汽車車身沖壓件材料利用率提升方案的研究

文/李眾·長城汽車股份有限公司

汽車車身沖壓件生產(chǎn)是汽車生產(chǎn)的重要組成部分，降低沖壓件生產(chǎn)成本是非常有必要的。影響沖壓件開發(fā)成本的諸多因素中，原材料成本占比最大，因此探討沖壓方面原材料成本控制措施，對整車成本控制具有十分重要的意義。本文結(jié)合工作實踐，從造型、產(chǎn)品設(shè)計、沖壓工藝策劃、工藝設(shè)計、現(xiàn)場調(diào)試等多方面詳細介紹了提升沖壓件材料利用率的方法。

在汽車行業(yè)逐步進入薄利時代的今天，降低成本費用是挽救企業(yè)利潤的重要途徑。對于車企而言，唯有挖空心思降低成本，才能真正提高市場競爭力，在激烈的市場競爭中立于不敗之地。對于一臺汽車，60%以上的零部件都是沖壓件。而影響沖壓生產(chǎn)成本的各要素中，生產(chǎn)原材料費用占比最大，約占70%。因此提高生產(chǎn)原材料利用率對整車成本控制具有十分重要的意義。

材料利用率提升舉措應(yīng)該貫穿汽車開發(fā)的整個生命周期，在造型、產(chǎn)品設(shè)計、工藝設(shè)計、現(xiàn)場調(diào)試、生產(chǎn)準備等階段，通過與產(chǎn)品設(shè)計、工藝設(shè)計、現(xiàn)場生產(chǎn)、配套采購等各專業(yè)人員進行SE研討來提升沖壓材料利用率，如圖1所示。

圖1 貫穿整個汽車開發(fā)的提升材料利用率問題

造型及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

制約沖壓制件材料利用率提升的源頭就是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及邊界。因此在產(chǎn)品開發(fā)初期階段，需要通過合理的外觀A面分縫，調(diào)整車身結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，優(yōu)化產(chǎn)品邊界及產(chǎn)品形狀變更，來提升沖壓制件的材料利用率。隨著汽車開發(fā)階段的推進，提升材料利用率會越來越困難，因此需要重視前期造型階段的校核。

造型分縫調(diào)整

造型油泥、先行CAS階段，在保證造型風格的前提下，對影響單件材料利用率的分縫進行調(diào)整，降低整車成本。下面以翼子板、前門為例進行闡述：

⑴翼子板通過機蓋側(cè)分縫微調(diào)單車節(jié)省材料20mm寬，重約0.11kg/車；A柱分縫調(diào)整單車節(jié)省材料10mm寬，重約0.15kg/車。

⑵前門通過翼子板側(cè)分縫調(diào)整，可節(jié)省材料20mm寬，重約0.3kg/車。

翼子板、前門材料分縫的調(diào)整如圖2所示。

圖2 調(diào)整影響單件材料利用率的分縫

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計方案優(yōu)化

產(chǎn)品設(shè)計階段綜合考慮沖壓材料利用率、模具成本、焊裝夾具、涂裝涂膠、人工成本等，調(diào)整內(nèi)部結(jié)構(gòu)分縫，合理的拆分與合并車身搭接件。

⑴頂蓋加強板與前橫梁下板通過內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化可實現(xiàn)整體成形，綜合材料利用率可提升4%；沖壓節(jié)省模具4套，縮短模具開發(fā)周期，焊裝節(jié)省組立工裝，涂裝節(jié)省涂膠工序，大大降低了整車開發(fā)成本。

⑵側(cè)圍A、B、C、D柱結(jié)構(gòu)、門檻結(jié)構(gòu)搭接關(guān)系調(diào)整，B柱結(jié)構(gòu)合并，綜合材料利用率可提升7%。

頂蓋、側(cè)圍結(jié)構(gòu)的調(diào)整如圖3所示。

圖3 調(diào)整頂蓋、側(cè)圍結(jié)構(gòu)

優(yōu)化產(chǎn)品邊界及形狀

首先找到制約材料利用率的決定點，然后對決定點位置的產(chǎn)品邊界進行管理。例如：機罩外板前風擋處尖角凸出長度尺寸減小85mm，使材料利用率決定點向內(nèi)移動85mm，材料利用率提升4.2%，如圖4所示。

