汽車車身鈑金件技術(shù)降成本方法研究

劉俊雄 趙月琪 彭君 郭振山

（東風(fēng)日產(chǎn)乘用車公司技術(shù)中心）

汽車制造業(yè)作為國家支柱產(chǎn)業(yè)，是衡量國家制造技術(shù)水平的重要指標之一。在汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，車身作為汽車的主體部分，承擔(dān)著外觀造型和保護行人安全的重要功能，一直是工程師關(guān)注的焦點。由于汽車鈑金件的成本占據(jù)了車身成本的50%～70%。因此，有效提高車身鈑金件制造技術(shù)水平，并通過技術(shù)手段降低汽車鈑金件制造成本，對于增強車型整體競爭能力具有極其重要的現(xiàn)實意義和經(jīng)濟價值[1,2]。

近些年，學(xué)者對于車身鈑金件的降成本工作進行了很多實踐性和方法性的研究。文獻[3]通過分析不同車型主要鈑金件的材料利用率差異，認為造型和模具工藝是材料利用率的主要影響因素，并基于以上兩點提出了產(chǎn)品設(shè)計優(yōu)化及模具工藝優(yōu)化的材料利用率改善方法。付再興等[4]通過典型沖壓件實際案例的對比分析，從車身分縫線優(yōu)化、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化、沖壓工藝編制、沖壓模面設(shè)置及材料優(yōu)化選擇等方面，介紹了鈑金件技術(shù)降成本的主要方法。文獻[5]結(jié)合有限元軟件DYNAFORM，對車門內(nèi)板沖壓工藝和模具設(shè)計進行了優(yōu)化，詳細介紹了有限元方法針對車身鈑金件進行優(yōu)化的流程和方法。文獻[6]從零件設(shè)計優(yōu)化、沖壓工藝優(yōu)化等方面介紹了鈑金件的技術(shù)降本手段，并創(chuàng)造的提出了過程管理控制成本優(yōu)化概念。文獻[7]基于材料利用率決定點概念，通過零件分塊、工藝優(yōu)化，余料再利用等方法降低鈑金件成本。文獻[2]對從產(chǎn)品設(shè)計優(yōu)化、工藝改進、廢料再利用、新技術(shù)和新材料的應(yīng)用等角度詳細介紹了汽車白車聲降成本方法。文獻[8]以汽車發(fā)罩內(nèi)板為例，運用CAE 對沖壓工藝方案和參數(shù)進行優(yōu)化，建立了CAE 工藝優(yōu)化流程。文獻[9]對料邊縮減、排樣、余料再利用、激光拼焊、開卷落料模具等技術(shù)結(jié)合具體實例進行詳細說明。文獻[10]從車身開發(fā)的白車身設(shè)計、工藝設(shè)計、模具調(diào)試3 個階段對零件設(shè)計優(yōu)化、工藝優(yōu)化及新設(shè)備/技術(shù)應(yīng)用內(nèi)容進行了研究。文獻[11] 以后縱梁為例，詳細說明了余料回收的流程和方法。

基于以上文獻調(diào)研及實際案例總結(jié)，文章從零件、材料、工藝設(shè)計以及模具調(diào)試優(yōu)化方面研究了車身鈑金件進行技術(shù)降成本的主要方法和內(nèi)容，為汽車制造企業(yè)的技術(shù)降成本提供方向。

1 零件設(shè)計優(yōu)化

根據(jù)汽車零部件價值工程理論[13]，汽車零部件總成本的80%是由設(shè)計階段決定的。針對零部件在設(shè)計階段的優(yōu)化，主要考慮的方法有性能、結(jié)構(gòu)及分塊優(yōu)化。

1.1 性能目標設(shè)計優(yōu)化

在設(shè)計初期，基于競爭車對標結(jié)果，可對性能目標設(shè)計進行針對性優(yōu)化。在設(shè)計后期，基于實車實驗結(jié)果，可以對性能目標進行進一步的設(shè)計優(yōu)化。

