白車身材料利用率提升方案探討

張玉欣+王志強+孟令偉

摘 要：本文分析了影響白車身材料利用率的主要因素，并通過反復實踐總結了提高白車身材料利用率的主要方法，可有效提高白車身材料利用率，節(jié)約成本。針對車身輕量化新材料發(fā)展趨勢，介紹自沖鉚接和旋轉攻絲鉚接兩種新興的白車身連接工藝，重點分析了新工藝的特點，為該技術的推廣提供借鑒。

關鍵詞：車身造型；產(chǎn)品設計；材料優(yōu)化；工藝設計；廢料再利用

中圖分類號： U46 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）14-190-2

0 引言

隨著節(jié)能和環(huán)保意識越來越強，輕量化車身已經(jīng)成為汽車發(fā)展的趨勢之一。在世界鋁業(yè)協(xié)會提出的報告中明確的指出，汽車重量每減輕10%，則可降低6%-8%的油耗，并且降低5%的排放。汽車輕量化通常采用以下方式，優(yōu)化汽車結構設計，采用新型材料。相對而言，采用輕質(zhì)高強材料來替代傳統(tǒng)的鋼材是最有效的方式。

在汽車上使用的新材料以高強鋼（HSS），超高強鋼（AHSS），鋁材為主。比如原來GM6093M180AHD60G60GE在等強原則下采用GMW3399MSTSCR780T/420YDPHD60G60GU，厚度可以大大減薄，從而使板材的重量得以大幅下降。對于鋁材，在滿足相同使用和機械性能條件下，它比鋼輕60%，例如奧迪A8轎車在采用鋁質(zhì)車身后，整車的質(zhì)量可以減少15%。

這些新材料的使用而帶來的減重效果對汽車的性能來說是一個大飛躍，不過隨著新材料的使用，傳統(tǒng)的點焊方式也受到了極大的挑戰(zhàn)。特別是針對鋁合金材料，由于其電阻率低，導熱率高，電阻點焊方式難以形成合格的熔核。于是產(chǎn)生了一些新的機械連接方式，例如攪拌摩擦焊，空心鉚接，自沖鉚接，旋轉攻絲鉚接等。本文主要針對后兩種連接方式，著重介紹其工藝特點及質(zhì)量控制特性，為其廣泛應用提供參考。

汽車市場競爭日益加劇，怎樣有效降低汽車成本成為企業(yè)首要問題。白車身沖壓鈑金件占據(jù)了整車較大的比重（重量/成本），一臺白車身的鈑金件重約350～450kg，按50%的材料利用率統(tǒng)計，需要耗費700～900kg的鋼板材料，白車身材料利用率每提高1%，單車成本可降低約70元，因此，有效地提高白車身材料利用率至關重要。

1 影響白車身材料利用率的主要因素

1.1 車身造型

車身外覆蓋件之間的分縫線決定了零件的形狀，同時也決定了零件的材料利用率。

1.2 產(chǎn)品設計

產(chǎn)品設計在滿足結構/性能要求的前提下，往往忽視材料利用率，從而設計了很多造型不規(guī)整的零件，如“回”形、“之”形、“L”形、“T”形制件，結構分塊不合理，不僅工藝方案更復雜，也影響了材料利用率。

1.3 工藝設計

沖壓工藝設計的合理與否，是零件材料利用率高與低的重點因素。

1.4 模具研配/調(diào)試

模具研配/調(diào)試是否到位，是實現(xiàn)沖壓工藝設計合理性的重點保障因素。

2 提升白車身材料利用率的主要方法

2.1 分縫優(yōu)化

外覆蓋件之間合理分縫（例如翼子板與側圍外板之間的分縫優(yōu)化：翼子板車身Z+向上面局部分離出來給側圍外板，翼子板材料利用率大大提高，工藝得到簡化，側圍外板工藝也不受影響），使得外覆蓋件造型規(guī)整，簡化工藝方案，可有效提高材料利用率。

2.2 產(chǎn)品設計優(yōu)化

產(chǎn)品結構設計合理優(yōu)化（結構分塊優(yōu)化等），使得零件造型規(guī)整，簡化工藝方案，可有效提高材料利用率。

材料牌號/厚度優(yōu)化。

對于一個新車型，材料牌號和厚度組合有幾十種。合理地定義材料牌號和厚度，合理利用卷料，可以有效地提高材料利用率，降低采購成本。

對于材料的選用，可遵循如下原則：①避免過多選用高強度牌號的材料，造成產(chǎn)品性能過剩。同時，在滿足產(chǎn)品性能要求的前提下，盡量選擇現(xiàn)有已量產(chǎn)車型所用的材料、厚度，形成材料平臺，為后續(xù)的采購、庫存管理提供便利。②材料厚度大眾化，不要出現(xiàn)特殊、難采購的厚度，如0.65mm、0.75mm等。③對于小件，在滿足產(chǎn)品工藝性能的同時，盡量往大件的材料上靠齊，便于利用大件的廢料來生產(chǎn)，達到廢料再利用的目的。很多大型零件如側圍外板、天窗版頂蓋外板、天窗加強板、門內(nèi)板等零件會產(chǎn)生大量廢料，像這樣的零件，每臺車所產(chǎn)生的廢料約13kg，如果設計初期考慮到廢料再利用問題，將一些小的零件與這些零件材料及料厚設計一致，便可廢料再利用，按材料利用率50%、價格5.35元/千克，每臺車可節(jié)省13×50%×5.35=34.8元。

