中国汽车冲压行业的同步工程研讨(讲义)

1中国汽车冲压行业的同步工程研讨吴锦2目录第一部分引言第二部分同步工程的目的第三部分当前存在的问题第四部分冲压SE工作内容4.1、标杆车分析4.2、造型/断面分析4.3、工艺方案初步规划34.4、产品工艺性审查4.5、成形仿真分析4.6、材料利用率提升方案策划4.7、工艺设计4.8、质量控制策划4.9、SE结果验证第五部分成形仿真专题研讨第六部分工艺设计专题研讨第七部分回弹控制专题研讨4世界级汽车主机厂应具备的条件产品定位能够与国际知名汽车公司相匹敌；具备低成本、高效率、高质量的产品开发优势；拥有全球市场竞争实力，不能局限于国内乃至个别区域。一、引言5世界级模具制造水平应具备的条件最低的模具制造成本、最短的模具开发周期；最稳健经济的冲压生产工艺；精益的工艺型面设计；最合理的钣金材料利用率；成熟的冲压件精度控制策略；轻量化的模具结构设计；高精度数控编程及加工技术；以技术为主导的短周期模具调试；较高的产品冲压效率(SPM)6达到世界级模具制造水平的途径建立以知识库为基础的的工艺控制和数据跟踪管理系统采用以技术为主导的模具开发制造模式世界级产品设计的水平产品设计数模与工艺设计能够同时冻结途径：实施行之有效的制造工艺同步工程7二、同步工程的目的近年来，同步工程（SE工程）的理念已逐步被我国主机厂接纳并深入推广。制造工艺的同步工程就是将工艺设计与产品设计并行开发，在产品数模冻结之前挖掘产品和工艺存在的问题并及时整改，以减少后期由于设计变更而造成的成本浪费。通过同步工程发现问题的曲线概念报告产品设计S阶段TTO1PP2PP量产车身开发过程问题数量一般的开发方式下发现问题的曲线8工艺设计与产品设计并行开发，有效缩短工装开发周期确保产品设计的可制造性，保证冲压零件首次提样的项目节点减少样车试制期间的产品设变，节省工装整改费用优化产品分块及板料排样，提高材料利用率，降低采购成本合理规划冲压工序，确保生产稳健性，提高设备利用率同步工程的实施目的9制造工艺的同步工程工作在我国主机厂只能够实现局部意义上的同步，有待于持续改善，向全方位与产品开发同步的目标努力。目前我国主机厂同步工程和工艺设计往往并非由同一技术团队完成，二者设计水平和理念上的差异导致双方技术衔接相当困难，最终造成原本已经设计冻结的产品数模在工装开发的初期（即工装开发商的工艺设计阶段）还要重新遭遇一轮设计变更，极大影响了项目进度。三、当前存在的问题我国主机厂对同步工程的开展通常经历“项目外委合作”、“内部消化吸收”和“项目独自承担”三个阶段。10同步工程团队的技术水平还有待提高，否则无法让产品设计部门信服并积极配合；产品数模发放计划通常很难严守，导致工艺同步工作仓促、效果不佳；有时产品设计部门对工艺性审查意见的整改也存在反馈不及时的现象。同步工程团队与产品设计部门协作通常存在的问题工艺设计依赖于工装开发商，但开发商难以早期确定，造成工艺设计启动时间的严重滞后以及双方设计理念上的沟通过迟;同步工程的输出与后期的工装开发脱节:同步工程团队(如咨询公司)一旦没有能力或权力评审和指导工装开发的设计，其建议往往不被工装开发商接受，导致同步工程的实施效果大打折扣。同步工程团队与工装开发单位协作通常存在的问题11四、冲压SE的工作内容冲压SE的工作内容主要包括标杆车分析、造型/断面分析、工艺规划、工艺性审查、成形仿真分析、材料利用率提升策划、工艺设计以及质量控制策划和实施验证工作。12产品设计阶段工艺设计阶段工装开发阶段试制验证阶段明确技术要求和验收标准，建立过程跟踪控制规范严格管控产品工艺性审查学习参考类似车型成熟工艺，降低工装开发风险统一模、夹、检定位基准，以保证白车身精度要求依据制造过程质量控制策略，严控精度检测控制要素13工作项目序号工作内容标杆车分析1标杆车型的调查、评价以及不良问题收集2工艺性难点汇总、质量提升策划、新技术新工艺研究3钣金件品质检查及冲压工艺性研究4材料利用率初步分析5冲压生产能力评估4.1标杆车分析14（1）激光拼焊板的冲压成形技术；（2）先进高强钢板材的冷冲压工艺；（3）硼钢板材的热冲压工艺；（4）铝合金板材的冲压成形技术；（5）复合钢板的冲压成形技术；（6）内高压胀形技术；（7）滚压成形技术；（8）滚轮包边技术。