中国汽车冲压行业的同步工程研讨(讲义)

1、1 中国中国汽车冲压行业的同步汽车冲压行业的同步工程研讨工程研讨 吴吴 锦锦 2 目目 录录 第一部分第一部分 引言引言 第二部分第二部分 同步同步工程的工程的目的目的 第三部分第三部分 当前当前存在的存在的问题问题 第四部分第四部分 冲压冲压SESE工作内容工作内容 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 3 4.4、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 第五部分第五部分 成形成形仿真专题研讨仿真专题研讨 第六部分第六部分 工艺工艺设计专题研讨设计专题研讨 第七部分第七

2、部分 回弹控制专题回弹控制专题研讨研讨 4 世界级汽车主机厂应具备的条件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、引言一、引言 5 世界级模具制造水平应具备的条件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

3、具制造水平的途径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 世界级世界级产品产品设计设计的的水平水平 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、二、同步工程同步工程的目的的目的 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TTO1 PP2 PP量产 一般的开

4、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 同步同步工程的实施目的工程的实施目的 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

5、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、三、当前当前存在的问题存在的问题 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 同步同步工程团队的技术水平还有待工程团队的技术水平还有待提高提高，否则无法让，否则无法让产品产品设计部设计部 门信服并积极配合；门信服并积极配合； 产品产品数数模发放模发放计划通常很难计划通常很难严守，导致工艺同步工作仓促、效严守，导致工艺同步工作仓促、效 果不佳；有时产品果不佳；有时产品设计部门对工艺性审查设计部门对工艺性审查意见的整改也存在反意见的整改也存在反

6、 馈不及时的现象。馈不及时的现象。 同步同步工程团队与产品设计工程团队与产品设计部门协作通常存在的问题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，造成工艺设计依赖于工装开发商，但开发商难以早期确定，造成工工 艺艺设计启动时间的严重设计启动时间的严重滞后以及双方滞后以及双方设计理念上的沟通过设计理念上的沟通过迟迟; ; 同步同步工程的输出与后期的工装开发工程的输出与后期的工装开发脱节脱节: : 同步工程团队同步工程团队( (如咨询如咨询 公司公司) )一旦没有能力或权力评审一旦没有能力或权力评审和指导工装和指导工装开发的开发的设计，其设计，其建议建议 往往往往不被工装

7、开发商接受，导致同步工程的不被工装开发商接受，导致同步工程的实施实施效果大打折扣效果大打折扣。 同步同步工程团队与工装工程团队与工装开发单位协作通常存在的问题开发单位协作通常存在的问题 11 四、冲压四、冲压SE的工作内容的工作内容 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 产品设计阶段产品设计阶段 工艺设计阶段工艺设计阶段 工装开发阶段工装开发阶段试制验证阶段试制验证阶段 明确技术要求和验明确技术要求和验 收标准，建立过程收标准，建立过程 跟踪控制规范跟踪控制规范 严格管控

8、产品工艺严格管控产品工艺 性审查性审查 学习参考类似车学习参考类似车 型成熟型成熟工艺，降低工艺，降低 工装开发风险工装开发风险 统一模、夹、检统一模、夹、检 定位基准，以保证定位基准，以保证 白车身精度要求白车身精度要求 依据制造依据制造过程质量过程质量 控制策略，控制策略，严控严控精精 度度检测控制要素检测控制要素 13 工作项目工作项目序号序号工作内容工作内容 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 4.1 .1 标杆标杆车分析车分析 14 （1）

9、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。 新技术新技术新工艺研究新工艺研究 15 （1 1 ）激光）激光拼焊板的冲压成形技术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 2 ）先进）先进高强度钢板材的冷冲压工艺高强度钢板材的冷冲压工艺 根据材料强化机理的不同，高

10、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 17 2）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(sidewall curl)，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

11、异 双相钢DP600普通高强度钢 侧壁卷曲侧壁卷曲 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 3 ）硼钢）硼钢板材的热冲压工艺板材的热冲压工艺 热冲压过程中硼钢材料首先在加热炉里温度升至900C，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

12、强 板和B柱加强板。 20 国内合资工厂热冲压工艺的应用 21 22 （4 4 ）铝合金）铝合金板材的冲压成形技术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300C400C，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 5） 复合钢板的冲压成形技术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 6） 内高压胀形技术内高压胀形技术 内高压胀形技术是通过液体介质

