胡星

（上海電機學(xué)院）

傳統(tǒng)的汽車產(chǎn)品開發(fā)采用順序工程方法，產(chǎn)品依次在各不同部門進行各環(huán)節(jié)開發(fā)，前一過程完成后進行后一過程[1-3]。同步工程 SE（Simultaneous Engineering）是解決產(chǎn)品質(zhì)量、成本、周期問題的有效方法[4-5]。沖壓同步工程對于縮短鈑金件模具開發(fā)周期，降低工裝、板料、后期生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品品質(zhì)起到至關(guān)重要的作用[6-7]。在車身前部吸能結(jié)構(gòu)中，前縱梁是最重要的吸能元件[8-10]。文章運用同步工程基本方法，提出車身前縱梁結(jié)構(gòu)設(shè)計流程，對車身前縱梁進行沖壓分析，利用沖壓有限元軟件對其沖壓全工序進行模擬，完成結(jié)構(gòu)設(shè)計改進?；诘玫降膬?yōu)化結(jié)構(gòu)及工藝，對零件的制造成本進行分析。

1 前縱梁沖壓仿真分析

1.1 數(shù)模幾何特征分析

本次研究的對象是某車型前縱梁，圖1示出其初始三維數(shù)模設(shè)計圖。零件三維空間尺寸為570 mm×120 mm×240 mm，零件厚度為2.2 mm。前縱梁是典型的U形件，其截面變化復(fù)雜，成型深度較大，截面高度變化劇烈，圓角半徑小，形狀狹長，使得沖壓工藝與模具設(shè)計具有一定的難度。為了滿足其功能與安全性能，必須保證零件的強度與剛度，同時提高原材料的強度級別[11]。前縱梁的結(jié)構(gòu)特點導(dǎo)致其成型質(zhì)量不易控制，也導(dǎo)致了其設(shè)計與制造困難。

圖1 車身前縱梁三維數(shù)模圖

1.2 沖壓有限元分析流程

沖壓成型模擬仿真通過專業(yè)的有限元分析軟件，對零件數(shù)模進行處理，模擬零件加工成型過程，從而觀察零件加工過程中可能出現(xiàn)的缺陷。本次使用沖壓有限元模擬軟件研究車身前縱梁的成型過程，分析流程如圖2所示。

圖2 車身前縱梁的數(shù)值模擬分析流程

1.3 有限元分析前處理

將數(shù)模導(dǎo)入沖壓有限元分析軟件之后，需要通過軟件對數(shù)模進行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分的質(zhì)量將直接影響計算效率、計算精度以及計算結(jié)果的收斂性。網(wǎng)格劃分越細，計算機的計算精度越高，但是計算效率會下降。所以工程師在進行計算機仿真分析時要根據(jù)企業(yè)的要求進行網(wǎng)格劃分。

確定沖壓方向是對數(shù)模相關(guān)屬性進行設(shè)定后的一步重要工作。一般而言，確定沖壓方向需要考慮2個方面的問題：1）拉延成型過程中不能出現(xiàn)負角度；2）沖壓深度不能太深并要相對均勻，深度太深會產(chǎn)生一系列成型質(zhì)量缺陷，同時坯料與凸模要有良好的初始接觸情況，保證其在成型之處不會出現(xiàn)起皺等缺陷。圖3示出車身前縱梁沖壓方向，其z向（紙面向里）為車身前縱梁的沖壓方向。根據(jù)車身前縱梁零件的形狀特征，該沖壓方向拉延深度適中，左右兩邊相對均衡，沒有負角度拉延，并且能保證坯料與凸模有良好的接觸。

圖3 車身前縱梁沖壓方向

壓料面是通過工藝補充形面進行區(qū)域選取得到的。工藝形面補充是對零件數(shù)模片體的孔和面進行補充，使其成為封閉完整的面，從而便于完成拉延工序[12]。對車身前縱梁來說，因為其結(jié)構(gòu)狹長，含孔較少，所以其工藝補充主要在兩端與根部。由于其拉延深度較深，對其進行工藝補充時既要考慮成型性，也要考慮材料的尺寸問題，盡量在滿足拉延需求的前提下節(jié)約材料。本次研究中車身前縱梁的工藝形面補充，如圖4所示。

