铝合金车身冲压件的开发与生产维护

在中国政府大力推动和发展新能源汽车产业以及环保政策日益严格的产业环境下，轻量化成为汽车行业发展的趋势之一，铝合金被大量运用到汽车白车身中以实现车身减重的目的。蔚来汽车首款车型ES8为国内首款独立研发量产的轻量化全铝车身（图1)，铝材应用量达96.4%，白车身重量减重至335kg，轻量化系数为2.02，并且首次使用航空级7系铝合金。本文将对蔚来汽车铝冲压件的开发与生产维护进行介绍，包括前期零件成本分析、CAS数据与主断面分析、零件成形性分析、模具工艺与结构设计、模具制造加工与调试、零件母线调试与质量优化、效率与生产稳定性提升。

图1 ES8全铝车身

零件成本分析

在项目启动后，冲压工程部将与产品工程部、项目管理部、采购部门等进行厂内件策略的定义，筛选出初步的厂内件清单，同时参与厂内零件的材质定义与成本评估对比，这里涉及到白车身重量、板料成本、工装成本、生产成本等综合因素的对比考虑与平衡，结合Benchmark对比分析，形成对比分析报告，以支持公司和产品的决策。

CAS数据与主断面分析

从产品工程部拿到CAS数据，进行初步的数据分析，包括分缝线的可行性、第一外观面圆角与第一道翻边面角度的定义与确认、预测潜在外观面品问题与解决对策、零件的潜在刚性问题等。主断面分析主要包括冲压方向、冲压深度、拔模角度、零件的分片策略、零件材质定义的进一步明确、不同零件间的间隙评估、冲压材料利用率评估等。

在CAS和主断面分析阶段会进行竞品车型对应零件Benchmark收集与对比分析，如铝板侧围开发时会参考诸如凯迪拉克、捷豹路虎、特斯拉等车型侧围零件的C柱拉延深度、特征线处成形深度等，通过设计阶段减少不合理的产品设计，在后期将大大提高制造工艺的可行性。

零件成形性分析

在零件成形性分析阶段，不仅仅要关注模拟结果与实际结果的匹配程度，也要关注模拟输入数据与实际生产过程中输入的数据是否匹配。

首先进行零件产品数模与材质信息的输入确认，在材料信息输入前，需进行材料性能的检查与确认，钢板或铝板供应商提供的板料，需要实际的检测并对比其性能与供应商提供的性能之间的差异，避免材料性能差异引起前期输入与后期生产过程中的实际输入不匹配，特别是新材料的引入或者材料国产化替代的过程中需要重点关注，并逐步积累和建立材料的数据库。

其次在进行冲压方向的确认后（图2)，再进行成形模拟分析与工艺规划，并组织评审，输出成形性更改建议报告提供给产品工程部门。在这个过程中主要进行的失效分析包括零件起皱状态（图3)、最大的减薄状态（图4)、主次应变状态、冲击线状态（图5)、滑移线状态（图6)等，模具结构强度极限评估，模具工序规划，材料利用率提升评估，同时进行FLD分析以及预留安全裕度状态评估，比如铝件冲压FLD安全裕度设置为8%。

最后，与产品工程部门达成一致的产品修改意见，并对产品进行修改完善。

模具工艺与结构设计

产品工程部按照冲压同步工程部提出的更改建议进行优化达到SE验收标准后，将产品数模提供给中标供应商开始进行模具的工艺、结构设计。在工艺设计阶段，需重点关注工艺的布置（图7)、成形的稳健性（图8)、零件回弹的补偿（图9)、材料利用率的提升等，其中，在材料利用率方面，通过车型工艺优化可实现材料利用率提升的目标，同时通过行业Benchmark对比，可使材料利用率达到行业最优状态。

图2 冲压方向

图3 零件起皱状态评估

图4 零件减薄状态评估

图5 零件冲击线状态评估

图6 零件滑移线状态评估

图7 零件的工艺布置

图8 零件稳健性分析

首先进行工艺方案的设计（DL图设计与模拟)。在DL图设计与模拟分析时，利用Autoform软件进行零件稳健性的分析，通过屈服强度（如±20MPa)、抗拉强度（如±20MPa)、r值、摩擦系数（如±10%)、板料的位置（如±1mm误差)、压边力（如±10%)以及板料厚度（如±10%)等输入范围的设置，来确认产品噪声的输入变量。在产品模拟出现问题时（如零件开裂失效等)，从稳健性分析结果中找到哪些输入变量是最容易导致不可接受结果的，从而确定不利因素，在前期工艺设计以及后期生产过程中控制这些条件来提高生产可靠性。在稳健的工艺基础上，针对尺寸回弹进行回弹分析，制定回弹策略补偿方案，直到满足产品的形位公差要求，补偿完成后再次进行稳健性评估及外板A面的面品评估。稳健并且精准的模拟回弹是回弹补偿的关键，回弹补偿的一般流程：第一步为工艺规划的优化，尽可能通过工艺方案的优化来降低尺寸的回弹，在工艺方案锁定后，回弹补偿应该只作为最后的措施来降低零件尺寸与期望尺寸之间的偏差；第二步为补偿性分析和概念优化；第三步为稳健性分析及补偿前的优化；第四步为定义补偿策略（如曲面约束、补偿因子等)；第五步为计算机辅助回弹补偿；最后是稳健性分析与补偿后的优化。

