【成功案例】車身設計，同步工程大有可為！

2016-09-18 by:CAE仿真在線來源:互聯網

在車身設計全過程中植入同步工程(SE)分析方法,可以大幅度提高數據以及實物質量,從而提高產品及整車質量、減少設計變更和降低整車開發成本!

(黃宏偉巫振環彭勇,集瑞聯合重工有限公司)

同步工程

同步工程(SimultaneousEngineering,簡稱SE)是指在汽車設計階段進行工程化可行性分析,在設計階段把后期制造過程中可能出現的問題暴露出來,通過產品設變、工藝優化等技術手段解決生產制造隱患,避免后期制造的風險。圖1為是否開展SE工作對后續生產制造影響的統計。

圖1 是否開展SE工作對后續生產制造的影響

分析可知,開展SE工作可以提前發現問題,將主要問題在數字樣車階段解決;未開展SE工作,問題將集中出現在實物樣車階段。可見,SE工程的開展可以有效避免由于設計不合理導致的生產制造問題,將生產制造問題提前解決,極大地提高了生產效率、降低了開發成本并提高了產品質量。

本文以沖壓和焊裝工藝為例,重點介紹SE工程在車身設計中的應用。

沖壓SE工程

沖壓SE工程的作用包括:避免設計無法沖壓的產品,將問題消滅在萌芽階段;發現并解決影響沖壓生產的產品設計問題,提前將生產問題暴露出來;提高材料利用率,節約開發及制造成本;優化產品設計及產品結構,降低模具成本;優化沖壓工藝,提高沖壓件質量,提高模具壽命;保證生產線的通用性以及便于柔性化生產。

在沖壓工藝中,沖壓件的成形性、修邊的可行性和翻邊的可行性尤為影響沖壓生產和沖壓模具設計。

1.沖壓成形性分析

沖壓成形性分析,主要是應用當前的CAE分析軟件(如Autoform、Dynaform和Pamstamp等),對沖壓件進行成形性分析,仿真軟件通過計算暴露出沖壓件潛在成形性問題,工藝工程師將問題反饋給車身結構工程師,車身結構工程師根據反饋意見對數據進行修改。圖2為某車型側圍外板成形性(拉延成形)仿真結果,結果顯示沖壓件在拉延成形時減薄率超過20%的區域存在開裂風險。

圖2 某車型側圍外板成形性(拉延成形)仿真分析結果

為了避免沖壓件在成形過程中出現開裂、起皺、沖擊線、滑移線和無法成形等質量問題,白車身鈑金件在設計過程中要遵循如下原則:適當增大導角半徑R角;面與面之間過渡平緩;適當增大拔模角;避免出現尖銳的凸臺和加強筋等結構;適當降低零件拉伸深度。

2.沖壓負角檢查

沖壓負角會影響到白車身鈑金件的成形,因此在白車身設計過程中要盡量避免。設計白車身鈑金件的時候,一定要考慮到零部件的拉延工藝性,其中很重要一點就是沖壓方向,即保證凸模進入凹模的可行性。如果零件在某一部分有內凹,有凹模達不到的死角即沖壓負角,則無法拉延出所需的零件形狀。在設計零件前,要首先考慮沖壓工藝性。

圖3是某車型車門內板沖壓成形SE分析結果,根據上述沖壓件設計原則并結合沖壓負角的概念分析可知,斷面A處存在沖壓負角,需要根據沖壓方向來調整此處的結構。

圖3 某車型車門內板沖壓成形SE分析結果

3.修邊可行性分析

沖壓修邊工序是利用模具的刀刃將多余的料邊修剪掉,以獲得產品所需要的邊界。白車身鈑金件在設計過程中,鈑金件料邊線的方向與沖壓方向的關系,將直接決定模具是否能夠方便地將邊界修剪成產品需要的狀態。

圖4為某車型地板橫梁的沖壓SE分析報告,從中可知,原方案紅色虛線框內的修邊線處于鈑金件R角上,此結構一是在R角處修邊容易導致毛刺等質量問題,二是此處修邊要求模具的沖裁力較大,易導致模具刀刃受損。通過對鈑金件結構分析及模具修邊技術要求,工藝建議將修邊線調整到R角棱線以外,最終方案如圖4右圖所示。

