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進入新世紀以來,我國的汽車行業發展迅猛。2006 年,我國汽車總產量達到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勢,在車身開發階段就考慮到產品模具制造各個環節可能遇到的問題,同步的進行車身設計和模具制造的可行性分析,提高了產品的設計質量,降低產品成本,有效縮短了模具制造周期,是一種行之有效的方法。
傳統的汽車車身模具開發流程基本上是串行的,如圖1 所示。
圖1 傳統的汽車模具開發流程
它主要存在以下問題:
(1) 汽車設計公司獨立開發車身,模具公司被動接受產品,二者之間相互獨立,優勢不能互補;
(2) 整車車身三維數模到達模具制造公司前,數模尺寸基本凍結,后期接到模具公司提出的修改后數模,由于涉及到很多產品前期相關工作,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型的修改方案無法有效快速的溝通,其中模具公司等待數型的修改和確認周期很長,影響公司的計劃和進度;
(4) 由于數型的反復修改和確認給模具公司的工藝分析,數型的整理帶來大量重復的工作,嚴重影響整個產品周期。
1 同步工程模型的建立
同步工程SE( simultaneous engineering) 是并行的,集成的設計產品的系統方法。它的實質是在產品的設計階段,就充分地預測該產品在制造、裝配、銷售、以及回收等環節中可能出現的“問題”,對“問題”提前進行修改和優化,是一種對產品及其實現過程進行同步的,一體化設計的工作模式。
在汽車車身模具開發領域,同步工程主要體現在: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) 和模具制造經驗,對產品制件進行初期成型CAE 和模具工程性預分析,提早發現問題,之后在車身設計人員的共同參與下對數模進行合理優化修改,最后將優化后數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流程
2 同步工程的關鍵技術
在汽車車身沖壓模具開發的過程中,同步工程全面采用計算機輔助技術,將產品三維數模造型、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節緊密聯系在一起,通過對各影響因素的處理集成,有效縮短了產品的生命周期,降低了整車開發成本,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市場需求持續不斷地、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據處理、三維數模的建立、數模表面的光順處理、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、整車裝配以及產品圖的制作等工作。它的應用加速了產品的設計和創新,增強了企業的知識積累,縮短了新車型的開發周期,提高了企業的核心競爭力。
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提供了基礎,但如何評價整車的性能和產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設定、工藝和模具的優化工作。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CAE 分析結果可以對制件的三維數模進行處理優化,這樣減少了數據的相互傳遞次數,降低了產品開發成本,增強了產品的競爭力。
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,在計算機的虛擬環境下實現產品從開始的產品規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。它的應用使數據管理更加條理化,工作的流程更加清晰化,數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,促進異地分布式協同產品開發的實現,為創新產品的開發、企業之間有效的合作提供良好的運行機制和條件。
2. 4 產品的工程性分析技術
產品的工程性分析技術主要指合理的利用現有的模具設計制造“知識庫”,在產品設計初期,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,將現有成熟的模具制造經驗和標準進行集成總結,使設計人員在模具設計最初階段,最大限度的發現問題,并根據相應知識對問題提早進行優化處理。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和制造的周期,促進企業的可持續性發展。
3 典型案例
某車型整車車身前期沖壓模具開發過程中左/ 右后輪罩內板的同步工程產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 個零件調整到沖壓坐標系
下的產品數模如圖3 所示。
 圖3 產品數模
根據產品做出簡要工藝補充和壓料面后的數模如圖4 所示。
圖4 工藝補充數模
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 , 主要參數為: 屈服強度1 760 MPa , 拉深強度3 210 MPa , 硬化指數n = 0. 217 ,各向異性指數r = 1. 94 , 產品料厚t = 0. 8 mm。
經過初期的產品分析發現: 左右兩件均存在孔的布置不合理問題( 產品圖A 處所指區域) 。
缺陷分析: 此孔邊界距離產品邊界只有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
經過分析判斷:通過調節拉延筋、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 ,主要參數為:屈服強度1 500 MPa ,拉深強度3 000 MPa ,硬化指數n = 0. 23 ,各向異性指數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:雖然仍有小區域的開裂現象,但可以判定經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。最后確定數型如圖9 所示。
 圖9 最終確定的數模
相關的搭接件分析: 由于前期的同步工程的協調,對輪罩內部與之搭接制件的相關區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周期,為汽車公司和模具制造公司雙方節約了大量的成本,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,同步工程的發展方向主要表現在以下幾個方面:
(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領域將成為汽車車身設計和汽車模具開發的必然趨勢,相信通過不斷的摸索和經驗的積累,一定會大大縮小和國外先進汽車制造企業的差距,提高國內自主品牌的競爭力。
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