图9 零件回弹补偿

然后进行工艺方案的评审与会签。按照工艺会签和验收检查清单，逐一进行检查确认，结合已投产车型的经验教训，通过前期工艺设计避免出现类似问题。

最后是评审问题的关闭以及模具结构设计的开始。

在模具结构设计方面，重点检查与修正工序内容分布的合理性、模具结构强度的合理性、模具匹配设备的状态与生产的便利性，其中包括模具尺寸的检查、废料滑落状态的确认、生产过程中的重复稳定性检查、影响模具冲程的检查、特殊结构使用的确认等。在结构设计完成后进行干涉性检查，检查模具实现最高节拍的可能性以及影响因素是否规避等。

模具制造与调试

在模具制造过程中，按照项目进度计划把控进度，对制造、调试过程中的重要节点，进行现场检查与验收。验收包括泡沫或者铸件的验收、首次拉延件的验收、首次成品件的验收、每轮Q-Loop质量状态的评审、模具预验收与发运回厂安排。

在模具的检查验收方面，按照蔚来汽车冲压厂的模具开发标准，制定各类验收检查清单，按照清单逐一展开验收，确定验收问题以及关闭时间。每轮验收的问题需在下一轮验收前得到关闭，并获得确认。

模具在发运前经过4～5轮的质量优化，实现了零件的尺寸符合率达标（不低于90%)、各序模具的研合着色达标（功能区着色不低于90%)、现场造车重点问题得到解决、模具验收问题100%关闭等条件后，模具进行刷漆和发运准备，在建立零件库存满足现场造车需求的基础上，进行模具的发运。

母线调试与质量优化、效率与稳定性提升

模具回厂后，开始进行试模压机或研配压机的数据采集与数据核实，模具首次在试模压机或者压机生产线上安装前，需在线下完成模具尺寸、模具哈丁（Harting)以及传感器等状态的评估，避免模具首次上线时出现与设备的干涉、模具部件功能不全的状态，提高首次上线的效率。同时，需完成压机线自动化曲线的制作、端拾器的线下制作和线下的初步动作模拟、模具数据（包括尺寸数据、装模与闭合高度、各类驱动机构的气源参数、拉伸垫或者上气垫的压力设置等)的选择和编码（按照统一规则来设置不同模具的ID)，并提前将曲线数据和模具参数数据导入到设备中，以保障首次上线后，能够快速完成自动化的连线。在模具出件状态合格的情况下，可以快速进行压机速度的匹配和提升。

模具调试时，重点关注整车以及内部用户抱怨的各类功能、外观匹配、表面缺陷等问题的解决，同时提升模具的稳定性，解决生产过程中影响批量生产效率的问题，解决模具冲程提高的问题等。当模具调试稳定后，会进行模具的电镀，以达到模具预期的粗糙度、硬度，同时对铝件模具的修边刃口进行DLC涂层的处理来降低料屑的产生，以此来降低零件外观压痕的产生。

模具各类问题，包括质量抱怨、影响生产效率的停机问题以及现场模具拆解发现的问题都关闭后，可以组织模具生产验证，生产验收通过后展开PPAP流程，进行模具的终验收，并移交技术图纸、模具调试完成的样件等给工厂，由工厂负责模具的日常维护。

模具终移交后，开展模具项目的总结，包括整个项目管理过程的管理经验与教训，技术经验与教训，通过经验和教训的收集、分享，提炼出需要在流程体系上做出更新的内容（L&L)以及制造方面（输入给产品工程的MR)需要更新的内容进行更新，以便下款车型能够避免出现类似的问题。

结束语

铝件开发从前期同步工程到车型投产以及完成最终的PPAP，一般开发周期为2～3年的时间。在整个项目过程中，首先需要通过前期产品材质的选择、材料牌号的选择、产品的设计与优化、冲压工艺优化来实现稳健、可生产、低成本的冲压工艺方案；然后经过主机厂、模具供应商的工艺和结构设计、模具制造与调试以及质量优化阶段的调试，来实现前期制定的工艺方案，并能够获得合格的零件；最后通过工厂现场与设备的匹配以及模具的持续优化，达到稳定高效的生产，降低零件返修、报废比例，以及实现规划的最高节拍生产等。

—— 来源：《锻造与冲压》2019年第20期

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