激光拼焊技術應用。

激光拼焊板是將不同表面處理、不同鋼種、不同厚度的兩塊或多塊鋼板通過激光焊接形成的毛坯板材。與傳統(tǒng)點焊工藝相比較，激光拼焊板可減少制件數(shù)量、減輕制件重量，提高車身的耐蝕性，在保證車身強度的前提下，提高材料利用率。

目前激光拼焊技術在產(chǎn)品設計、制造已成熟，像門內(nèi)板、前縱梁內(nèi)板等均可采用激光拼焊工藝，既優(yōu)化焊接工藝，又可縮小零件設計尺寸，提高材料利用率。

2.3 沖壓工藝設計優(yōu)化

沖壓工藝設計方案，是繼造型設計、產(chǎn)品設計之后，把控材料利用率的最后一道設計環(huán)節(jié)，需重點評審、把關。

2.3.1 沖壓工藝方案優(yōu)化

①采用直接成形方式。沖壓工藝設計時采用拉延成形方案還是采用落料成形方案對材料利用率影響很大，在保證制件質(zhì)量的前提下盡量采用落料成形方案，加之落料尺寸排樣優(yōu)化，可大大提高材料利用率。

②采用對件方案。在不影響工藝性能的前提下，盡量采用對件拉延成形/落料成形，既提高材料利用率，又便于生產(chǎn)操作。

對件形式的選擇：采用零件長方向?qū)欣诔尚危慵挿较驅(qū)髁铣叽缦鄬^小，材料利用率可有效提升，因此對件形式的選擇也是材料利用率提升的有效方案。

③端頭采用半包或開口拉延。在不影響零件質(zhì)量前提下，盡量采用半包拉延或開口拉延，使坯料流入最大化，既方便后續(xù)調(diào)整，又可提高材料利用率，而且制件越高，材料利用率提高得越多。

2.3.2 坯料尺寸優(yōu)化

合理排樣，落料排樣、坯料擺剪、開卷落料等形式，使坯料利用率得到最大化。

通過“CAE虛擬驗證”對沖壓模具拉延筋位置及形狀進行仿真分析，合理控制板料流動量，得到最優(yōu)化拉延筋參數(shù)、坯料尺寸，對材料利用率進行有效管控。

2.3.3 模面設計優(yōu)化

①分模線設計優(yōu)化。在材料利用率的控制點處優(yōu)化（即盡量內(nèi)移）分模線，可有效控制坯料尺寸。成形過程中坯料流動最快的位置是決定材料利用率的關鍵點，將此處凸模輪廓線做成內(nèi)凹形，既不會影響成形質(zhì)量，又減少了坯料尺寸，可有效提高材料利用率。②壓料面設計優(yōu)化。A降低工藝型面拉延深度，對于表面質(zhì)量要求不高的一些內(nèi)板件，可以采用拉延檻，甚至將產(chǎn)品局部法蘭面作為壓料面的一部分布置在壓邊圈上，在不影響產(chǎn)品質(zhì)量的前提下（利用拉延筋可以控制制件充分成形、保證制件剛度要求），拉延深度盡可能降低，可有效控制坯料尺寸，提高材料利用率。B將產(chǎn)品修邊線布置在工藝補充側壁，采用側切邊方式取代正切邊，也可有效提高材料利用率。③拉延筋設計優(yōu)化。在確保壓邊圈強度的條件下，內(nèi)移拉延筋，同時，拉延筋采用方筋、代替雙圓筋，可有效控制坯料流入量，保證制件成形充分，可有效提高材料利用率。

2.4 模具研配/調(diào)試優(yōu)化

模具研配到位、精調(diào)試保證零件出件質(zhì)量，確保沖壓工藝設計方案合理實現(xiàn)，并確定最終坯料尺寸，是材料利用率提升、穩(wěn)定的關鍵環(huán)節(jié)。

3 結束語

以上思路主要是從影響白車身材料利用率的主要因素及其對應有效解決措施的角度進行分析的，且在設計初期考慮材料利用率最有效，越到后期材料利用率提升越困難。所以，我們在設計初期（造型設計、產(chǎn)品設計、沖壓工藝設計），需投入更多的精力在材料利用率提升的工作上，通過建立以DRE（產(chǎn)品設計工程師）為核心的研發(fā)團隊，應用數(shù)字化技術，確保沖壓工藝設計與產(chǎn)品設計同步，才能夠有效降低成本，提升品牌競爭力。

參 考 文 獻

[1] 曹力豐.汽車車身沖壓件材料利用率提高研究[J].上海汽車，2010（5）.

[2] 柯旭貴，張榮清.沖壓工藝與模具設計[J].機械工業(yè)出版社，2012.