降低门槛内板制造成本的工艺方案

2021-02-26赵晶石潘远安

模具工业 2021年1期

赵晶石，潘远安

（1.一汽解放汽车有限公司，吉林长春 130000；2.长春汽车工业高等专科学校，吉林长春 130000）

0 引言

门槛内板是汽车地板区域重要零件之一，是保证汽车侧碰安全性的主要结构件，对汽车的安全性能有重要影响[1]，其尺寸的稳定性直接关系地板总成的整体尺寸精度。门槛内板的材料强度高、回弹量大、成形力大、制造成本高，也是冲压工艺中成形难度较高的零件之一[2]。在前期零件设计开发过程中，通过同步工程（simultaneous engineering，SE）优化零件、更改工艺方案等方式，降低模具投入费用并提高材料利用率[3～5]。现通过某车型门槛内板数据SE 开发与优化过程，利用CAE 软件分析模拟，指导后期工艺更改，达到降低制造成本的目的。

1 零件信息描述

初始门槛内板结构如图1 所示，材料为HC420/780DP，料厚1.2 mm，型面公差为±0.7 mm，修边公差为±1.0 mm。模拟分析的材料性能参数为：屈服强度σs=521 MPa、抗拉强度σb=865 MPa、硬化指数n=0.13，塑性应变比为Rm=0.88。初始料片尺寸为1 090 mm×375 mm，通过计算（零件质量/料片质量×100%）得出材料利用率为64%。

图1 初始门槛内板

2 数据分析与仿真

2.1 初始数据的仿真与分析

门槛内板的传统成形工艺均为拉深，通过构建工艺补充，利用拉伸延展的原理将零件成形，再通过修边工序将多余材料切除，模具需设置压料芯结构，材料利用率较低。为了达到降低制造成本、提高材料利用率的目的，采用落料工艺既能省去修边工序，又可以利用落料排样使材料利用率最大化。但落料工艺对零件造型要求较高：整体平缓，断面变化小，法兰边规整。初始门槛内板两侧翻边存在30 mm 的高搭接凸台，且主体结构存在50 mm 的高度差（见图1），不满足落料成形的条件，只能采取拉深工艺。拉深工艺的外延工艺补充增加了板料宽度方向20 mm 的用料，影响材料利用率达3%，且因门槛造型高度差较大，模具拉深成形时不能使板料与凸模型面整体同时接触，会有起皱趋势。

通过AutoForm 软件模拟验证分析（见图2）可以看出，板料在拉深过程与预测结果一致，在高低型面连接区域产生起皱，且在成形到底前10 mm 仍不能消除起皱。在内板CAE 分析标准要求中，要保证到底前10 mm 无明显起皱，说明零件目前状态与标准不符。

虽然可以通过增加压料结构消除起皱区域（见图3），但会使拉深模结构变复杂，不利于后期模具维护和生产稳定。初始零件采用拉深工艺的材料利用率为64%，近1/3的材料成为废料，浪费较大。

2.2 优化后数据仿真与分析

为提高材料利用率，在初始门槛内板基础上优化，降低搭接零件高度，取消翻边处凸台结构，将更改后的数据经研发部门确认，帮助零件开发部门分析并调整与门槛内板搭接零件的结构，同时更改前端搭接零件断面，优化后的零件主体高度差降低到20 mm，如图4 所示。再次利用AutoForm 模拟计算，零件造型平面高度差的降低改善了起皱缺陷，如图5 所示，但零件边界的凸出问题仍然存在，致使板料宽度方向较之前模拟没有明显缩短，材料利用率仅提高了1%。

图2 模拟分析过程

图3 增加压料结构的拉深模

从图5 可以看出，起皱区域状态已经满足生产工艺要求，但材料利用率没有明显提升。为了实现材料利用率的实质提升，尝试使用落料成形工艺，AutoForm软件模拟零件成形过程如图6所示。

图4 优化后的零件

图5 拉深模拟过程

从图6 可以看出，成形过程中方框内法兰边起皱，同时造成圆圈内棱线R角挤压变形。在后期模具调试过程中变形的R角不仅美观度差，而且大幅度增加成形阻力，造成模具零件拉伤等问题，对后期生产和维护有较大影响。计算落料工艺的材料利用率发现，材料利用率达79.5%，提升了14.2%。另外，原零件生产工序为拉深、修边、侧整形冲孔和侧冲孔4道工序，而采用落料成形工序后，生产工序为落料、侧整形冲孔和侧冲孔，减少了修边工序，节省模具制造成本16万元，更重要的是降低了后期模具零件表面研配量，在人工成本忽略不计的情况下，模具开发周期至少缩短15天以上。

使用落料工艺方案具有成本及周期优势，只需解决造型高度差导致的R角变形问题即可，故将零件高度差整改至最低。经过反复计算优化，零件造型高度差降至5 mm以内，按照此方案模拟分析结果如图7所示。

模拟结果通过了工艺可行性评估，零件成形过程中没有起皱，R角无变形，材料利用率提高至81%，提升了17%，如图8所示。

将模拟结果反馈给零件开发部门，零件开发部门对最终数据进行CAE 碰撞强度校核，满足相应安全需求，至此零件与工艺均达到最优。同时，研发部门将该零件作为平台件，以后在同一平台车型开发中进行推广，为后续车型保持工艺及成本先进性提供了支持。生产的门槛内板实物如图9 所示，成形质量良好，与模拟分析一致。