提高白車(chē)身沖壓件材料利用率的方法

文／李鳳華，申強(qiáng)·一汽解放公司卡車(chē)廠

提高白車(chē)身沖壓件材料利用率的方法

文／李鳳華，申強(qiáng)·一汽解放公司卡車(chē)廠

李鳳華，一汽解放卡車(chē)廠沖壓工藝技術(shù)主查，正高級(jí)工程師，一汽高級(jí)專(zhuān)家。目前主要負(fù)責(zé)解放卡車(chē)沖壓工藝技術(shù)工作及沖壓發(fā)展改造工作。其負(fù)責(zé)的多個(gè)項(xiàng)目獲得吉林省市級(jí)獎(jiǎng)項(xiàng)。

質(zhì)量和成本是企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的核心。過(guò)去，我們?cè)跍?zhǔn)備做新車(chē)型時(shí)往往只重視模具成本和零件質(zhì)量，忽略了材料利用率問(wèn)題，而沖壓件的材料利用率是沖壓件投產(chǎn)后生產(chǎn)運(yùn)行成本的重要指標(biāo)。一般情況下，沖壓件重量占汽車(chē)白車(chē)身總重量的95%以上，材料成本占沖壓件成本的60%～70%，要想降低沖壓件的成本就必須降低沖壓件材料成本。降低材料成本的重要途徑之一是提高材料利用率，降低材料消耗。

材料利用率及材料定額的定義與計(jì)算方法

材料利用率

沖壓件鋼板材料利用率是指材料直接用在汽車(chē)本身上的比率。不同的企業(yè)有不同的材料利用率的計(jì)算方法，但大體思路是一致的。通常情況下：材料利用率＝一個(gè)零件的凈重／一個(gè)零件的消耗定額。

材料利用率說(shuō)明材料被有效利用的程度。材料利用率是衡量沖壓件經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo)。對(duì)于一個(gè)沖壓件來(lái)說(shuō)，材料利用率越高，意味著材料消耗越低，所以，在產(chǎn)品一定的情況下，提高材料利用率，是降低材料成本的有效途徑。

金屬材料消耗定額

材料消耗定額簡(jiǎn)稱(chēng)材料定額，它是指生產(chǎn)合格產(chǎn)品所需要消耗一定品種規(guī)格的材料的數(shù)量標(biāo)準(zhǔn)，包括材料的使用量和必要的工藝性損耗及廢料等。

金屬板材消耗定額的計(jì)算公式為：一個(gè)零件（沖壓件）的消耗定額＝卷重／可制零件數(shù)（或一張板料的重量／一張板料可制零件數(shù)）。零件的材料消耗包括從開(kāi)卷剪切（落料）開(kāi)始的所有加工過(guò)程產(chǎn)生的材料消耗。制定材料消耗定額，主要是為了利用定額這個(gè)經(jīng)濟(jì)杠桿，對(duì)物資消耗進(jìn)行控制和監(jiān)督，材料消耗定額對(duì)企業(yè)的生產(chǎn)成本控制具有重要意義，也是產(chǎn)品價(jià)格核算的重要基礎(chǔ)和依據(jù)。

影響材料利用率的因素

影響材料利用率的因素有很多，主要因素有以下幾方面：沖壓件的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、工藝方案、模具結(jié)構(gòu)等。要想提高材料利用率，降低材料消耗，必須在這幾方面下功夫。

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)：不同的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方案其成本差別是非常大的，在滿(mǎn)足功能的前提下，要盡量采用簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)或少無(wú)廢料的結(jié)構(gòu)。

工藝方案：不同的沖壓成形方法，是否采用落料、是否成雙生產(chǎn)、采用拉延成形還是壓彎成形等對(duì)材料利用率的影響都很大。

模具結(jié)構(gòu)：模具工藝型面的形狀與大小、拉延筋的布置等都對(duì)工藝補(bǔ)充的形狀和大小有很大影響，應(yīng)在前期工藝模擬和DL圖設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)關(guān)注，工藝人員在會(huì)簽時(shí)要重點(diǎn)關(guān)注和控制。

工藝方案和模具結(jié)構(gòu)都是為產(chǎn)品服務(wù)的，工藝方案的制定依據(jù)也主要是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，所以產(chǎn)品是材料消耗和材料利用率的首要因素。要想提高材料利用率，降低材料消耗，首先必須重視產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段對(duì)材料方面的考慮，其次在產(chǎn)品一定的情況下要在工藝準(zhǔn)備方案和模具結(jié)構(gòu)上下功夫，否則，在產(chǎn)品投產(chǎn)以后再考慮提高材料利用率降低成本，往往投入大量的人力和物力卻收效甚微。

提高材料利用率、降低材料成本的主要方法

提前確定材料利用率目標(biāo)

根據(jù)目標(biāo)車(chē)型提出材料利用率指標(biāo)，綜合考慮產(chǎn)品特點(diǎn)和以往車(chē)型經(jīng)驗(yàn)，給出經(jīng)濟(jì)合理的材料利用率目標(biāo)，將該目標(biāo)值作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)和模具設(shè)計(jì)的輸入條件，并在整個(gè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和準(zhǔn)備過(guò)程中將其作為重點(diǎn)指標(biāo)來(lái)進(jìn)行管理和控制。

