基于某微客沖壓項目開發(fā)過程中的降成本工藝研究

孫宗弟 徐凱 李千千

（上汽通用五菱汽車股份有限公司 青島分公司，山東 青島 266555）

【摘 要】成本意識是工程技術人員應具備的基本意識，合理的成本控制可以幫助企業(yè)提升競爭力。沖壓工程作為汽車制造四大工藝之一，對整車制造成本有著重要的影響。文章基于上汽通用五菱汽車股份有限公司青島分公司某新型微客汽車沖壓項目的開發(fā)過程，從各階段的工藝性優(yōu)化研究、材料利用率提升和制造策略優(yōu)化等方面，對沖壓工程的產(chǎn)品開發(fā)降成本實例工作進行了經(jīng)驗總結，幫助企業(yè)節(jié)約生產(chǎn)和采購成本。

【關鍵詞】降成本；材料利用率；落料排樣；工藝優(yōu)化

【中圖分類號】U466 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2016）04-0055-04

0 前言

中國步入“十三五”規(guī)劃階段，經(jīng)濟發(fā)展進入新常態(tài)，制造行業(yè)的競爭加劇。對汽車行業(yè)而言，成本控制壓力越來越大，在沒有革命性創(chuàng)新導入的前提下，保證產(chǎn)品的“低成本、高價值”是企業(yè)成功的根本，尤其在微客制造領域，較低的利潤率對成本控制要求更高，如何合理地降低成本對每一位工程師都是一個挑戰(zhàn)。為了更加有效地降低整車制造成本，通常從人力、設備、工具、物料、設計工藝工法及工作周圍的條件等方面去研究對策。

1 汽車沖壓制造工程成本分析

汽車的生產(chǎn)成本包含人力成本、設備和產(chǎn)權均攤成本、零部件成本、技術研發(fā)成本4個方面的內(nèi)容。企業(yè)為了增強競爭力，短期內(nèi)最直接有效的降成本方式則為降低汽車新產(chǎn)品的零部件的采購和制造成本。

汽車零部件包含車身、底盤、發(fā)動機、變速箱、電子電器系統(tǒng)等大型零部件，也包含一些提升舒適度的汽車用品和通用件。通常，一臺白車身的鈑金重量在350～450 kg，如果按照50%的材料利用率計算，需要耗費700～900 kg材料。對于微客而言，車身鈑金的零件材料利用率每提高1%，單車成本降低50～70元[1]。

從沖壓制造工程研究，白車身70%以上的鈑金件是通過沖壓工藝制造出來的，這70%的鈑金沖壓件主要為車架及車身覆蓋件，占據(jù)了白車身的主體重量，因此提升沖壓件的材料利用率是比較直接且有效的降成本方式。

2 提升材料利用率的方式

提升沖壓件材料利用率主要通過沖壓工藝的合理制定來實現(xiàn)。對于簡單的小型沖壓件，因為工藝內(nèi)容簡單，少廢料甚至無廢料，所以利用合理的排樣即可實現(xiàn)提升材料利用率；對于大型沖壓件，如汽車車身覆蓋件、車架大梁、輪罩等，因工藝復雜，所以提升材料利用率的方式就需要從前期數(shù)據(jù)評審、拉延工藝、落料排樣、模具設計甚至工藝的生產(chǎn)一致性保障等進行多方面的考量。

3 產(chǎn)品設計階段的工藝性和經(jīng)濟性分析

系統(tǒng)同步工程（SE）已經(jīng)被廣泛運用于新產(chǎn)品的開發(fā)過程，在新產(chǎn)品項目開發(fā)過程中，通過整合各部門的資源，開發(fā)初期，部門間要研討并制定出將會發(fā)生的所有風險問題的解決方案，以便完成質量目標。在項目前期對各部門提出的設計需求進行充分的研討，形成一個相對理想的方案，使后期設計變更次數(shù)得以大大的降低，同時縮短了產(chǎn)品項目的開發(fā)周期，降低了量產(chǎn)時的問題數(shù)量，更降低了不可修復問題發(fā)生的概率，使產(chǎn)品質量得到了大大的提升。

SE工作對降成本工作的推動作用也比較顯著，主要通過縮短開發(fā)周期、減少變更次數(shù)和提升有效性3個方面影響整車開發(fā)過程的成本變化。

（1）縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。減少試制時間和初期計劃波動管理時間，使產(chǎn)品可以快速進入量產(chǎn)，盡早上市獲得收益。經(jīng)過統(tǒng)計，使用了SE活動的產(chǎn)品開發(fā)周期由原來的36～48個月，提升到了現(xiàn)在的12～24個月[2]。

（2）減少設計變更次數(shù)?？s短了工時，減少項目各階段對樣車需求的數(shù)量，使試制設備可以快速投入下一個新項目的資源準備中。據(jù)研究統(tǒng)計，經(jīng)過SE工作可使產(chǎn)能提升約50%，交替時間減少約75%，項目中斷時間降低約70%[3]。

