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進入新世紀以來,我國的汽車行業(yè)發(fā)展迅猛。2006 年,我國汽車總產(chǎn)量達到720 萬輛,躍至世界第三位。隨著市場競爭的日益加劇,汽車產(chǎn)品的市場生命周期也越來越短。汽車整車模具制造周期幾乎占整個產(chǎn)品周期的2/ 3 ,如何在保證質量,控制成本的前提下,有效縮短模具制造周期成為縮短整個產(chǎn)品周期的關鍵。同步工程(SE) 技術集成了汽車設計公司和模具制造公司各自的優(yōu)勢,在車身開發(fā)階段就考慮到產(chǎn)品模具制造各個環(huán)節(jié)可能遇到的問題,同步的進行車身設計和模具制造的可行性分析,提高了產(chǎn)品的設計質量,降低產(chǎn)品成本,有效縮短了模具制造周期,是一種行之有效的方法。
傳統(tǒng)的汽車車身模具開發(fā)流程基本上是串行的,如圖1 所示。
圖1 傳統(tǒng)的汽車模具開發(fā)流程
它主要存在以下問題:
(1) 汽車設計公司獨立開發(fā)車身,模具公司被動接受產(chǎn)品,二者之間相互獨立,優(yōu)勢不能互補;
(2) 整車車身三維數(shù)模到達模具制造公司前,數(shù)模尺寸基本凍結,后期接到模具公司提出的修改后數(shù)模,由于涉及到很多產(chǎn)品前期相關工作,例如焊接關系,主斷面圖,汽車整車外形等,數(shù)型修改可能性很小,嚴重影響模具的制造周期;
(3) 汽車設計公司和模具制造公司之間對數(shù)型的修改方案無法有效快速的溝通,其中模具公司等待數(shù)型的修改和確認周期很長,影響公司的計劃和進度;
(4) 由于數(shù)型的反復修改和確認給模具公司的工藝分析,數(shù)型的整理帶來大量重復的工作,嚴重影響整個產(chǎn)品周期。
1 同步工程模型的建立
同步工程SE( simultaneous engineering) 是并行的,集成的設計產(chǎn)品的系統(tǒng)方法。它的實質是在產(chǎn)品的設計階段,就充分地預測該產(chǎn)品在制造、裝配、銷售、以及回收等環(huán)節(jié)中可能出現(xiàn)的“問題”,對“問題”提前進行修改和優(yōu)化,是一種對產(chǎn)品及其實現(xiàn)過程進行同步的,一體化設計的工作模式。
在汽車車身模具開發(fā)領域,同步工程主要體現(xiàn)在:汽車模具制造制造商派出具有一定汽車模具CAE 工藝分析和模具制造工程性分析經(jīng)驗的設計人員參與汽車前期車身設計,利用掌握的有限元分析軟件(主要是AU TOFORM ,DYNAFORM ,PAM2STAMP 等) 和模具制造經(jīng)驗,對產(chǎn)品制件進行初期成型CAE 和模具工程性預分析,提早發(fā)現(xiàn)問題,之后在車身設計人員的共同參與下對數(shù)模進行合理優(yōu)化修改,最后將優(yōu)化后數(shù)模提供給模具制造公司進行進一步的CAE 工藝分析、制作和模具制造。具體的流程如圖2 所示。
 圖2 同步的汽車模具開發(fā)流程
2 同步工程的關鍵技術
在汽車車身沖壓模具開發(fā)的過程中,同步工程全面采用計算機輔助技術,將產(chǎn)品三維數(shù)模造型、制件的工藝分析、成型過程虛擬調試,直至最終沖壓模具的加工制造等各個環(huán)節(jié)緊密聯(lián)系在一起,通過對各影響因素的處理集成,有效縮短了產(chǎn)品的生命周期,降低了整車開發(fā)成本,提高了市場的競爭力。同步工程技術的應用可以使汽車公司根據(jù)市場需求持續(xù)不斷地、低成本地、及時地設計制造出新車型。整個應用過程中涉及的關鍵技術主要包括以下4 個方面。