做好產(chǎn)品開(kāi)發(fā)同步工程工作

即工藝開(kāi)發(fā)與產(chǎn)品開(kāi)發(fā)同步進(jìn)行。工藝人員是產(chǎn)品設(shè)計(jì)和產(chǎn)品制造的中間橋梁，應(yīng)提前介入產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，并重點(diǎn)從材料利用率和材料消耗入手，對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)審并提出材料方面的產(chǎn)品更改申請(qǐng)單，將提高材料利用率的要求和目標(biāo)提交給產(chǎn)品設(shè)計(jì)者，并在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段就提出具體的產(chǎn)品套裁和廢料利用方案，工藝人員要加強(qiáng)與產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員的溝通與交流，在保證產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和功能的情況下盡量滿(mǎn)足工藝提出的要求。

在 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方面

⑴零件結(jié)構(gòu)要盡量簡(jiǎn)單：產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不僅工序少節(jié)約模具費(fèi)用，有利于質(zhì)量提高，更能有效減少工藝廢料，提高材料利用率。對(duì)一些梁類(lèi)零件，應(yīng)盡量簡(jiǎn)單，采用簡(jiǎn)單的壓彎和成形工序而不采用拉延工序。

圖1 結(jié)構(gòu)廢料多，材料利用率低的零件

⑵分塊要合理：產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上要盡量避免結(jié)構(gòu)廢料太多的形狀，如圖1所示，這類(lèi)零件的材料利用率很低。產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員更多從功能上考慮，較少關(guān)心材料利用率問(wèn)題，這時(shí)就要求工藝人員要及時(shí)將主機(jī)廠工藝要求反饋給設(shè)計(jì)者。對(duì)這類(lèi)零件的解決方案：a）可以在設(shè)計(jì)上考慮分成幾個(gè)零件焊接在一起；b）采用激光拼焊板沖壓零件；c）如果實(shí)在不可分，盡量考慮利用結(jié)構(gòu)廢料。

沖壓件的材料選擇

在材料牌號(hào)的選擇上，一個(gè)車(chē)型所選的材料品種及料厚的規(guī)格盡可能的少，這樣既便于廢料的利用，也有利于合并材料規(guī)格，降低材料采購(gòu)成本。

材料的厚度盡可能選用常用和標(biāo)準(zhǔn)厚度。小件材料的選擇應(yīng)盡量向能產(chǎn)生可利用廢料的大件靠攏，以便在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)時(shí)就確定廢料利用方案，投產(chǎn)時(shí)直接利用廢料生產(chǎn)。在滿(mǎn)足成形性要求的情況下，盡量采用級(jí)別較低的材料牌號(hào)。一些梁類(lèi)的結(jié)構(gòu)件，應(yīng)盡量采用高強(qiáng)度板材料，提高車(chē)身強(qiáng)度，減輕自重，降低材料成本。

在工藝設(shè)計(jì)方面

⑴對(duì)一些形狀簡(jiǎn)單的零件，如加強(qiáng)板、橫梁等，可以用簡(jiǎn)單的壓彎工序或成形工序代替復(fù)雜的拉延成形工序，不僅可以節(jié)省模具投資，還可以減少工藝廢料，降低材料消耗，提高材料利用率。

⑵有些內(nèi)部件，如果能夠滿(mǎn)足產(chǎn)品功能要求，盡量用落料、壓彎工序而不用成形工序，降低材料消耗，如圖2、圖3中的橫梁和工藝。能用成形生產(chǎn)的就不用拉延生產(chǎn)。

⑶在編排工藝時(shí)有時(shí)需要綜合考慮模具成本和材料成本。如有的零件不用落料模也能生產(chǎn)出合格件，為了節(jié)省一套模具費(fèi)用就可以不用落料工序，但如果采用落料工序可以節(jié)省材料的話(huà)，則需要進(jìn)行綜合計(jì)算。通常對(duì)于大批量汽車(chē)生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，后期生產(chǎn)節(jié)省的材料費(fèi)用可能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于模具成本，這時(shí)就應(yīng)從長(zhǎng)遠(yuǎn)考慮增加落料模具。

圖2 某橫梁

⑷合理排樣和設(shè)置搭邊值。中小件的毛坯排樣對(duì)材料消耗定額和材料利用率影響很大，根據(jù)展開(kāi)毛坯形狀選擇具體排樣方法。具體的排樣方法有直排、斜排、對(duì)排、混合排、多排等排樣方式，但是選擇排樣方法的原則是少無(wú)廢料，同時(shí)要考慮模具結(jié)構(gòu)、零件精度要求、定位方式和操作的方便等。有些排樣方法在理論上雖然節(jié)省了材料，但在實(shí)際生產(chǎn)中操作難度大，而且易產(chǎn)生廢品，所以要結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際來(lái)確定合理的排樣。搭邊值的大小，影響著材料利用率，所以搭邊的正確選擇很重要。影響搭邊值的主要因素有：展開(kāi)毛坯形狀、毛坯尺寸、送料方式、壓機(jī)的沖程次數(shù)、材質(zhì)和料厚等，一般資料中都有搭邊值表，可根據(jù)料厚、毛坯形狀、尺寸大小、送料方式等來(lái)選取，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況加以修正。由于實(shí)際生產(chǎn)中定位準(zhǔn)確性和操作的問(wèn)題，一般按理論最小搭邊值在生產(chǎn)中會(huì)存在問(wèn)題，所以實(shí)際確定的搭邊值應(yīng)比查表得到的搭邊值大10%～20%。