（3）對項目有效的性提升有明顯的幫助?？梢詼p少反復操作，實現(xiàn)信息的實時共享，避免了產(chǎn)品設計師和制造工程師之間的產(chǎn)品實現(xiàn)性的矛盾，減少設計變更費用，制造工程師也可將制造需求在前期就輸入產(chǎn)品設計中，例如增加材料利用率評審，與產(chǎn)品工程師共同實現(xiàn)產(chǎn)品制造的經(jīng)濟性。

以某微客側圍外板產(chǎn)品的開發(fā)為例，在產(chǎn)品初版數(shù)據(jù)中，產(chǎn)品工程師對側圍與頂蓋后橫梁的搭接部位的設計如圖1（a）所示，產(chǎn)品特征沒有成型性和功能上的問題，但是材料利用率方面表現(xiàn)不佳，經(jīng)過SE工作，沖壓制造工程師對側圍外板的局部特征提出了優(yōu)化方案，材料利用率明顯優(yōu)于以前，起到降成本的效果。

4 優(yōu)化落料工藝

沖壓件產(chǎn)品形狀各異，為了更好地實現(xiàn)沖壓工藝，拉延坯料的排樣方式、送料方向等都會經(jīng)過設計模擬以求減少工藝廢料比例。傳統(tǒng)工藝使用開卷后落料的方式得出需求的料片形狀，為了提升材料利用率和降低成本，近年來擺剪、連續(xù)落料等工藝的使用已在行業(yè)內(nèi)推廣。

為了在不影響質量的前提下，最大化地優(yōu)化拉延坯料的形狀，追求材料高利用率，需要從沖壓工程的角度系統(tǒng)地考慮落料排樣、坯料邊角尺寸及沖壓成型性分析之間的最優(yōu)平衡點。

表1為微客開發(fā)項目中后側圍外板模具開發(fā)2種拉延坯料工藝排樣對比，老車型項目側圍外板采用單體落料的工藝，為提升材料利用率，新項目中采用了連續(xù)落料排樣的工藝。對2種連續(xù)落料排樣做了詳細的對比，明顯經(jīng)過簡單的排樣后，材料利用率由53.45%提升到了56.33%。

繼續(xù)對此側圍的拉延坯料尺寸的邊角進行仔細分析發(fā)現(xiàn)，連續(xù)落料最小步長為1 580 mm，非最優(yōu)步長，落料坯料主體步長尺寸為1 560 mm，A、B 2處的邊角處板料工藝尺寸的優(yōu)化可行性分析成為縮短步長的關鍵。

通過對后側圍外板拉延工藝進行分析，前部門檻位置有起皺風險，縮小料邊尺寸后起皺有滑移到零件表面上的高風險，因此A方案不適用。后部尾燈和D柱搭接邊區(qū)域主要為工藝補充面和筋條，存在優(yōu)化的可行性。

按方案B，對后側圍外板尾部料邊進行優(yōu)化，優(yōu)化邊角尺寸后的排樣如圖2所示。

對優(yōu)化邊角后的零件重新進行CAE分析，進行坯料減薄率驗證、主副應變驗證，結果顯示，除優(yōu)化邊角位置的工藝補充“余肉”存在開裂風險外，其余部位性能與優(yōu)化前一致。對于尾部工藝補充“余肉”開裂問題，分析原工藝補充面（如圖3所示），嘗試將標識區(qū)域的工藝補充“余肉”高度降低1.55 mm，然后重新進行CAE分析，分析結果顯示開裂風險消除。在完成步長工藝尺寸優(yōu)化后，材料利用率由56.33%提升到了57.05%，且因后側圍外板為左右對稱工藝零件，所以此優(yōu)化同時提升了2個零件的材料利用率。

5 選擇合適的工藝設計方案

在進行沖壓工藝設計時，控制材料流動是保證制件成型性質量的關鍵，而控制材料流動的均勻性是保證尺寸精度（回彈）的關鍵。成型時，依靠對零件工藝的筋條和工藝補充余肉的合理設計可以得到理想的效果。對“余肉”的高度的設計要求主要取決以下幾個因素：拉延過程產(chǎn)生波紋的時間；用戶所能接受表面質量的狀態(tài)；材料利用率的要求。

總結來說，存在這樣一個矛盾關系，即要求表面質量高的則材料利用率就會降低，要求材料利用率高的則提升表面質量方面就會有所降低。例如，對頂蓋兩側工藝補充面的設計，常規(guī)就有“日系”和“德系”2種不同的設計理念，（如圖4所示）。“日系”注重材料利用率，采用了“無余肉”的設計方案，而“德系”則專注于制件質量，采用“余肉設計”。

為了保持產(chǎn)品的競爭力，沖壓制造工程應守住“質量和成本”2個底線，學習上述2種方案的精華意圖，在進行“局部”工藝設計時，根據(jù)CAE分析結果，按需選擇合適的設計方案，在質量標準范圍內(nèi)，努力找到一個質量和成本的平衡點。