圖4 車身前縱梁工藝補充形面

在有限元軟件中，可以方便地設(shè)計出零件的凸模、凹模、壓邊圈等模具的仿真模型，根據(jù)之前零件的工藝補充設(shè)計，車身前縱梁分析中模具的有限元分析模型，如圖5所示。

圖5 車身前縱梁模具的有限元分析模型定位圖

1.4 材料及工藝參數(shù)

毛坯的形狀對材料利用率、成型過程中的應(yīng)力應(yīng)變分布等有著重要影響，是沖壓件是否合格的關(guān)鍵[13]。車身前縱梁的外形復(fù)雜，通過有限元軟件的毛坯尺寸估算功能可以計算出基礎(chǔ)坯料形狀。再通過實際的工程經(jīng)驗，考慮板料的排樣與其經(jīng)濟性要求，設(shè)計出更加規(guī)則合理的坯料。經(jīng)過多次優(yōu)化比較之后，車身前縱梁的毛坯為580 mm×320 mm的矩形板。

選擇毛坯材料是沖壓工藝方案的內(nèi)容之一，在車身前縱梁的初始設(shè)計方案中，使用冷成型用鍍鋅板，材料型號為HX340LAD，厚度為2.2 mm，體積質(zhì)量為7.8×103kg/m3，彈性模量為 210 GPa，泊松比為 0.3，屈服強度為340 MPa，抗拉強度為510 MPa，厚向異性系數(shù)為0.694。

壓邊力是控制板料沖壓成型的重要工藝參數(shù)之一，直接影響沖壓成型質(zhì)量。壓邊力的設(shè)計要根據(jù)零件要求、工作經(jīng)驗、仿真分析結(jié)果等不斷優(yōu)化[14]。經(jīng)過多次分析優(yōu)化后，車身前縱梁的單位壓邊力取3 MPa。正確選擇摩擦因數(shù)可以真實地模擬沖壓成型過程中接觸界面的摩擦狀況，使得數(shù)值模擬仿真結(jié)果與實際工作情況更加相符。根據(jù)國內(nèi)目前一般模具生產(chǎn)公司的生產(chǎn)條件、技術(shù)水平以及實際工作經(jīng)驗[15]，設(shè)置沖壓成型仿真中摩擦因數(shù)為標準值0.15。

1.5 仿真結(jié)果分析

圖6示出車身前縱梁成型結(jié)果，圖6中的7種顏色代表材料在沖壓成型仿真過程中的成型狀況。其中紅色點云區(qū)域（Splits）代表該部分區(qū)域材料會拉裂；橙色點云區(qū)域（Excess.thinning）代表該部分材料區(qū)域過度變薄，接近開裂；黃色點云區(qū)域（Risk of splits）代表該區(qū)域材料有開裂風(fēng)險；綠色點云區(qū)域（Safe）代表該部分材料發(fā)生安全塑性變形，符合零件沖壓成型質(zhì)量和安全性能要求；灰色點云區(qū)域（Insuff.stretch）代表該區(qū)域材料拉伸不足，基本沒有產(chǎn)生塑性變形；藍色點云區(qū)域（Comprss）代表該部分材料受到面內(nèi)的壓應(yīng)力，有起皺風(fēng)險；紫色點云區(qū)域（Thickng）代表該部分板料起皺。

圖6 車身前縱梁拉延仿真分析成型結(jié)果顯示界面

從圖6中可以看出，車身前縱梁的沖壓成型存在局部起皺的成型缺陷，車身前縱梁成型性不能達到制造要求，需要運用沖壓同步工程技術(shù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化產(chǎn)品數(shù)模。在車身前縱梁沖壓成型過程中容易發(fā)生起皺的區(qū)域位于前部與中部的連接部分，如圖6圈中所示。此區(qū)域位于最終零件上，所以對整個零件的力學(xué)性能與結(jié)構(gòu)性能都會產(chǎn)生影響。從圖6中可以看出該部位比較特殊，其周圍曲面變化幅度較大，所以考慮通過平順形面結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)克服起皺缺陷的目的。數(shù)模修改情況，如圖7所示，此修改方案可以減小局部壓應(yīng)力，減緩板料在沖壓成型過程中的擠壓情況，從而達到克服起皺缺陷的目的。

