1 车门内板特点与常规冲压工艺设计

车门内板形状较复杂，拉深深度较深，约150~180 mm，且上下部位的落差较大，钢制车门的板料一般使用BUSD、DC54D、DC06等冷轧钢板，板料厚度一般为0.65~0.7 mm，在冲压成形过程中，具有开裂和起皱共存的缺陷，成形难度大。

1.1 冲压工艺

根据经验，成形乘用车带框车门内板的冲模一般采用4+1的冲压工艺，需要开发5副冲模完成以下工序，即OP05落料、OP10拉深、OP20切边+冲孔、OP30整形+翻边+切边、OP40冲孔+侧冲孔+整形，如图1所示。

图1   冲压工序

1.2 常规拉深工艺补充

带框车门尺寸大，由于车身设计限制，窗框部位与门槛部位落差较大，为保证零件拉深成形质量，四周压料面需要遵循随形和平缓过渡的原则进行设计，如图2所示，补充面深度按有限元分析指导设计与修改，确保零件无开裂和起皱现象，如图3所示。

图2   常规压料面设计

图3   常规工艺补充面

2 冲压工艺优化及材料利用率提升方案

根据以上描述，在常规冲压工艺中，工艺补充面较深，材料利用率较低，因零件成形开裂问题，要采用开卷落料工艺，需要开发落料模用于生产坯料，经以往项目统计，带框车门内板材料利用率一般在46%~51%。

2.1 窗框上侧压料面工艺及工艺补充优化方案

经研究发现，一般窗框上侧压料面及补充面设计比较深的原因是因拉深成形过程中的压料状态、零件减薄率和材料流入时序的限制，所以材料浪费较多。经分析，窗框部位在拉深过程中，对材料流入需求不大，可利用浅拉深方式进行成形，可减少毛坯板料的使用量，提高材料利用率，如图4所示。

图4   传统拉深工艺补充面与浅拉深工艺补充面对比

因零件形状整体起伏较大，须考虑上模和压边圈闭合时压料状态的光顺性，防止在拉深过程中产生起皱，因此在窗框上侧采用三动拉深工艺进行成形，三动拉深是指在模具中设置3个压料芯，其中上模1个压料芯，下模2个压料芯，且压料芯在拉深过程中行程不一致，如图5所示。该工艺方案可有效控制窗框顶部材料的流动，避免拉深过程中产生叠料。

图5   三动拉深模主要结构

三动拉深成形过程：当坯料放入模具后，压力机滑块带动上模压料芯和凹模下行，下行至成形到底前150 mm，上模压料芯与下模压料芯闭合，凹模和压边圈闭合的同时压料，开始进行拉深，拉深至成形到底前110 mm时，下模压料芯行程到底后停止，完成窗框部位拉深，为避免干涉，上模压料芯开始回退，凹模继续随压力机滑块下行，对其它部位进行拉深，直到拉深结束，拉深过程如图6所示。

图6   三动拉深成形过程中板料状态

2.2 门槛侧工艺优化方案

常规的车门门槛部位成形工艺一般为OP10拉深模通过工艺补充一次拉深到位；OP20切掉零件形状以外的废料；OP30对法兰面进行整形。一次拉深到位需要在零件形状以外设计工艺补充面，拉深模分模线在工艺补充面以外，加深了整体拉深深度，如图7所示，因此该拉深工艺需要消耗的坯料较多，材料利用率较低，同时随着拉深深度的加深，零件门槛部位的拉深减薄率增大，零件开裂失效风险增加。

图7   车门门槛侧常规拉深工艺断面

经分析，门槛部位在保证不起皱与开裂的情况下，可采取浅拉深、后整形的工艺方案进行调整，如图8所示。OP10去除拉深工艺补充面，将压料分模线设置在零件形状内，降低拉深深度；OP20利用二次整形工艺将零件法兰区域成形完毕；OP30切掉零件形状以外的废料。该工艺节省拉深工艺补充面所需的坯料，提高了材料利用率，同时降低了拉深深度，减少了因减薄率增大产生的开裂风险。

图8   门槛侧改进拉伸工艺断面图

2.3 坯料形状优化方案

由于带框车门零件形状不规整，在拉深过程中，各个方向均需要有材料流动对零件形状区域进行补料，防止成形零件开裂，根据以往经验，带框车门内板坯料需要用落料模进行生产，坯料形状如图9（a）所示，需要开发落料模，坯料生产成本较高，且材料利用率较低，造成浪费。经分析，可基于以上优化工艺的基础上，对坯料形状进行优化。优化方案为取消落料工艺，采用不规则摆剪工艺进行下料，然后在模具上旋转坯料摆放位置，OP10增加刺破刀和切断刀结构，以保证零件成形，如图9（b）、（c）所示。

图9   常规工艺坯料形状与优化后坯料形状及刺破后状态

优化冲压工艺降低碳排放量与制造成本
采用坯料形状优化方案后，在坯料生产工装开发方面减少落料模的开发，在坯料生产方面提高了材料利用率，节约了落料加工费。

3 工艺改进对成本节约及碳排放的贡献

3.1 开发成本节约

（1）工装成本：取消2副落料模的开发，模具共重4.0×104 kg，可节约模具开发成本120万元。
（2）量产成本：前、后门内板均采用改进的冲压工艺后，前门内板单件材料利用率由54%提升至62.5%；后门内板由51%提升至57%，每台车型共节约5 kg钢板，按年产5万台计算，可节约坯料成本228.5万元，如表1所示。

表1   工艺改进前后的成本

3.2 碳排放贡献

据相关资料表明，当前全国范围内铸造行业的碳排放水平如表2所示，省去2副2.0×104 kg落料模的开发，可减少64.4吨碳排放量。

表2   铸造行业的碳排放水平

汽车钢板主要材料来源于长流程生产工艺，当前国内钢铁长流程企业平均每吨钢CO2排放量在2.1吨左右，该项目单车规划生产5年，目标为25万台，按表3所示数据计算，通过工艺改进可减少1.25×106 kg的板材使用量，可减少2 625吨碳排放量。为了对碳中和有更直观的认识，国家林业局相关研究数据表明，1棵树每年可以储存10 kg的CO2，在材料节省的基础上，每年将有262 500棵树免于储存板材生产的CO2排放量，对碳中和的贡献非常可观。

表3   工艺改进前后材料用量与碳排放量及碳交易价格对比

从碳排放经济效益上看，按近年全国碳排放交易平均价格为56元/吨计算，可减少碳交易支出费用约14.7万元。
▍原文作者：韦林涛，刘海东，蒙航宇，宋彦汕
▍作者单位：柳州广菱汽车技术有限公司

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