致，导致零件成形工序的增加，如图11（a）所示，建议将中间翻孔改为负Z向，保证所有翻孔方向一致，可在同一工序完成翻孔。关于翻边多料导致起皱的问题，建议增开工艺缺口，并给出了详细的参考尺寸，如图11（b）所示。

以某车型翼子板前保险杠安装孔冲孔角度不一致、调整冲孔方向为例

图12 翼子板

翼子板前保险杠安装孔冲孔角度不一致，有3个不同的冲孔方向（见图12），如果在同一工序完成冲孔，其中有2个方向的冲孔角度大，冲孔易出现毛刺，凸模易折断，如果不在同一工序完成，需增加2副模具完成冲孔，增加模具开发成本，建议将3个冲孔方向调整为与车身Y向一致，使其在同一工序完成，保证冲孔精度和位置度。

以某车型行李箱盖内板法兰边位置冲孔边界距圆角根部较近导致模具零件强度差为例

图13 行李箱盖内板法兰边冲孔位置模具零件强度差

某车型行李箱盖内板原始设计如图13（a）所示，孔边界距圆角根部距离只有2.3mm，如图13（b）所示，模具零件刃口强度低，冲孔压料区域面积小，压料力不足，冲孔易出现毛刺，建议此处孔位向产品边缘方向移动，远离圆角根部，保证孔边界距圆角根部距离至少5mm以上，如图13（c）所示，提高产品质量，延长模具的使用寿命。

以某车型侧围的门槛侧壁增加防回弹筋控制回弹为例

（a）侧壁未增加防回弹筋

（b）侧壁增加防回弹凸筋

图14 侧围门槛增加防回弹筋

侧围门槛侧壁为较大的平面，无任何形状特征的凸筋或凹筋，如图14（a）所示，成形后产生的回弹不易控制，容易产生皱纹和波浪，建议侧壁增加均匀的防回弹凸筋，如图14（b）所示，增加的凸筋能有效控制回弹，避免皱纹和波浪的产生，提高产品质量，确保侧围总成的焊接精度要求。

以某车型后地板通过分块从而提高材料利用率为例

（a）分块前设计

（b）分块后设计

图15 后地板分块

后地板分块前设计如图15（a）所示，两侧的凸出部分导致材料利用率偏低，所消耗的原材料偏多，建议图15（a）中以线段位置将零件进行分块，将其拆分成主体结构件①和2个小的连接件②和③，分块后设计如图15（b）所示。零件分块后材料利用率提高了3%，材料选用DC04，料厚为0.7mm，材料价格为4.7元/kg，分块前所用原材料质量为10kg，分块后所用材料质量为9.4kg，节省材料成本：4.7元/kg×（10kg－9.4kg）=2.8元。

结论

针对同步工程在汽车冲压行业的应用分析和总结，结论如下：

⑴同步工程是提高产品质量、降低成本以及缩短开发周期的重要手段，需要造型、工程和制造三个团队一起合作，同步工程工作流程的不断完善与优化是提高同步工程质量的有效手段。

⑵将冲压同步工程工作分为可制造性问题以及易制造性问题，并独立开发出全过程重力变形模拟系统以及冲压自动化运动仿真流程，并成功应用到多个项目中。

⑶冲压同步工程工作质量的提升需要完备的流程支持、工艺人员全面的能力发展以及经验总结。