圖4 對機罩外板結(jié)構(gòu)的調(diào)整

為提高材料利用率，落料尺寸減小，導(dǎo)致拉伸力不足，這種情況下板料起皺現(xiàn)象頻發(fā)。為解決起皺，提高品質(zhì)及成形穩(wěn)定性，需產(chǎn)品形狀配合進行變更，例如：增加避免起皺的筋或增加凸臺特征，如圖5所示。

圖5 解決起皺調(diào)整產(chǎn)品形狀

沖壓工藝前期策劃

生產(chǎn)設(shè)備的改善

開卷落料線相對于普通落料存在卷料寬度，送料長度的極限尺寸，但是可有效縮減廢料數(shù)量；沖壓制件的板料尺寸盡量滿足開卷落料線尺寸，提升材料利用率，如圖6所示。

圖6 使用開卷落料與使用普通落料利用率的對比

生產(chǎn)用板料的改善

⑴卷料寬度存在不同規(guī)格，但不能囊括所有尺寸。由于工藝未考慮卷料規(guī)格，造成采購不到合適尺寸的坯料，會出現(xiàn)浪費情況，如圖7所示。

圖7 坯料尺寸不合適造成的浪費

⑵卷料寬度最小化：為消除卷料寬度的偏差，把卷料邊緣變?yōu)樾捱呥吘?，如圖8所示。變?yōu)樾捱呥吘墪a(chǎn)生追加費用，需與卷料供應(yīng)商協(xié)商。

圖8 卷料邊緣與修邊邊緣

⑶盡量使卷料的步距公差最小化，如圖9所示。

圖9 卷料的步距公差最小化

廢料再利用

⑴一般情況下，頂蓋天窗口、后背門窗框、前后門內(nèi)板窗框、側(cè)圍門洞產(chǎn)生的廢料尺寸大，通過采用修邊工序?qū)U料整體切除，在廢料口或者線尾收集的工藝來制造同等材質(zhì)及料厚的其他零件，減少了原材料的浪費，有效地提高了材料利用率。側(cè)圍斜角部位及門洞側(cè)廢料在廢料口收集用于生產(chǎn)車身E類件，如圖10所示。

圖10 用廢料制造同等材質(zhì)及料厚的其他零件

⑵如圖11所示，套件生產(chǎn)技術(shù)為廢料直接再利用，相較上述廢料回收，此種方式可直接在廢料區(qū)域加上小型零件與大零件一起沖壓制造，提升材料利用率的同時節(jié)省了小零件的模具開發(fā)成本及沖壓次數(shù)。不過該方案在模具設(shè)計前期需要重點關(guān)注成形性，為了保證制件良好的成形性，車身結(jié)構(gòu)特征需要做出調(diào)整。我司車型前門外板支撐板與前門內(nèi)板生產(chǎn)模式為各自開發(fā)4套模具，且為一模一件，材料利用率低、生產(chǎn)效率低。通過支撐板套入窗框區(qū)，替代原工藝造型，車門內(nèi)板材料利用率提升約2.4%，減少左/右車門支撐板4套模具開發(fā)，每班次生產(chǎn)效率可提升100%；減少左/右車門支撐板模具存放空間4.02立方米。

圖11 套件生產(chǎn)技術(shù)

模具工藝設(shè)計

材料利用率決定點工藝補充的改善

找到卷料寬度和送料步距的決定點，縮減決定點的用料。

⑴通過拉延筋系數(shù)加大，減少拉延筋數(shù)量，雙筋改為單筋；筋類型變更，方筋替代圓筋。通過上述方法縮減拉延筋外側(cè)用料。

⑵修邊線延長面的長度一般部位5mm，材料利用率決定點處保留2mm即可。

⑶盡可能避免階梯拉延，采用淺拉延沖壓工藝，減少工藝補充。如圖12所示。

圖12 基礎(chǔ)車型與改款車利用率的對比

拉延成形料片形式的改善

⑴用鋸齒形料片。

鋸齒形料與一般材料的成形條件相同時，材料外形尺寸與筋的位置是相同的。但是，由于鋸齒形料的端頭部位呈波形，可以縮短送料距離。應(yīng)用波浪形料，可提升單件材料利用率約0.5%左右，如圖13所示。

圖13 波浪形料與鋸齒形料的對比

⑵采用結(jié)合板料。

在有很多空隙的制件上研討是否使用板料結(jié)合的方法(結(jié)合也會產(chǎn)生費用，所以只在對于材料費降低有效果時采用)。例如天窗加強板，通過多塊板料的結(jié)合方式，有效減少了廢料的產(chǎn)生。