新技术新工艺研究15（1）激光拼焊板的冲压成形技术激光拼焊板冲压成形技术是车身轻量化的先进制造技术之一。西方汽车发达国家已成功地将该技术应用于内覆盖件和骨架件等车身零件（见图中所示）的13种零件的冲压生产中。16（2）先进高强度钢板材的冷冲压工艺根据材料强化机理的不同，高强度钢可分为普通高强度钢和先进高强度钢(AHSS)，其中先进高强度钢主要包括双相(DP)钢、复相(CP)钢、相变诱导塑性(TRIP)钢和马氏体(M)钢等。双相(DP)钢和相变诱导塑性(TRIP)钢通常采用冷冲压工艺实现车身轻量化。1）先进高强度钢的优点•减重•提高碰撞安全性能•降低车身制造成本•提高车身疲劳强度172）技术难点：冲压回弹造成冲压件的尺寸精度严重超差和普通高强度钢相比，先进高强度钢在冲压过程中不仅会造成较大的弯曲回弹和扭曲变形，而且还会产生严重的侧壁卷曲(sidewallcurl)，这将严重影响冲压件的形状尺寸精度和整车装配。双相钢和普通高强度钢冲压件的回弹差异双相钢DP600普通高强度钢侧壁卷曲18AHSS/UHSS的大量应用是汽车工业的发展趋势。回弹问题是AHSS/UHSS冷冲压面临的主要技术障碍。国外汽车公司已经成功地将回弹控制技术应用于车身制造中。AHSS/UHSS冷冲压面临的挑战19（3）硼钢板材的热冲压工艺热冲压过程中硼钢材料首先在加热炉里温度升至900ºC，然后送入配备冷却系统的模具中进行冲压成形并同时在模具中迅速冷却，从而使材料晶相由奥氏体完全转变为马氏体，屈服强度由最初的320MPa升高至1150MPa以上。热冲压工艺主要应用于车身的结构安全件，如保险杠车门防撞梁，A柱加强板和B柱加强板。20国内合资工厂热冲压工艺的应用2122（4）铝合金板材的冲压成形技术国外轿车已成功地将铝合金板材运用在开闭件和翼子板上实现车身轻量化。除冷冲压成形以外，国外还采用温热成形技术（即把板料放在模具中加热至300ºC~400ºC，然后低压成形并在模具中冷却）以提高铝合金板材在冲压过程中的可成形性。23（5）复合钢板的冲压成形技术复合钢板用于国外高档轿车的个别钣金件，主要起到降低噪声的作用。镀锌层钢板层粘合层钢板层镀锌层（6）内高压胀形技术内高压胀形技术是通过液体介质产生管内高压，一次性胀形加工出几何形状复杂的零件，该工艺保证了零部件结构的整体性，可取代传统的冲压件焊装组件工艺。典型应用实例为发动机托架，支架结构和梁类件。24（7）滚压成形技术滚压成形技术是通过一系列滚轮对板料逐步进行圆角压形，最终滚压出等截面的工件，主要用于梁类零件如保险杠横梁，侧碰防撞梁。25（8）滚轮包边技术滚轮包边技术是通过机械手运用滚轮压边完成开闭件的包边，可替代传统的冲压包边工艺。与冲压包边相比，滚轮包边可节省一副包边上模。滚轮26工作项目序号工作内容造型分析1外板结构分型线评审确认2外板冲压可行性评价3外板表面质量确认（斑马线审查）断面分析4基于主断面的冲压成形性评价5零件形状简化分析6对外观圆角的评价与确认4.2造型/断面分析27造型分析：外板结构分型线评审确认翼子板行李箱盖28断面分析零件较深，建议尽可能放大底部圆角。该处为外观小圆角，后期工艺设计时需要采用“过拉延”工艺。29工作项目序号工作内容工艺方案初步规划1零件优先级分类2模具工序开发清单3模具生产布线方案4冲压工位间输送方式确定5模具开发费用预算6零件检具开发清单7零件检具开发费用预算4.3工艺方案初步规划30冲压件优先级分类原则1)模具自制且零件由生产基地自行生产：大中型覆盖件、关重结构件2）模具自制但外委由供应商冲压供货：中小型易于运输的关重结构件3）零件采购（模具由供货商制作）：采购成本低的中小型普通结构件31为了有效控制工装开发成本、制定经济的工艺方案，国外知名汽车企业均编制精益制造的冲压工艺方案模板供冲压技术人员遵循。