摘 要：級進模工藝是未來車身沖壓零件沖壓工藝的主要發(fā)展方向之一。在項目開發(fā)前期對級進模工藝進行統(tǒng)一規(guī)劃，通過合理產(chǎn)品設(shè)計、排樣設(shè)計與全工序數(shù)值模擬分析，可以有效提升生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。本文基于實際項目經(jīng)驗，介紹了級進模工藝的排樣設(shè)計，提出了基于級進模工藝的前期產(chǎn)品設(shè)計優(yōu)化，闡述了基于AutoForm的全工序成形分析來保證級進模工藝的成形性，總結(jié)了基于級進模工藝的材料利用率提升案例。

關(guān)鍵詞：級進模工藝;排樣設(shè)計;設(shè)計優(yōu)化;成形分析;利用率提升

0 引言

對于車身鈑金沖壓零件來說，一般都需要多個工序才能實現(xiàn)，而隨著汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，技術(shù)水平的不斷提高，各主機廠以及零部件供應(yīng)商不斷嘗試自動化程度高的工藝進行生產(chǎn)，以提高生產(chǎn)效率，降低成本。多工位級進模工藝的特點就是生產(chǎn)效率高，生產(chǎn)周期短，產(chǎn)品精度高，需要占用的現(xiàn)場生產(chǎn)人員少，易于實現(xiàn)自動化批量生產(chǎn)[1-2]，是未來車身鈑金零件沖壓工藝的主要發(fā)展方向之一。

目前，國內(nèi)外各主機廠在前期開發(fā)中，還沒有對車身鈑金零件的級進模工藝選擇進行統(tǒng)一的規(guī)劃，實際生產(chǎn)中級進模的應(yīng)用主要是零部件供應(yīng)商自行選擇，這在一定程度上限制了級進模工藝的應(yīng)用，進而減小了改善生產(chǎn)效率以及降低生產(chǎn)成本的空間。本文基于某項目的級進模工藝規(guī)劃經(jīng)驗，介紹了級進模工藝的排樣設(shè)計，提出了基于級進模工藝的前期產(chǎn)品設(shè)計優(yōu)化，闡述了基于AutoForm的全工序成形分析來保證級進模工藝的成形性，總結(jié)了基于級進模工藝的材料利用率提升案例。

1 級進模工藝的排樣設(shè)計

排樣設(shè)計是級進模工藝設(shè)計的核心工作，其反映了產(chǎn)品的加工過程、模具結(jié)構(gòu)以及材料的利用率[1-3]。

1.1 工序確定

（1）級進模沖壓工藝的特點就是在一套模具上實現(xiàn)多個不同沖壓工序的組合加工，整個工序排布過程主要包括沖裁、成形、切斷三類工序過程。在排樣設(shè)計過程中，首先要考慮被加工制件在全部沖壓過程中共有哪些加工工序，各個加工工序具體的加工分解以及加工工序之間的優(yōu)化組合，針對各加工工序的特點，確定該產(chǎn)品的工序數(shù)目和順序。排序設(shè)計主要遵循以下幾方面：

（2）制件上孔與孔，孔與外形之間有相對尺寸要求時，要考慮在同一工位或者相近工位沖出，尺寸與形狀要求高的輪廓要盡量放在較后的工位上沖出。

（3）當(dāng)孔與邊緣的距離很小，并且對孔有較高精度要求時，要先沖外形，再沖孔。若孔較細長，還應(yīng)分次沖裁，以保證凸模強度。

（4）在沖裁與成形過程中，都要盡量避免復(fù)雜形狀的凸模、凹模，對復(fù)雜的內(nèi)外形要增加工序組合進行分解。

（5）尺寸精度要求高的制件，需要增加整形工序。

（6）根據(jù)需要適當(dāng)設(shè)置空工位，以保證模具強度，并且為后續(xù)調(diào)模時增加工序留有余地。

1.2 料帶設(shè)計

料帶的作用是減小或者消除制件在各工序成形時的相互影響，保證制件在沖壓過程中穩(wěn)定送進，定位準(zhǔn)確[2-4]。料帶的設(shè)計既要保證載體的剛度和強度，又要提高材料的利用率，需要綜合考慮制件的尺寸，材料以及變形特點。料帶的主要帶料方式如表1所示。

料帶的主要設(shè)計原則如下：

（1）各零件間盡量有輔助料帶連接。

（2）薄板料帶盡量采用加強筋方式及增加料帶寬度。

（3）料帶廢料處可采用“U”形折彎來保證料帶穩(wěn)定性。

（4）針對卷寬較寬的料帶，盡量增加折彎來保證料帶穩(wěn)定性，同時對于兩件對拼的情況盡量不要采用中間一條料帶的方式，三條料帶能最大限度的保證送料的穩(wěn)定性。