多個板料結(jié)合案例如圖14所示。

圖14 多個板料結(jié)合案例

⑶采用弧形料。

機蓋內(nèi)外板、行李廂內(nèi)外板造型特征存在弧度，采用弧形料材料利用率高，且料片隨形利用拉延成形。弧形料相對于方料，在同等卷寬的情況下，弧形料送料步距更小，如圖15所示。

圖15 方料與弧形料利用率與送料步距的對比

左右件合模工藝的應(yīng)用

汽車車身的絕大多數(shù)零件為對稱件，在工藝設(shè)計時應(yīng)多考慮左、右件成雙設(shè)計，左右件合模生產(chǎn)，不僅提高材料利用率，對于降低模具費用、減少工序數(shù)、提高設(shè)備效率都有很大幫助。此外，對于一些特殊零件，可采用一模多件的結(jié)構(gòu)設(shè)計，即一套模具一次能生產(chǎn)多個同樣零件。這種方式與左、右件合模效果相同，都能通過減少工藝補充來達到提高材料利用率的目的，如圖16所示。前門外板對拉后，材料利用率可提升至77.1%。

圖16 一模多件的設(shè)計

成形、開口拉延工藝的應(yīng)用

⑴沖壓件與材料利用率有關(guān)的成形方式有很多，傳統(tǒng)拉延工藝需要設(shè)計工藝補充，后序增加修邊工序?qū)U料切除，模具工序增加的同時材料利用率低；而成形工藝直接采用落料成形，材料利用率提升最為明顯，且工序簡單。我司某車型車廂第一橫梁原工藝方案采用拉延形式，材料利用率72.4%；新工藝方案采用落料成形，材料利用率86.8%，提升14.4%，如圖17所示。

圖17 拉延工藝與成形工藝的對比

⑵開口拉延工藝的應(yīng)用。

在拉深工藝確定后，通過對制件在汽車車身上起的作用和可能出現(xiàn)的質(zhì)量問題進行判定，在不影響車身強度、剛度的情況下，可以優(yōu)先考慮采用開口拉深工藝，如圖18所示。

圖18 開口拉延工藝

淺拉延工藝的應(yīng)用

因直線壓料面導(dǎo)致拉延深度大的情況，采用曲線壓料面可有效減小拉延深度。利用產(chǎn)品特點，使用產(chǎn)品的檻作為拉延檻，省去拉延筋，降低成形深度。比較兩種方案，材料利用率可提升4%，如圖19所示。

圖19 兩種方案的利用率

后序工藝的創(chuàng)新改善

⑴連修帶翻工藝實現(xiàn)零廢料。

做斷面時，考慮連修帶翻，使其不產(chǎn)生廢料。如圖20所示。

圖20 連修帶翻

⑵由側(cè)修變?yōu)檎归_修邊。

展開之后再修邊就不需要立壁部、廢料量可以降低，如圖21所示。

圖21 改為修邊后廢料量降低

調(diào)試階段及量產(chǎn)階段的改善

前期設(shè)計階段料片尺寸的設(shè)定需要考慮現(xiàn)場模具加工精度，調(diào)試波動等因素，在理論基礎(chǔ)上留有一定裕度。實際在模具調(diào)試、量產(chǎn)準備階段，可以根據(jù)制件面品、精度實際達成情況進行縮減料片尺寸，保證成形后料片邊界在一道筋外側(cè)邊緣，將現(xiàn)場材料利用率提升至極致，如圖22所示。

圖22 成形后料片邊界的位置

結(jié)束語

綜上所述，車身沖壓件制造成本從原材料投入到成品件產(chǎn)出的整個過程或多或少都存在著浪費現(xiàn)象，隨著產(chǎn)品設(shè)計能力、模具工藝設(shè)計能力、制造工藝及制造設(shè)備的不斷提升和發(fā)展，材料利用率的提升仍然有較大的空間。在車型開發(fā)中，應(yīng)把材料利用率指標作為一項重要的參數(shù)提出來，從產(chǎn)品源頭上減少板材的消耗，避免或減少出現(xiàn)問題后再去補救的情況，這將有利于汽車制造成本的控制。作為沖壓工程師，需要持續(xù)探索和研究新工藝，未來采用新工藝和新結(jié)構(gòu)持續(xù)提升原材料的利用率。