圖7 車身前縱梁數(shù)模修改前后對比圖

圖8 示出車身前縱梁修改數(shù)模形面后的沖壓成型性能圖。圖8中①處本來起皺的部位變成了壓應(yīng)力狀態(tài)，②處原本受壓應(yīng)力的狀態(tài)變成了拉伸不足，數(shù)模結(jié)構(gòu)更改后起皺區(qū)域的大小與起皺的程度都得到了明顯的改善。

圖8 車身前縱梁結(jié)構(gòu)改進后的成型結(jié)果圖

2 車身前縱梁沖壓成本計算

拉延是基本的沖壓工序之一，文章根據(jù)現(xiàn)有的零件數(shù)據(jù)來計算出壓力機的沖壓噸位，根據(jù)企業(yè)單位的實際生產(chǎn)情況計算出車身前縱梁的沖壓成本。

選擇冷沖板類零件所需要的壓力機噸位時，若是薄板（小于3 mm或壓力機公稱力行程）沖裁時，因為沖裁力不大，可根據(jù)沖壓件沖裁力與壓力的計算來選擇壓力機的噸位[16]；使用一般材料，在壓力機上沖裁普通件時，根據(jù)沖裁力與壓邊力選擇沖床噸位，綜合考慮模具的刀刃磨損、凹凸模間隙不均勻、材料力學(xué)性能波動及材料厚度偏差等因素，壓力機噸位公式，如式（1）所示。

式中：F——壓力機噸位，kN；

F沖——沖裁力，kN；

F壓——壓邊力，kN；

K——系數(shù)，查閱相關(guān)表格，取K=1；

L——數(shù)模周長，mm；

t——坯料厚度，mm；

σb——板料的強度極限，MPa；

P——單位壓邊力，MPa；

A——受沖壓部分的面積，m2。

根據(jù)測量，車身前縱梁周長為1 555 mm，厚度為2.2 mm，強度極限為500 MPa，將其代入式（2）可得：

經(jīng)換算，取沖裁力噸位為170 t。

本次設(shè)定車身前縱梁沖壓成型的單位壓邊力為3 MPa，因車身前縱梁結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實際受沖壓面積不易準確測量，這里估算為板料的一半，即0.5×320 mm×580 mm。根據(jù)式（3）可得：

F壓=PA=3（0.5×320×580）=278 400 N=278.4 kN

經(jīng)換算，壓邊力取 28 t。將 F沖=170 t，F(xiàn)壓=28 t代入式（1）可得，F(xiàn)≥198 t，壓力機噸位取 200 t。

查閱相關(guān)資料與企業(yè)數(shù)據(jù)，獲得成本價格。表1示出沖壓工序成本表。

表1 車身前縱梁沖壓工序成本表

根據(jù)市場價格，車身前縱梁沖壓成型所用材料HX340LAD為8元/kg，所以沖壓件成本如式（4）所示。

式中：C——沖壓件成本，元/件；

C沖——沖壓工序總成本，元/件；

C材——原材料成本，元/件。

由表1數(shù)據(jù)得出：

C沖=0.4+0.4+0.3+0.3+0.3=1.7元/件

C材=毛坯質(zhì)量×單價

=長×寬×厚×體積質(zhì)量×單價

=580×320×2.2×10-9×7.8×103×8

=25.5 元/件

C=C沖+C材=1.7+25.5=27.2元/件

所以車身前縱梁沖壓的成本為27.2元/件。

3 結(jié)論

文章結(jié)合沖壓同步工程的技術(shù)方法與結(jié)構(gòu)優(yōu)化的實際工作經(jīng)驗，對車身前縱梁進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化和沖壓成本計算。對車身前縱梁初始數(shù)模進行沖壓成型仿真并對成型結(jié)果及成型缺陷產(chǎn)生的可能原因進行分析。利用沖壓工作人員的工作經(jīng)驗，對零件可能發(fā)生沖壓成型缺陷的部位作出相應(yīng)的結(jié)構(gòu)改進，并在條件不變的前提下對結(jié)構(gòu)改進前后的零件作出成型性對比，從而使得零件能夠更好地符合實際工作情況。在此基礎(chǔ)上，對前縱梁的沖壓成本進行了分析。分析結(jié)果對縮短前縱梁開發(fā)周期、降低成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量具有重要意義。