长城汽车：模具套材技术介绍
当前汽车工业竞争激烈，汽车厂商如何在激烈竞争的市场中占得先机、领跑市场，关键在于降低制造成本、缩短开发周期。汽车覆盖件生产是汽车制造的重要组成部分，据统计，汽车覆盖件制造费用占汽车制造费用的70%以上，而大多数汽车覆盖件均为冲压制造。但汽车冲模制造成本约为200万元/副，成本较高，造成汽车开发成本居高不下。在冲压件成本中，材料费用占80%左右，由于制件形状及工艺需要而产生的废料或冲裁余料无法利用，影响了冲压工艺的经济性，增加了零部件的制造成本。因此，分析汽车冲压方面的成本控制措施，选择合适的冲压工艺，不断优化模具结构，在模具开发时考虑材料利用率等，将决定汽车制造成本。模具套材技术是指从整车考虑，在保证制件造型、不改变制件结构及不增加额外成本的前提下，利用整车不同制件的造型特点，通过多种制件镶嵌生产实现一模多件<2>，降低车辆开发和生产成本的工艺技术。现以引擎盖内板、门内板和门外板支撑板为例，对模具制件外套材技术和内套材技术进行研究。
1套材工艺分析
引擎盖内板、门内板和门外板支撑板（门外板支撑板焊接在门内板上，由于门内、外板之间的空间较大，需要加强板支撑外板的强度）的生产工艺相对简单，精度较易控制，一般可采用传统的4工序工艺。套材工艺从整车考虑，不拘泥于局部总成限制，利用引擎盖内板、门内板造型特点将多种制件套材生产，以提高生产效率，节省制造及开发成本。
1.1 工艺分析
引擎盖内板、门内板及门外板支撑板单独开发，一般为4工序工艺，具体工序内容如表１所示。
表1 单件工艺方案
引擎盖内板、门外板支撑板、门内板共需开发12副模具，模具开发成本高；三者均为1模1件生产，生产效率低，存在浪费能源现象；由于制件造型及料片限制，废料区较大，坯料浪费严重，且拉深成形后废料无法二次利用。
图1所示为按传统工艺成形的引擎盖内板，引擎盖挡风区域宽度为1 613 mm，最深处达386 mm，生产过程中材料浪费严重（如使用弧形料，卷料宽度超2 000 mm，采购困难），需开发新工艺新方法解决。
图1 某车型引擎盖内板传统工艺方案
1.2 模具套材技术
为了解决上述问题，通过对引擎盖内板造型特征进行研究，并对该车型整车结构件筛选，最终将门外板支撑板嵌入某车型引擎盖内板挡风区域，实现了制件外部套材工艺技术方案，如图2所示。引擎盖内板与门外板支撑板套材生产的工艺：OP10拉深；OP20修边/冲孔/侧修边；OP30修边/冲孔/侧修边/侧冲孔；OP40整形/翻边/分离，具体工艺路线如表2所示。
图2 某车型引擎盖内板套材工艺方案
表2 套材工艺路线
同理带窗框门内板的窗框部位材料浪费严重，造成了材料利用率低，且没有强有效的提升方法。现将门外板支撑板镶嵌于门内板窗框位置进行生产，实现了门内板窗框部位内部套材方案。门内板与门外板支撑板套材生产的工艺：OP10拉深；OP20修边/冲孔/侧修边；OP30修边/冲孔/翻边/整形；OP40整形/冲孔/侧冲孔/分离，具体工艺路线如表2所示。
与传统的单件生产工艺相比，套材工艺除制件原工艺内容外还增加了所套制件的工艺内容。模具套材技术可以节省模具制造及生产开发成本、提高整车材料利用率与生产效率。套材后某引擎盖内板材料利用率提高4.21%至51.26%，门内板材料利用率提高3.18%至55.13%。但套材生产降低制造成本的同时，也引起了许多单件生产工艺未产生的问题，需要提前识别并制定解决对策，现以某车型引擎盖内板外部套件为例，对套材生产引起的工艺问题进行研究。
1.3 CAE分析
为保证套材工艺的顺利进行，需要对制件进行冲压工艺规划和CAE分析<3>，从成形性、模具零件强度、修边工艺以及自动化生产可行性等方面对套材工艺进行前期风险识别，并通过优化制件结构及生产工艺等措施，达到制件正常生产和提高整车质量的目的。
1.3.1 成形性变化
套材生产对制件成形稳定性有较大影响，由于门外板支撑板镶嵌于引擎盖外部挡风位置，引擎盖挡风位置成形性控制难度增加，与单件生产相比易开裂。由套材生产引起开裂风险如图3所示，需要从制件及工艺方面对成形性进行优化。