圖4 某車型地板橫梁的沖壓SE分析報告

4.翻邊可行性分析

白車身鈑金件翻邊設計時盡量避免采用內翻邊結構,尤其是兩面、三面或全封閉的內翻邊結構,因為這種內翻邊結構需要采用所謂的“開花”式凸模,否則翻邊結束后零件將無法卸下。另外對于需要側壁內翻邊的零件,在設計時應當保證側壁與垂直方向所成角度大于15°,以便采用垂直壓料機構,否則必須使用斜楔水平壓料機構,這將加大模具設計的難度,同時模具成本也將增加。

焊裝SE工程

焊裝SE工程的作用包括:避免設計無法實現焊接的產品,將問題消滅在萌芽階段;發現并解決影響焊裝生產的產品設計問題,提前將生產問題暴露出來;根據車身材料、料厚和焊點數量定義,分析焊鉗數量,盡量減少焊鉗數量及種類,節約制造成本;優化產品設計及產品結構,使產品結構具有較好的定位方式,降低工裝夾具、檢具成本;開展焊裝尺寸分析,提高白車身符合率、外觀匹配符合率;保證生產線的通用性以便于柔性化生產;開展虛擬工程分析,均衡各工位勞動量和勞動強度,提高生產效率。

1.焊裝定位

(1)車身定位原則

車身設計及制造過程中要遵循RPS(基準點系統)原則。同時,為了使RPS系統能夠在實際生產中發揮作用,研發、工藝、生產制造、零部件供應商、質量及檢驗等相關部門必須遵循以下規則: 3-2-1規則;坐標平行規則;統一性規則;尺寸標注規則;RPS尺寸圖。

關于RPS系統,工程技術人員在制作車身數據時,要始終記住該件或總成的6個自由度是否都被完全限制完整,一般至少要選取一個主定位孔、一個輔定位孔和一個主定位面才能將單件或者總成限制完整。圖5為某車身底板系統的RPS定義圖,分別定義了主定位孔、輔定位孔、主定位面和輔定位面。

圖5 某車身底板系統的RPS定義

(2)案例分析

在開展焊裝SE分析時,首先要考慮的就是單件或焊接總成件的定位問題。根據上述RPS定義及定位原則,我們可以簡化為選擇一個主定位孔、一個輔定位孔和一個主定位面作為單件或總成的定位基準。圖6所示的2個單件均沒有開定位孔,根據RPS定位系統中3-2-1原則,零件定位要素不足,需要增開定位孔和增加定位面,圖6給出了解決方案。

圖6 增開定位孔和增加定位面

2.車身級次定義

按照單件到小總成、小總成到總成、總成到分總成以及分總成到一級總成的分類方法,焊接工藝的流程就是按照從小到大的順序依次編排的。車身設計過程中,結構工程師首先要理清車身焊接級次,并與焊接工藝工程師交流焊裝工藝的可行性,對焊接級次進行適當的調整,以確定工藝可行的焊接級次。焊接級次作為車身結構設計的邊界條件,在項目可行性階段就應該形成文件性的資料,在可行性分析過程中,車身結構工程師與焊接工藝工程師根據產品結構特點及生產線布置等要求,確立可行的焊接級次。

3.焊鉗可達性

焊鉗作為焊接工藝最主要的執行設備,焊鉗能否焊接到產品設計的焊點(即焊鉗的可達性)是焊點工藝可行性的最重要內容。焊接工藝工程師在接到車身數據后,會根據車身級次定義,編制初版工序圖卡,并在工序圖卡中完成焊鉗的可行性分析及焊鉗選型。圖7焊裝SE分析報告顯示出某車型發艙縱梁加強板與縱梁連接板焊接時,焊接可行性及焊鉗可達性分析,從分析可知,在模擬焊鉗焊接時焊鉗臂與加強板干涉,導致焊接無法實現;同時存在連接板與縱梁焊接時無焊點空間的問題,在設計及校核時均要對結構進行避讓。