2. 1 計算機輔助設計( CAD) 技術汽車車身是復雜的自由曲面的集合體,功能強大的CAD 三維造型軟件( 本文主要CA TIA) 可以將設計者的思想和實物模型轉化為CAD 模型。應用CAD 技術可以在計算機中完成整車制件的測量點云數(shù)據(jù)處理、三維數(shù)模的建立、數(shù)模表面的光順處理、特征分布處理、搭接件的干涉檢查、整車主斷面的布置、焊點布置、整車裝配以及產(chǎn)品圖的制作等工作。它的應用加速了產(chǎn)品的設計和創(chuàng)新,增強了企業(yè)的知識積累,縮短了新車型的開發(fā)周期,提高了企業(yè)的核心競爭力。
2. 2 計算機輔助工程分析( CAE) 技術
CAD 模型的建立為車身開發(fā)提供了基礎,但如何評價整車的性能和產(chǎn)品設計的合理性至關重要。CAE 技術利用功能強大的有限元分析仿真軟件(本文主要指AU TOFORM) 可以很好的完成車身零件的工藝參數(shù)設定、工藝和模具的優(yōu)化工作。應用CAE 技術可以準確的預測制件的起皺、破裂、表面質量、回彈、沖擊和滑移線等缺陷;可以完整地模擬制件成型的整個過程:重力、壓邊、拉延、切邊、整形、回彈。根據(jù)CAE 分析結果可以對制件的三維數(shù)模進行處理優(yōu)化,這樣減少了數(shù)據(jù)的相互傳遞次數(shù),降低了產(chǎn)品開發(fā)成本,增強了產(chǎn)品的競爭力。
2. 3 虛擬制造技術( virtual technology)
虛擬制造技術主要以計算機CAD/ CAE 技術為基礎,在計算機的虛擬環(huán)境下實現(xiàn)產(chǎn)品從開始的產(chǎn)品規(guī)劃階段到投入銷售的全過程。應用虛擬制造技術可以在計算機中實現(xiàn)整車車身和零部件的概念設計,造型設計,工藝設計,模具設計,模具加工,模具制造的整個過程并可以實時進行相關修改。它的應用使數(shù)據(jù)管理更加條理化,工作的流程更加清晰化,數(shù)模的改動更加簡潔化。同時它還可以有效的組織市場信息、技術信息、以及資源信息,促進異地分布式協(xié)同產(chǎn)品開發(fā)的實現(xiàn),為創(chuàng)新產(chǎn)品的開發(fā)、企業(yè)之間有效的合作提供良好的運行機制和條件。
2. 4 產(chǎn)品的工程性分析技術
產(chǎn)品的工程性分析技術主要指合理的利用現(xiàn)有的模具設計制造“知識庫”,在產(chǎn)品設計初期,對整車車身制件的制造工序、模具大小、模具結構、機床的選擇以及沖壓生產(chǎn)線的布置等方面進行合理化分析。模具設計制造“知識庫”的建立,將現(xiàn)有成熟的模具制造經(jīng)驗和標準進行集成總結,使設計人員在模具設計最初階段,最大限度的發(fā)現(xiàn)問題,并根據(jù)相應知識對問題提早進行優(yōu)化處理。隨著知識的不斷積累,知識庫的容量也在不斷的膨脹,技術人員水平也會迅速的提高,這將大大縮短后期車型開發(fā)和制造的周期,促進企業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展。
3 典型案例
某車型整車車身前期沖壓模具開發(fā)過程中左/ 右后輪罩內板的同步工程產(chǎn)品的前期工程性評價,綜合考慮零件的特點和模具工藝的需要,最終決定采用左、右兩件共用一套模具。在三維造型軟件中將2 個零件調整到?jīng)_壓坐標系
下的產(chǎn)品數(shù)模如圖3 所示。
 圖3 產(chǎn)品數(shù)模
根據(jù)產(chǎn)品做出簡要工藝補充和壓料面后的數(shù)模如圖4 所示。
圖4 工藝補充數(shù)模