图3 套材工艺CAE分析开裂风险识别
1.3.2 模具零件强度及修边工艺可行性
拉深工艺排布时制件间距需要提前确认，当制件间距过小时，修边翻边刀块强度不足易引发断裂。同时后工序修边工艺排布时，检查修边线位置的合理性，修边线位置和修边前后工序的排布也需要提前识别，否则会引起制件连接部位废料形态不当，卡滞在模具内部，如图4所示。
图4 刀块断裂及废料卡滞
1.3.3 自动化生产风险
由于门外板支撑板宽度较窄，吸盘平面位置选取困难。门外板支撑板造型需提前分析识别，否则生产过程中吸盘力不满足要求或吸盘位置不合理，制件会从吸盘上掉落而出现摔伤或断裂等问题。如图5所示，门外板支撑板无布置吸盘位置，吸盘只能布置于引擎盖内板位置。在分离工序前的转运过程中，易在门外板支撑板和引擎盖内板连接薄弱位置出现断裂，且分离后需手工取件，无法实现自动化生产。
图5 门外板支撑板
1.4 风险问题解决
1.4.1 成形开裂问题对策
针对套材生产引起的成形性风险，提前采取相应的对策。受引擎盖内板挡风位置套件影响，引擎盖内板与门外板支撑板出现开裂，制件上通过加大R角及拔模角提高成形性，工艺上通过光顺凸、凹模R角等措施来提高套材工艺成形性。工艺优化后的制件成形性如图6所示，CAE分析开裂风险问题消除。同时对现场调试出现的开裂问题提前采取对策——调整模具零件型面粗糙度，优化模具零件料流部位表面粗糙度至Ra0.3 μm，降低特征高度0.2 mm并光顺此处型面，以达到缩短调试周期的目的。
图6 优化后CAE分析结果
1.4.2 模具零件强度与修边工艺可行性对策
工艺排布优化：制件排布及工艺补充在满足成形条件前提下，制件间隙不能小于24 mm，以保证修边翻边刀块强度，防止模具在生产过程中由于刀块强度不足导致模具零件损伤，工艺补充优化后的方案如图7所示。
图7 工艺补充优化方案
工艺方案优化：为保证废料正常下滑，后工序修边内容需提前确认，制件连接处采用修边冲孔工艺，同时需要保证每块废料尺寸不超过600 mm，减少L形废料产生，防止出现U形废料，套材工艺方案修边工序布置如图8所示。
图8 修边工艺优化方案
（a）外部套材OP20工艺 （b）外部套材OP30工艺 （c）内部套材OP20工艺 （d）内部套材OP30工艺
1.4.3 自动化生产对策
为保证吸盘能正常抓取制件，需根据制件质量计算吸盘尺寸，每个制件重力：0.333 kg×10 N/kg=3.33 N（重力系数取10 N/kg），考虑门外板支撑板造型特征复杂且平面狭小，尽量选用小型吸盘，故优先考虑60 mm×30 mm椭圆形吸盘，吸盘吸力F计算公式如下：
其中，N为吸盘个数；△P为大气压强与真空系统的压差；S为有效吸附面积；μ为摩擦系数，约0.1~0.4（潮湿或油性表面）；k为安全系数。
△P为大气压强与真空系统的压差，取 10 N/cm³，椭圆形吸盘面积S=16.06 cm2，摩擦系数选取最小值0.1，同时考虑制件抓取传递过程中的加速度及制件的颤抖和变形，结合以往端拾器选取经验，最终确定安全系数k取5。经计算2处椭圆形吸盘提供的吸力F=6.424 N。
吸盘吸力F大于制件重力，满足要求，故选取60 mm×30 mm椭圆形吸盘，同时考虑吸盘抓取制件时的位置误差，吸盘符型面要比吸盘单边大2.5 mm，吸盘符型面最小尺寸为65 mm×35 mm。为保证制件自动化生产，制件设计阶段提前布置2处65 mm×35 mm的平面，最终门外板支撑板造型及吸盘位置如图9所示。
图9 门外板支撑板造型及吸盘位置
2模具套材效果
模具套材工艺生产的制件如图10所示，经过批量生产验证，模具套材工艺制件无起皱及开裂问题，且精度满足装车需求。套材工艺在不增加额外成本的基础上，最大限度减少整车生产和开发成本。引擎盖内板和门内板套材生产后材料利用率分别提高了4.21%和3.18%，同时节省门外板支撑板开发成本约17元/辆，每年可节省336万元。
图10 套材工艺批量生产状态
▍原文标题：模具套材技术研究
▍原文作者：赵建永
▍作者单位：长城汽车股份有限公司 生产技术中心