13、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 7） 滚压成形技术滚压成形技术 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 8）滚轮）滚轮包边技术包边技术 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 工作项目工作项目序号序号工作内容工作内容 造型分析 1外板结构分型线评审确认 2外

14、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 4.2 .2 造型造型/ /断面分析断面分析 27 造型造型分析：外板分析：外板结构分型线评审结构分型线评审确认确认 翼翼 子子 板板 行行 李李 箱箱 盖盖 28 断面分析断面分析 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 工作项目工作项目序号序号工作内容工作内容 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

15、件检具开发清单 7零件检具开发费用预算 4 4.3 .3 工艺工艺方案初步方案初步规划规划 30 冲压件冲压件优先级优先级分类原则分类原则 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 工作项目工作项目序号序号工作内容工作内容 产品工艺性

16、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 4.4 .4 产品产品工艺性审查工艺性审查 33 产品产品工艺审查的工艺审查的现状现状 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

17、(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 产品产品工艺审查的工作建议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&TGD&T可制造性可制造性评审评审 1）保证主副

18、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 拔模角和拔模角和负角检查负角检查 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1 1O O ，工艺型面基本无回 弹补偿空间。现调整为单边5 5O O，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

19、查小圆角检查 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 修修边条件边条件检查检查 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

20、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 翻边翻边/ /整形缺陷整形缺陷检查检查 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 工作项目工作项目序号序号工作内容工作内容 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 4.5 .5 成形成形仿真分析仿真分析 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

21、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围， 尚未公开材料性能的正态分布信息，为成形仿真的精度保证带来相当 大的难度。 45 冲压冲压仿真仿真参数参数 仿真软件的

22、选用； 工艺型面和板料的有限单元网格划分； 有限单元（膜单元和壳单元等）的类型选取和积分点的确定； 单元网格自适应性划分的参数设置； 模具型面在冲压过程中的运动关系和参数设定； 压边力和成形吨位的预测方法； 板料形状尺寸的优化方法。 除保证材料性能参数的输入精度，冲压仿真的其它参数也需要在 准确性和正确性上深入研究，从而逐渐形成企业规范，主要包括： 46 仿真结果评价仿真结果评价 通常一个完整的仿真报告需包含以下几个内容： 1、成形过程评价； 2、开裂缺陷评价； 3、起皱/叠料缺陷评价； 4、外板刚性评价； 5、外板冲击线/滑移线评价； 6、材料流入量预测； 7、运动行程、压边力、成形吨位、板

23、料牌号和形状尺寸。 47 回弹回弹预测及模面预测及模面补偿补偿 回弹预测及模面补偿技术是控制板材冲压回弹的核心技术，在 国外冲压行业已得到成熟应用。 回弹预测的精度主要取决于用户对软件的应用程度、精确的材 料仿真模型、合理的有限元单元选择和精确的接触算法。事实证明， 对这些因素的综合考虑能够使得回弹预测与实测结果比较吻合。 48 回弹预测实例：如图显示了NUMISHEET 02翼子板的回弹仿真预测与实测结 果对比的实例。虚线的截面线表明仿真预测得到的截面形状，实线代表实 际回弹状态。二者的吻合充分表明了回弹预测技术的准确性和有效性。 49 实测结果实测结果 仿真预测仿真预测 单位单位: mm

24、：翼子板拉延工序板料流入后的板料边界仿真预测与实测结果对比：翼子板拉延工序板料流入后的板料边界仿真预测与实测结果对比 50 回弹补偿技术的工作流程 51 工作项目工作项目序号序号工作内容工作内容 材料利用率提升方案策划 1产品分块及板料排样分析 2废料回收利用方案确定 4 4.6 .6 材料材料利用率提升方案策划利用率提升方案策划 52 产品产品分块分块 原侧围工艺至少需要5道工序才能完成，工艺难度大、模 具开发成本高、材料利用率低且品质难以保证。 通过对侧围结构的优化，将其重新分块，仅需4道工序就 能完成。不仅降低了模具开发成本和工艺难度，且提高了材料 利用率，冲压件质量也得到了保证。 53

25、 板板料排料排样样 1）未排样优化的材料利用率为31% 2）排样后优化的材料利用率为42%，提高了11% 54 废料废料回收利用回收利用 55 工作项目工作项目序号序号工作内容工作内容 技术规范编制1模具开发技术规范编制 模具设计 2冲压工序图设计会签 3模具结构设计会签 4 4.7 .7 工艺设计工艺设计 冲压工艺设计是连结产品结构设计和模具设计制造的纽带。精益制造的 实现来源于精益的工艺设计。与国外冲压技术体系相比，我国冲压工艺设计 需建立“企业知识库”，使经验型设计走向知识资源型、优化型设计，并借 助于模板化设计等先进的产品开发理念，实现工艺设计的精益化。 56 工艺工艺型型面面精益精益