表1 級進模工藝主要料帶形式

2 基于級進模工藝的前期產(chǎn)品設(shè)計優(yōu)化

沖壓零件采用級進模工藝有諸多優(yōu)點，但是基于級進模的工藝性而言，并不是所有的零件都適合做級進模。為了保證級進模工藝的精益應(yīng)用，需要對產(chǎn)品設(shè)計提出了一定要求，為了避免在產(chǎn)品設(shè)計后期因造型凍結(jié)而導(dǎo)致的更改困難，我們需要在項目前期產(chǎn)品設(shè)計階段提前介入，對產(chǎn)品設(shè)計進行優(yōu)化，從而促進級進模工藝的工藝規(guī)劃與精益應(yīng)用。

2.1 零件周邊盡量給料帶連接提供缺口

如圖1所示，零件周圍一圈都有翻邊，料帶無從連接，若采用級進模工藝，料帶只能連接到翻邊上，后期零件與料帶分離后痕跡明顯，同時也不利于該零件的材料利用率。因此，在前期產(chǎn)品設(shè)計時就要考慮留出缺口，提供連料位置。

2.2 產(chǎn)品主型面區(qū)域開定位孔

如圖2所示零件，在前期產(chǎn)品設(shè)計時就要考慮在主型面區(qū)域開定位孔，用于工藝定位，從而避免在廢料區(qū)域開定位孔，提高材料利用率。

2.3 推薦沖孔修邊與沖壓方向一致，盡量避免側(cè)沖孔，側(cè)修邊

如圖3所示，該零件在送料方向上需要側(cè)沖孔，需要增加斜楔機構(gòu)及空工位，同時也增加模具成本。

2.4 產(chǎn)品盡量不要設(shè)計負角

如圖4所示，零件沖孔的下部存在負角，盡管有的負角可以通過工藝優(yōu)化實現(xiàn)沖壓成形，但是增加了工步數(shù)，增大了模具尺寸，尤其對于步距較大的零件，增加了模具費用及沖次費用的同時也可能導(dǎo)致沒有合適的壓機可以生產(chǎn)。

2.5 橫梁類零件可以根據(jù)連料形式開缺口

如圖5所示，該類橫梁零件兩端連料，如果能在產(chǎn)品設(shè)計前期考慮在連料位置開缺口，則能降低料帶寬度，從而提高材料利用率。

3 基于AutoForm的全工序成形分析

多工位級進模工藝是一種高精密、高效率的多工序集成工藝，尤其對于復(fù)雜零件的沖壓成形，產(chǎn)品容易產(chǎn)生開裂、起皺、回彈等缺陷，為了確保零件的可成形性，可制造性，提高模具設(shè)計與開發(fā)效率，降低開發(fā)成本，對于沖壓產(chǎn)品進行全工序的成形分析是十分必要的[5]。

級進模的沖壓仿真的難點在于毛坯外形輪廓的反算以及成形過程中料帶的變形。在級進模工藝規(guī)劃中，我們使用AutoForm軟件對每一個零件進行全工序的成形模擬分析，如圖6所示。

對于主要關(guān)注以下幾點分析結(jié)果。

3.1 產(chǎn)品邊界優(yōu)化

為了獲得準(zhǔn)確的分析結(jié)果，首先要保證分析后的產(chǎn)品邊界與實際產(chǎn)品邊界并對初始板料輪廓線進行反算優(yōu)化，直至模擬的產(chǎn)品輪廓線與實際產(chǎn)品邊界相比，重合或者在公差范圍內(nèi)。

3.2 料帶中橋的優(yōu)化

料帶中的橋是料帶與產(chǎn)品的部分，這一部分是為了保證在沖壓過程中產(chǎn)品的正常傳送，同時不會因產(chǎn)品的成形導(dǎo)致料帶變形從而影響料帶傳送的準(zhǔn)確性。這就要求橋在沖壓過程中可以變形，但不能斷裂，同時還要保證料帶不能發(fā)生明顯變形，如圖7所示。橋的邊界外形沒有明確定義，最終要結(jié)合成形結(jié)果進行手動調(diào)整。

3.3 成形性分析

通過分析零件的成形過程，如圖8所示，并且對減薄、開裂、增厚、起皺、回彈等結(jié)果進行檢查分析優(yōu)化，如圖9所示，確保零件成形工藝性良好，適合進行沖壓加工。

4 基于級進模工藝的材料利用率提升案例

一般認為，大多數(shù)級進模工藝的利用率會小于或等于單工序的利用率。由于各個零件的形狀存在較大差異，既要保證零件的質(zhì)量又要提高材料利用率存在一定的難度，在二者有沖突的情況下，我們首先要保證零件的質(zhì)量。如何盡可能提高材料利用率是每一個級進模排樣設(shè)計時必須考慮的問題，這需要我們多積累相關(guān)經(jīng)驗，同時對產(chǎn)品的特點和用途有透徹的了解。

4.1 級進模搭邊值選取標(biāo)準(zhǔn)