1.2 零件結(jié)構(gòu)優(yōu)化

基于合理的性能設(shè)計，參考競爭車相關(guān)部品功能的實現(xiàn)方式，對車身鈑金件進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計最優(yōu)化，比如去除不合理的凸臺設(shè)計，有利于提高材料利用率和降低成品不良率。如圖1 所示優(yōu)化零件局部特征后，有效提高了該零件的材料利用率和可成形性。

圖1 零件設(shè)計優(yōu)化

1.3 零部件分塊優(yōu)化

如圖2 所示，根據(jù)零部件特性及形狀，有針對性的對零部件進行分塊優(yōu)化，同時優(yōu)化部品搭接分縫線，可以大大提高材料的整體利用率。

圖2 零件分塊優(yōu)化

2 材料設(shè)計優(yōu)化

根據(jù)統(tǒng)計，車身鈑金件成本的70%～80%都是材料成本，因此降低原材料的成本就顯得尤為重要。

2.1 材料牌號優(yōu)化

在設(shè)計初期，基于性能設(shè)計目標，參考競爭車材料使用情況，對車身鈑金件牌號進行優(yōu)化，主要方向包括牌號降低、熱軋?zhí)娲滠?、裸材化、牌號歸并等。其中牌號降低、熱軋?zhí)娲滠?、裸材化主要是保證零部件性能的前提下，對冗余材料性能進行優(yōu)化，以最合適的材料實現(xiàn)功能實現(xiàn)成本降低。牌號歸并主要是指對整車乃至所有車型使用材料進行梳理，對性能相似的材料進行歸并處理，減少使用材料牌號種類，降低采購成本。

2.2 材料規(guī)格優(yōu)化

材料規(guī)格優(yōu)化主要是指材料厚度及寬度優(yōu)化。由于整車性能特別是NVH 對鈑金件厚度影響較大，針對實際性能評價結(jié)果及競爭車分析，可以對相應(yīng)的非關(guān)鍵及性能冗余零部件進行厚度減薄。由于板材在某些寬度（一般是1 000～1 200 mm）生產(chǎn)量較大，采購價格相對較低，因此結(jié)合零部件設(shè)計對材料寬度進行優(yōu)化，以實現(xiàn)成本最優(yōu)化。

2.3 材料國產(chǎn)化

主機廠，特別是合資品牌主機廠車身鈑金件往往會使用一些進口材料，基于材料性能評價，對整車所有零部件材料國產(chǎn)化情況進行整理，調(diào)研國內(nèi)材料供應(yīng)商能力，尋找進口材料替代牌號，并通過材料評價及實驗試制等手段卻行可行性。因此，材料的國產(chǎn)化是成本優(yōu)化的有效途徑。

2.4 新材料應(yīng)用

新材料的應(yīng)用有利于零件在提升性能的同時實現(xiàn)成本降低，目前應(yīng)用較多的新材料主要有高強鋼、鋁合金、免中涂材料、激光拼焊板等，需要結(jié)合具體的零部件性能及特點進行新材料應(yīng)用研究。

3 工藝設(shè)計優(yōu)化

汽車車身鈑金件主要的工藝流程為落料→成形→焊接→（涂裝）；因此，結(jié)合鈑金件生產(chǎn)流程，對鈑金件工藝設(shè)計優(yōu)化方法進行分類說明。

3.1 落料工藝優(yōu)化

落料工藝優(yōu)化主要包括坯料形狀優(yōu)化、排樣優(yōu)化、以及落料新工藝應(yīng)用等方面內(nèi)容。

坯料形狀優(yōu)化是指結(jié)合零部件坯料決定點及成型狀態(tài)，對零部件坯料形狀進行優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)最高的材料利用率。

排樣優(yōu)化是指基于鋼材初始寬度和落料方式，對坯料排樣形式和搭邊值進行優(yōu)化。如圖3 所示，通過調(diào)整排樣布局，可減小采購寬度，同時提高材料利用率。