我国主机厂有必要建立“精益制造的冲压工艺方案模板”，并纳入“企业知识库”。32工作项目序号工作内容产品工艺性审查1GD&T可制造性评审2冲压方向选择3拔模角和负角检查4小圆角检查5孔位可制造性检查6修边条件检查7翻边/整形缺陷检查8部件形状的简单化、部件的通用化分析及评价9可能起皱、开裂部位的预测及预防措施10尺寸精度可能超差部位预测及预防措施11外板起伏、光顺性、刚性的评审及确认4.4产品工艺性审查33产品工艺审查的现状1）我国汽车产品的CAD设计仅有十几年的历史，CAD设计人员多为年轻工程师，缺乏系统的工艺知识培训，产品设计时很难主动地兼顾产品结构的制造工艺性。2）从事产品工艺审查的冲压技术人员忙于编制设计变更需求表(ECR)，无暇将共性问题与特殊问题加以区分对待，忽视了对重点问题的及时关注和解决。3）冲压技术人员业务水平参差不齐，以工艺经验为主的工作模式无法保证工艺审查工作的实际效果。34产品工艺审查的工作建议根据经验积累针对共性问题编制冲压工艺对产品结构设计的需求指南，并纳入“企业知识库”，以提高产品设计质量和工作效率。1）产品设计人员学习掌握设计需求指南，并在结构设计完成后进行自检，在工艺版数模发放前自行避免共性问题的发生。2）冲压技术人员集中精力解决疑难结构问题，确保产品设计的工艺可行性。35GD&T可制造性评审1）保证主副定位孔有足够的相对距离，且可在同一工序冲孔完成；2）夹持点数量合理且能够消除冲压件的自身柔性；3）公差要求合理，已考虑到装配需求且制造成本可控。36〈案例1〉：关注贴合面的匹配，同时避免匹配件的圆角干涉〈案例2〉：合理定义过孔孔径，消除遮孔现象〈案例3〉：合理定义搭界面尺寸，保证焊接需求37拔模角和负角检查〈案例〉：纵梁前后段为高强度钢板（B340LA，T=2mm），纵梁前、后段原数模的拔模角度为单边1O，工艺型面基本无回弹补偿空间。现调整为单边5O，不仅增加了工艺型面的回弹补偿空间，并且极大地降低了模具在拉延过程中的磨损。38小圆角检查1）为保证冲压量产的稳定性（产品成品率），产品圆角在不影响产品功能和装配干涉的情况下尽量采用大圆角，建议拉延部位的内圆角半径最小不要小于6mm。2）多面相交的圆角处理采用“三通”式球头。3）若外覆盖件造型需要小圆角特征，则应当借助工艺途径解决其开裂问题。39孔位可制造性检查侧壁角度过大，无法“正冲”该处小孔。建议小孔处的平面坡度小于10O为保证冲孔质量，冲孔位置应避免与棱线圆角过近或位于棱线圆角处。建议孔边与圆角切线的距离至少保证5mm。40修边条件检查缺口开在棱线处且宽度仅3.5mm，无法保证修边刃口强度建议：在平面处修边，缺口宽度保证10mm按图示红线修正边界，保证废料滑出通畅41翻边/整形缺陷检查为避免翻边叠料，建议采用“宽度15mm以上，翻边高度仅为3mm”的工艺缺口为避免翻边开裂，建议采用工艺缺口42工作项目序号工作内容成形仿真分析1开裂部位预测2起皱预测3外板表面质量检查4回弹预测并提出控制策略5压边圈压力和冲压吨位估算6毛坯和落料尺寸估算4.5成形仿真分析43当前以数值模拟为中心的计算机应用技术在冲压领域迅速发展并走向实用化，使汽车冲压技术真正进入了可分析阶段，传统的板料成形技术开始从经验走向科学化。与国外成熟的冲压仿真技术相比，我国的冲压CAE分析尚未形成规范化的技术体系，没有建立一个统一的专业标准，对分析结果的评价也存在诸多的人为因素。44材料性能的波动对冲压成形仿真计算以及评价结果会产生很大的影响。我国现行冲压仿真采用的材料参数通常以材料参数的平均值作参考。但是如果技术人员不了解材料性能波动的程度，就无法选取适当的安全系数作为评价标准来确保生产中的成品合格率。材料参数与国外不同，我国的钢铁企业目前仅提供材料性能的波动范