26、化设计化设计 工艺型面设计的好坏直接影响到冲压件质量、材料利用率以及模具调 试周期。我国汽车冲压行业有必要持续提升工艺型面优化的技术水平， 缩短与国际同行的技术差距。 1）压边圈的设计优化 工艺型面设计的首要任务是确保压边圈型面的设计质量。不当的压边 圈型面设计会造成压边圈合模时板料起皱，直接影响冲压件品质。通过压 边圈型面优化技术可保证压边圈设计质量，确保板料在压边圈合模时的光 顺性。 57 2）工艺补充面的设计优化 工艺补充面的设计结果对冲压件质量有很大影响，工艺补充 面设计不当，将会造成冲压过程起皱、破裂等缺陷发生。因此需 要对工艺补充面进行反复优化设计，最终保证生产出合格的冲压 件。同

27、时工艺补充面的设计也直接影响到钣金的材料利用率。 58 工作项目工作项目序号序号工作内容工作内容 技术规范编制1检具开发技术规范编制 检具设计 2检具结构图会签 3检测报告设计会签确认 4 4.8 .8 质量控制质量控制策划策划 1）依据产品GD&T设计要求，统一模、夹、检定位基准，保证白车身精度要求 2）建立制造过程质量控制策略，设定精度检测控制要素 59 工作项目工作项目序号序号工作内容工作内容 SE结果验证 1冲压工艺方案验证 2冲压仿真结果验证 3冲压件品质验证 4回弹控制策略验证 5外板表面质量验证 4 4.9 .9 SESE结果验证结果验证 60 明确工装开发技术要求和验收标准，建

28、立过程跟踪控制规范。明确工装开发技术要求和验收标准，建立过程跟踪控制规范。 开发进度管控表 工艺会签记录表 工法设计评审表 结构设计评审表 模具动静态检查表 调试过程记录表 61 试试模材料的测试确认模材料的测试确认 在模具调试验收过程中，除了常规的模具动静态检查、冲压件尺 寸精度和表面质量评估以外，国外冲压行业开展了更加精细的工作。 主要有以下几个方面供我们参考。 试模材料的测试确认既有助于理解当前的试模结果，又能够作为 可追溯性资料供后期工作的参考和比较。 试模材料的信息主要包括： 1）材料信息；2）板料信息； 3）试模材料的机械性能参数 只有了解到试模材料参数在参数波动范围中所处的位置，

29、才有可 能对试模结果作出客观的评价。 62 冲压冲压成形性评估成形性评估 试模后采用超声波测厚仪检测冲压件各部位的实际厚度减薄率。通过了 解各部位可能发生开裂的程度，进一步评估该冲压件生产时的成品合格率。 外外覆盖件表面质量检查覆盖件表面质量检查 外覆盖件的表面质量直接影响到整车外观品质。国外对外覆盖 件的质量控制比较严格，通常采用以下四种检查手段： 1）外表面光照检查； 2）网格应变分析； 3）油石打磨检查； 4）专用光学技术（ABIS）检测。 63 冲压冲压仿真精度验证仿真精度验证 在模具调试验收过程进行冲压仿真精度的验证，既能朝以设 计指导制造的方向迈进，又可以从实践中发现仿真技术的不足

30、及 时弥补提升。通常还包括以下验证的内容： 1） 厚度值对比（用于检验板料减薄量预测能力）； 2） 主应变值对比以及次应变值对比（用于检验外板刚性评价 的预测能力）； 3） 材料流入量对比（用于检验板料尺寸计算及优化技术水平） 64 五、成形仿真专题研讨五、成形仿真专题研讨 挖掘/反馈冲压开裂的产品设计及工艺型面问题（SE同步工程） 以精准的CAE技术预测和消除起皱缺陷 分模线优化及板料形状尺寸优化 冲压方向优化 压边圈型面优化 确保大型外覆盖件的成形品质 65 Participants: 1. Corus Group (The Netherlands) 2. TecnologieZentrum (Germany) 3. DaimlerChrysler-Chrysler Group (USA) 4. CIMNE (Spain) 5. GM (USA) 6. The Ins. Of Phy. And Chem