最初安排工序為五序,分別是:1 . 落料;2.拉延; 3. 修邊沖孔側沖孔; 4. 修邊側修邊側沖孔;5. 整形沖孔切開。
初始材料: DC04 , 主要參數(shù)為: 屈服強度1 760 MPa , 拉深強度3 210 MPa , 硬化指數(shù)n = 0. 217 ,各向異性指數(shù)r = 1. 94 , 產(chǎn)品料厚t = 0. 8 mm。
經(jīng)過初期的產(chǎn)品分析發(fā)現(xiàn): 左右兩件均存在孔的布置不合理問題( 產(chǎn)品圖A 處所指區(qū)域) 。
缺陷分析: 此孔邊界距離產(chǎn)品邊界只有3 mm左右(圖5) ,由于相對的位置關系,修邊、沖孔和側沖孔工藝必須分三序進行,并且沖孔時模具強度太弱,不利于產(chǎn)品成型和模具鑄造。
改進方法:將此孔向內側最大偏離2 mm ,其他不變(圖6) 。修改后,不但解決了模具問題,而且可以將修邊沖孔2 個工序合為一序,節(jié)省了一套模具,大大降低了模具成本。
 圖5 孔的最初位置 圖6 修改后孔的位置
改進后的工序為: 1. 落料; 2. 拉延; 3. 修邊沖孔側沖孔;4. 修邊側修邊側沖孔整形。
工藝成型性(CAE) 輔助分析: 使用給定的DC04 材料,在基本確定坯料形狀及拉延筋布置的情況下,在Autoform 中計算結果如圖7 所示。
 圖7 材料為DC04 的模擬結果
經(jīng)過分析判斷:通過調節(jié)拉延筋、壓邊力、沖壓方向等輔助手段不能有效解決破裂問題(圖3B、C 所指區(qū)域) 。由此判定:不更換材料,開裂嚴重,幾乎無法成型;如果前期不做任何處理分析,模具公司按照最初的材料設計工藝和模具,將會產(chǎn)生大量困難,甚至會影響整個車身的裝車時間以及最終的上市。
最后確定把材料更換為DC06 ,主要參數(shù)為:屈服強度1 500 MPa ,拉深強度3 000 MPa ,硬化指數(shù)n = 0. 23 ,各向異性指數(shù)r = 2. 2。更換新材料后模擬結果如圖8 所示。
 圖8 材料為DC06 的模擬結果
結果分析:雖然仍有小區(qū)域的開裂現(xiàn)象,但可以判定經(jīng)過對型面的微小調整(5 mm 以內)可以成形,且成形性較好,有利于后序模具的制造,縮短調模的時間。最后確定數(shù)型如圖9 所示。
 圖9 最終確定的數(shù)模
相關的搭接件分析: 由于前期的同步工程的協(xié)調,對輪罩內部與之搭接制件的相關區(qū)域進行了少量的修改(圖10) ;如果沒有前期的同步工程,后期將可能導致該零件的工藝修改,模具修改甚至影響現(xiàn)場模具調試情況。
 圖10 搭接件
4 結論
同步工程技術的應用有效減少了整車模具的開發(fā)周期,為汽車公司和模具制造公司雙方節(jié)約了大量的成本,大大提高了各自公司的競爭力。但由于同步工程應用的范圍和深度還遠遠不夠,有些方面的管理還不夠成熟,在以后的應用過程中,同步工程的發(fā)展方向主要表現(xiàn)在以下幾個方面:
(1) 汽車模具制造公司設計人員大量參與汽車公司前期的車身設計工作;
(2) 汽車設計公司和模具公司之間相互合作,大大提高雙方科研實力和技術水平,增強各自的競爭力;
(3) 建立同步工程( SE) 方面相關的規(guī)范、標準和相關方面的知識庫;
(4) 通過摸索,不斷擴大同步工程在整個汽車制造過程中的應用。
綜上所述,同步工程技術應用到汽車車身沖壓模具開發(fā)領域將成為汽車車身設計和汽車模具開發(fā)的必然趨勢,相信通過不斷的摸索和經(jīng)驗的積累,一定會大大縮小和國外先進汽車制造企業(yè)的差距,提高國內自主品牌的競爭力。
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