級進模料帶的形式是影響級進模工藝零件材料利用率的主要因素之一。零件尺寸決定料寬，進而決定料帶形式，再根據(jù)零件特征決定最終料帶。在級進模工藝規(guī)劃過程中，在保證料帶穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，通過規(guī)范級進模料帶形式及搭邊值選取，可以實現(xiàn)材料利用率的最大化。我們在級進模工藝規(guī)劃過程中根據(jù)實際生產(chǎn)經(jīng)驗，按照材料、料厚、卷料寬度三個維度對產(chǎn)品級進模搭邊值選取進行了標(biāo)準(zhǔn)化，如圖10所示為某一中間料帶形式的級進模搭邊值選取標(biāo)準(zhǔn)。通過搭邊值的合理選取，有效提升了產(chǎn)品的材料利用率。

4.2 材料利用率提升案例

在排樣設(shè)計時，通過充分利用級進模工藝特點并結(jié)合零件的不同特點可以有效提升產(chǎn)品的材料利用率，降低成本。對于相同材質(zhì)、料厚、產(chǎn)量的零件可以放在一起考慮排樣設(shè)計：比如左右件、外形相似的零件、中間有大孔的零件與小零件成組套料等。

4.2.1 優(yōu)化工序內(nèi)容

充分利用級進模多工序的優(yōu)勢，將拉延工藝轉(zhuǎn)變?yōu)槎啻纬尚喂に?，提升材料利用率，如圖11所示。

4.2.2 小件雙料帶

小件錯位對拼，如圖12所示，每個件連接一條料帶，既提高了料帶的穩(wěn)定性，同時也提高了材料利用率。

4.2.3 產(chǎn)品面當(dāng)料帶

產(chǎn)品面作為料帶，以產(chǎn)品上的孔作為定位孔，最終分離時切除多余廢料，如圖13所示。

4.2.4 交叉排樣料帶

充分利用零件外形特點，零件交叉排列，減少廢料，提高了利用率，如圖14所示。

4.2.5 套料排樣料帶

對于相同材質(zhì)，料厚，產(chǎn)量的零件，若大零件排樣料帶中有大的空間，可以在料帶中嵌入小零件，形成套料排樣，如圖15所示。

5 級進模在車身沖壓零件中的應(yīng)用

車身沖壓零件采用級進模有諸多的有點，但是并不是所有的零件都適合做級進模，出于對工藝性以及成本考慮，級進模的應(yīng)用對零件的設(shè)計有一定的要求，這需要在項目前期就要對零件的設(shè)計與工藝選擇做出統(tǒng)一規(guī)劃。目前，國內(nèi)外汽車行業(yè)對沖壓零件級進模的應(yīng)用還沒有進行過統(tǒng)一的規(guī)劃。結(jié)合多年的實際應(yīng)用經(jīng)驗，我們在某項目設(shè)計前期進行了級進模的統(tǒng)一規(guī)劃，并結(jié)合級進模的工藝特點以及成本考量，提出了級進模在車身沖壓零件的適用原則如下：

5.1 工藝要求

具備工藝帶料位置;

工藝性符合要求;

料帶穩(wěn)定性符合要求;

產(chǎn)品及廢料收集符合要求。

5.2 壓機要求

臺面尺寸符合要求;

壓機噸位符合要求。

5.3 產(chǎn)品更改頻次

更改頻次過多的零件不建議使用級進模;

后期零件設(shè)變較多的零件不建議使用級進模。

5.4 材料利用率

經(jīng)成本對比評估，與傳統(tǒng)工藝相比，材料利用率損失值需在15%以內(nèi)。

通過對車身沖壓零件進行級進模工藝統(tǒng)一規(guī)劃，如圖16所示，我們制定了級進模工藝適用清單，最終級進模工藝的應(yīng)用比例由以往項目的20%左右提升到該項目的53%，有效提升了該項目車身沖壓零件的自動化生產(chǎn)水平并且降低了成本。

6 結(jié)論

（1）前期產(chǎn)品設(shè)計階段，結(jié)合工藝與產(chǎn)品設(shè)計進行統(tǒng)一規(guī)劃，實現(xiàn)精益設(shè)計及精益工藝開發(fā)。

（2）通過對零件進行全工序數(shù)值模擬分析，可以使模擬結(jié)果更接近于實際生產(chǎn)情況，進而保證零件在級進模工藝應(yīng)用中的可成形性和可制造性。

（3）料帶設(shè)計是級進模排樣設(shè)計的關(guān)鍵，對料帶設(shè)計優(yōu)化可以有效提升產(chǎn)品的材料利用率。

（4）級進模設(shè)計靈活性大，制定方案需綜合考慮各方面的因素，并不斷總結(jié)經(jīng)驗，提升工藝水平。

參考文獻：

[1]聶昕，成艾國，申丹鳳.汽車結(jié)構(gòu)件級進模的料帶優(yōu)化設(shè)計[J].中國機械工程，2010，22（06）：723-727.

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作者簡介：鄭德兵（1984-），男，黑龍江鐵力人，本科，同步工程經(jīng)理，研究方向：沖壓同步工程&車身先進成型工藝。