⑸對(duì)于中小型零件在工藝設(shè)計(jì)時(shí)要考慮盡量利用現(xiàn)有廢料生產(chǎn)，以便在模具設(shè)計(jì)時(shí)直接考慮利用廢料的結(jié)構(gòu)。否則投產(chǎn)后再考慮利用廢料則調(diào)試和組織難度較大。

⑹采用成雙生產(chǎn)工藝。汽車(chē)零件有許多對(duì)稱(chēng)件，這些零件在工藝設(shè)計(jì)時(shí)最好采用成雙生產(chǎn)工藝，不僅提高效率，降低成形難度，保證質(zhì)量，還能提高材料利用率，減少工藝廢料損失。有些件也可采用一模多件的形式提高材料利用率。

圖3 采用壓彎工藝代替成形工藝

⑺采用開(kāi)卷落料工藝，實(shí)現(xiàn)少無(wú)廢料。對(duì)于外表面件采用開(kāi)卷落料方式落料，不僅能夠提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量，由于開(kāi)卷落料沒(méi)有搭邊，可提升材料利用率，對(duì)于有些零件可達(dá)到無(wú)廢料落料（剪切），利用率大幅度提升。同時(shí)在開(kāi)卷落料時(shí)有大廢料的模具要設(shè)計(jì)成廢料能回收的模具結(jié)構(gòu)，并與開(kāi)卷廠溝通，保證開(kāi)卷廢料的回收利用（圖4、圖5）。

圖4 采用開(kāi)卷落料（擺剪）和成雙生產(chǎn)工藝

圖5 某車(chē)型側(cè)圍開(kāi)卷廢料回收利用

⑻采用套裁工藝，使小件與大件在同一套模具內(nèi)，一次出兩件或多件，既提高了材料利用率也減少模具投入，提高生產(chǎn)效率。

模具設(shè)計(jì)與調(diào)試

⑴對(duì)大型零件在模具設(shè)計(jì)時(shí)要考慮廢料的回收和利用。如某卡車(chē)的后圍窗口的廢料，按正常工藝該件在自動(dòng)線生產(chǎn)，其廢料應(yīng)切斷從廢料輸送線自動(dòng)排除，但考慮該件廢料利用價(jià)值很高，在模具設(shè)計(jì)時(shí)要求將該件的廢料不要切斷并從設(shè)備的側(cè)面滑出，使該件的廢料得到回收和利用。在自動(dòng)生產(chǎn)線上的廢料回收，要在模具結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)線采取特殊措施，保證回收的可操作性（圖6）。

圖6 后圍廢料利用排樣圖

⑵在DL圖和模具結(jié)構(gòu)圖設(shè)計(jì)時(shí)盡量保證工藝補(bǔ)充最小化，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)保證鋼材最小化。對(duì)于一些形狀簡(jiǎn)單的零件可采用淺拉延的方式，直接以制件的法蘭面做為壓料面，這樣可最大限度的減少工藝補(bǔ)充，提高材料利用率，如J6的前圍某些橫梁。此項(xiàng)須充分利用CAE模擬技術(shù)，提前模擬判斷工藝和模具結(jié)構(gòu)，以保證質(zhì)量要求。

⑶模具調(diào)試時(shí)，要盡量調(diào)到毛坯材料最小。毛坯料無(wú)論是條料還是落料，在毛坯試驗(yàn)時(shí)都要盡量做到修邊廢料最小，毛坯最小。因?yàn)樵诿鞒叽缭囼?yàn)時(shí)都是在模具制造調(diào)試階段，在模具制造廠進(jìn)行，主機(jī)廠的工藝人員要對(duì)此關(guān)注，并提前對(duì)模具廠家提出有關(guān)材料利用率等方面的具體要求，保證試驗(yàn)出的毛坯尺寸既能生產(chǎn)出合格零件，又用材最少，減少不必要的浪費(fèi)。

結(jié)束語(yǔ)

車(chē)身材料利用率的提升是降低成本的有效途徑。提高材料利用率的方法很多，在車(chē)身產(chǎn)品開(kāi)發(fā)準(zhǔn)備的整個(gè)過(guò)程中，材料利用率指標(biāo)在每一個(gè)環(huán)節(jié)都要控制，在實(shí)際工作中要時(shí)時(shí)都有成本意識(shí)，加強(qiáng)各部門(mén)的溝通與合作，同時(shí)要加強(qiáng)對(duì)模具供應(yīng)商的管理和要求，只有各個(gè)環(huán)節(jié)都重視，才能達(dá)到降低成本的目標(biāo)。