6 選擇合適的生產(chǎn)策略

車身產(chǎn)品零件具有高度的對稱性，一般左、右件在工藝主體上是進行對稱設計的，因此只需進行一些細節(jié)差異化的處理。模具主體尺寸和結構設計也具備高度的對稱性，因此可以利用這種特征，考慮左、右件合模生產(chǎn)。對大多數(shù)零件的沖壓制造，這種方式可以降低模具成本，減少沖壓生產(chǎn)的模具線數(shù)量。此外，對一些工藝特征簡單的零件，如車門外板、輪罩、座椅框側板等，可以實現(xiàn)2個零件一片料的制造工藝，這樣可以大大提升材料的利用率。

例如，本項目沖壓件產(chǎn)品開發(fā)過程中，根據(jù)“左右前門外板”“左右側門外板”等零件周圈只需“拉延、切邊、翻邊”的簡單工藝，進行“一模兩件同腔”生產(chǎn)模式，提升了單片生產(chǎn)的材料利用率，同時減少模具線數(shù)量。

而對一些內(nèi)板零件，周圈需要“拉延、切邊、整形、正側沖孔”的工藝，不利于實現(xiàn)“一模兩件同腔”的工藝，但是也可以充分利用其側沖孔斜鍥體積小、占用空間有限等產(chǎn)品模具結構特征和工藝的對稱性的特征，進行“一模兩件雙腔”的生產(chǎn)模式，減少模具線數(shù)量，提升沖壓生產(chǎn)效率。

7 回收有價值的廢料

沖壓廢料是一種可回用資源，對其進行合理的分類能體現(xiàn)其回用的最大價值。常規(guī)沖壓廢料根據(jù)特征，分為沖壓碎料、沖壓輕碎料、沖壓異形料、沖壓平整料、窗框料、落料廢料，其回用價值與回用廢料的尺寸、厚度、變形量都有著較大的關系。其中，窗框料因其大尺寸、較平整、減薄率低等特性具有較高的直接回用價值和回用空間，提升窗框料的回用尺寸和質量是此種降低成本方式的關鍵。

受模具尺寸和切邊廢料易排出的要求影響，常規(guī)窗框料都會進行分切，分切后的窗框料作為混合廢料進行處理，再利用價值較低。如果設計實現(xiàn)收集整塊窗框廢料，則它的再利用價值就很大。

如在此微客項目開發(fā)中，為了實現(xiàn)整收窗框料的目標，對沖壓工藝和模具結構進行了特殊的設計，即為了保證廢料的最大化殘值，窗框廢料不再進行分切。如圖5所示，為了實現(xiàn)窗框料的整塊自動化回收，考慮模具強度和回收便利性，需要改變廢料的滑出方向，即由原前后側滑出更改為從模具側面通過傳送結構撤出，需要同時對生產(chǎn)線進行改造。此種廢料回收方案可以同時實施在所有門外板和側圍外板的零件生產(chǎn)工藝過程，最大限度地提升整車廢料殘值。

8 提高工藝穩(wěn)定性，降低報廢率

制造質量的一致性的保障是降低廢品率和制造成本的重要途徑。常見的沖壓缺陷主要有開裂、起皺、尺寸差異、毛刺、變形、拉伸不足、面品不良、劃傷等，這些缺陷是造成廢料率高的直接因素。如果報廢率過高，則會導致實際材料利用率與理論材料利用率相比有較大差距，造成成本浪費。

為了保障制造的一致性，在沖壓項目開發(fā)過程中，需要針對沖壓工藝參數(shù)、模具工藝性、鋼板質量、設備性能和環(huán)境因素等關鍵工藝影響因素進行控制。產(chǎn)品設計階段，進行充分的CAE分析，保證各項成型性能的安全余量，模具設計保證零件的定位準確性，試模階段進行板料屈服強度、斷面延展率等關鍵參數(shù)的驗證，正式量產(chǎn)工藝參數(shù)設定則應按±10%波動安全區(qū)間標準進行設定。

9 結語

綜上所述，在沖壓項目開發(fā)過程中，工程技術人員應對過程工藝性進行詳盡的分析，挖掘可降成本的空間，形成經(jīng)驗總結，并在新的項目中進行完善，使降成本工作在項目開發(fā)過程中成為一門系統(tǒng)的工作，為企業(yè)提升競爭力作出貢獻。

參 考 文 獻

[1]徐凱，孫宗弟.某微車翼子板實現(xiàn)梯形料生產(chǎn)研究[J].企業(yè)科技與發(fā)展，2013（14）：38-40.

[2]wall street journal & U. of Michigan.ManagementBriefing Seminar[Z].2012.

[3]McKinsey Survey.Insight Manufacturing[Z].2014.

[責任編輯：陳澤琦]

【作者簡介】孫宗弟，男，山東青島人，碩士，上汽通用五菱汽車股份有限公司青島分公司制造工程經(jīng)理，從事整車工藝開發(fā)、技術質量提升工作；徐凱，男，江蘇邳州人，本科，上汽通用五菱汽車股份有限公司青島分公司工程師，從事整車沖壓工程研發(fā)和技術質量提升；李千千，女，山東沂水人，本科，上汽通用五菱汽車股份有限公司青島分公司助理工程師，從事整車新產(chǎn)品開發(fā)項目管理工作。