汽车结构件冲压工艺设计优化

安徽江淮汽车集团股份有限公司 合肥 230001

汽车结构件是形成汽车骨架、影响汽车结构稳定性、安全性以及支撑汽车各类元器件的零件。在汽车产品开发中，结构件零件数量多，其搭建关系较为复杂，成为汽车车身精度、强度以及整车开发成本的重要影响因素。

产品数据设计完成后，工艺设计部门对零件进行冲压件工艺规划和计算机辅助工程（CAE分析），一般是从成形性、零件品质保证、模具强度和修边工艺可行性、生产成本等方面提出问题和风险，以ECR（工程变更申请单）的形式反馈给产品设计部门，由产品设计部门对产品数据进行修改和优化，从而达到减少模具开发成本，优化生产工艺，提高整车产品质量的目的。如图1所示，是汽车零件工艺设计的一般流程。

成形性分析

1）冲压件的圆角半径太小，会造成局部过尖，零件减薄率超过极限，从而引起零件开裂。一般情况下汽车内板结构件圆角半径应尽量大于3mm，以避免增加模具数量；局部凸包或凹坑的圆角半径尽量大于8mm，具体圆角半径的尺寸与零件材质和形状等因素相关，可以通过对产品数模的CAE分析，计算零件的减薄率，确认圆角处是否会出现开裂现象，根据分析结果选择满足零件成形要求的合理圆角半径。

图1 汽车零件工艺设计流程

如图2所示，某车型顶盖横梁的零件数模，在产品SE数据阶段，横梁上部凸台沉孔的圆角半径是5mm，经CAE分析，拉延过程中，此凸台圆角根部已超出成形极限，圆角有开裂的风险，经初步分析，将沉台圆角半径增大至7mm可消除开裂。通过对数模整体的排查，优化数模质量。

冲压件的拉延深度或翻孔高度应在合理的范围内，特别要注意局部拉延深度或翻孔较深的部位，由于减薄率过大很容易引起开裂，可以通过CAE分析软件确认是否会出现开裂现象，从而对零件结构进行改进，设置减少拉延深度的特征或改变成形工艺，优化材料流动特性，避免开裂现象。某零件安装板翻边孔的优化过程如图3所示。

图2 产品R角优化

孔1#、2#、3#、4#原来为翻边孔结构，翻边高度为5mm，工艺为冲孔-翻边（孔），经分析由于翻边（孔）高度较高，翻边孔四周存在开裂现象，经产品优化，1#、4#冲孔翻边结构改为台阶孔结构，工艺改为先成形凸台，再进行凸台冲孔；2#、3#通过加大翻边底部圆角和四周圆角，同时翻边高度从3mm改为1mm，可改善零件翻边孔开裂的现象。

图3 某零件安装板的翻边孔优化

冲压件存在负角，在冲压成形过程中，会造成产品件脱模困难无法正常取件，或者需要增加额外的工序实现，因此零件应带有一定的拔模角，拉延深度较大的零件或者高强板零件的拔模角应适当增大。在数模分析阶段，首先通过产品工艺分析，确定零件的冲压方向，在选定的冲压方向生产时，如果零件型面和冲压方向之间存在负角，应进行产品优化，避免因负角的存在无法从模具取出零件，导致工序增加或模具结构复杂化。

某项目水箱上横梁内板如图4所示，初始数模（见图4a）在选定的冲压方向生产时，存在一定的负角，生产工艺无法实现，经沉台侧面角度优化后（见图4b），可在不增加工序的情况下，满足一次性成形要求。

图4 水箱上横梁内板拔模角优化

确认冲压件的结构形状和结构特征是否有利于保证其成形充分性，零件成形不充分的部位会存在刚性不足的问题，因此需要注意拉延深度较浅和无造型特征的平坦部位，可以通过增加特征来提高零件的变形程度。一般通过CAE分析软件来确认冲压件是否变形充分。

图5 零件起皱

检查冲压件是否存在形状变化较大的部位，在拉延过程中可能出现材料受力不均的情况，导致材料流动失稳而出现局部起皱。图6是某项目顶盖前横梁的造型设计，由于凸台前缘的造型存在较大的台阶，经分析会出现起皱的问题，可以通过减小相邻两部分的台阶差的方法解决起皱的问题。

图6 顶盖前横梁

零件品质保证

检查易回弹类的冲压件是否在结构上进行了防回弹设计，梁类件和高强钢类的零件容易产生回弹，在产品设计时应检查冲压件是否设置了防止回弹的特征，是否在零件圆角部位或零件的侧壁增加防止回弹的特征筋。

孔边缘距离翻边圆角末端的距离不宜过小，以避免翻边时孔变形，保证翻边后的孔径精度。

模具强度及修边冲孔工艺的可行性

检查修边线位置的合理性。修边线位置不合理会导致修边刀块强度不足，影响模具寿命，如图7a圆圈处，因边线形状变化较大，无法保证刃口强度，如图7b分析所示，会影响零件质量和模具寿命，可以按图7c优化零件边线。

图7 刃口强度优化

冲孔位置的合理性。冲孔位置不合理会导致压料芯或下模刃口强度不足，从而影响模具寿命。同时孔的位置设置，应保证冲头的合理空间，避免冲孔过程中与零件型面干涉。图8a孔距离零件边缘过近，无法保证孔精度，同时图8b的翻边负角与冲头干涉，冲孔无法实现，孔位置需要向内部移动。

图8 冲孔位置不合理

生产成本

在工艺规划阶段预估大型冲压件模具尺寸，结合生产场地的机床台面对零件形状或尺寸进行优化，不符合所选定生产线要求的零件，应及时进行调整，在满足冲压生产要求的前提下，尽量选择成本较低的机床。

结构件中的安装板、加强板等零件，在符合功能要求和焊接性能的前提下，确保零件的结构和冲压生产工艺简单，模具结构合理，同时尽量减少模具的数量，

零件结构可以保证通过合理排样、合适的成形工艺以及零件合模生产等方法，提升整车材料利用率，对降低材料利用率的零件特征进行修改。

结语

1）分析零件在拉延和成形工艺中存在开裂、起皱的部位，通过优化圆角，增加特征筋消除风险；零件应尽量减少负角特征，工艺可实现，同时应满足模具数量最小化。

2）根据零件材质和形状特征，分析可能存在的回弹、扭曲及局部变形等风险，进行特征优化和工艺预防。

3）保证零件在翻边过程不开裂，冲孔位置设置合理，生产过程无干涉或者因孔距离不合理造成模具强度降低，减小零件变形。

4）零件形状的设定应考虑提升材料利用率、减少模具数量、结构简单及生产线布置合理等因素，降低生产成本。