落料新工藝應(yīng)用包括開卷落料、擺剪、弧形落料等新型工藝的應(yīng)用，合理的運用以上工藝能夠有效的提高材料利用率，降低成本。

圖3 排樣優(yōu)化

3.2 沖壓工藝優(yōu)化

沖壓工藝優(yōu)化主要包括成型/開口拉延/淺拉延工藝采用、一模兩件設(shè)計、工序優(yōu)化等方面內(nèi)容。

為提高沖壓工藝的材料利用率，可通過優(yōu)先采用成型工藝、開口拉延、淺拉延工藝實現(xiàn)。如圖4 所示，由于拉延工藝需要設(shè)置大量的工藝補充面和壓邊量，因此耗費的原材料遠大于成型工藝。

一模兩件工藝設(shè)計主要是針對門板等材料利用率角度零件采用對稱配置的方式進行成形，可有效改善成形狀態(tài)和材料利用率。

圖4 拉延工藝與成形工藝對比

3.3 套裁及余料回收

針對側(cè)圍、后背門、門內(nèi)外板等具有較大剪切面積的零部件，可通過提前在其“廢料”部位嵌套布置小件成形，通過減少小件材料及模具費用實現(xiàn)成本降低。針對側(cè)圍門洞余料，可通過回收的余料生產(chǎn)其他小型鈑金件，從而實現(xiàn)材料成本降低。

3.4 焊接工藝優(yōu)化

針對焊接的工藝特點，焊接工藝優(yōu)化從技術(shù)角度主要包括焊點布置優(yōu)化，基于其他競爭車焊接設(shè)置情況及實驗分析，對焊點數(shù)量及布置形式進行優(yōu)化,主要包括焊點間距變大，雙排焊點變單排焊點。

3.5 涂裝工藝優(yōu)化

涂裝工藝優(yōu)化主要是指針對如機艙橫梁等外制涂裝件，可通過涂裝內(nèi)制化實現(xiàn)零部件成本下降。

3.6 新技術(shù)應(yīng)用

沖壓新技術(shù)應(yīng)用主要是指先進成形工藝應(yīng)用。

近些年隨著技術(shù)的發(fā)展新型成形工藝不斷涌現(xiàn)[17]，目前已經(jīng)實現(xiàn)量產(chǎn)應(yīng)用的主要有熱成型工藝、輥壓成形工藝、液壓成形以及旋壓成形等工藝，這些工藝能夠有效提高零部件性能，同時實現(xiàn)一定的經(jīng)濟效益。

另外，沖壓工藝優(yōu)化過程中通常會結(jié)合同步工程進行工藝優(yōu)化和可行性的驗證。車身鈑金件的同步工程（SE）是指設(shè)計人員在汽車設(shè)計早期階段基于CAE 輔助設(shè)計針對車身鈑金件沖壓全過程進行數(shù)值模的方法。

4 模具調(diào)試優(yōu)化

模具調(diào)試階段優(yōu)化是指量產(chǎn)前或量產(chǎn)后對模具及鋼材坯料基于實際沖壓結(jié)果進行參數(shù)優(yōu)化的方法。主要包括模具工藝參數(shù)優(yōu)化及坯料線優(yōu)化。

模具工藝參數(shù)優(yōu)化主要包括氣墊壓力、平衡塊間隙、壓料間隙以及拉延筋圓角及間隙優(yōu)化。這些參數(shù)的調(diào)整能有效改善鈑金件在拉深過程中的板料狀態(tài)，從而實現(xiàn)坯料尺寸的優(yōu)化。

坯料線優(yōu)化主要是基于模具試制結(jié)果，分析拉延件邊緣離拉延筋之間的距離，如有余量，可進一步優(yōu)化坯料尺寸，以提高制件材料利用率。

5 結(jié)論

汽車車身鈑金件是汽車成本的重要組成部分，通過分析車身鈑金件制造價值鏈，文章系統(tǒng)的總結(jié)了車身鈑金件的技術(shù)降成本手段和方法，對汽車制造企業(yè)在車身鈑金件成本優(yōu)化具有一定的參考借鑒意義。