汽車鈑金開發(fā)全流程材料利用率提升技術(shù)研究

何寧 陽學 謝迎歡 陳伊娜 喬曉勇

（上汽通用五菱汽車股份有限公司技術(shù)中心，柳州 545007）

1 前言

在汽車行業(yè)人工、材料成本上漲的背景下[1]，成本優(yōu)化成為汽車企業(yè)一大核心研究課題。在白車身制造過程中，提升原材料利用率是一種有效的降本方案[2-5]，國內(nèi)做了大量研究，有針對單件利用率提升的[6]，有詳細闡述提升材料利用率的某種工藝[7]，有比較系統(tǒng)總結(jié)材料利用率提升方法的[8-9]。本研究圍繞造型、產(chǎn)品、工藝及模具調(diào)試等方面，結(jié)合多年實踐經(jīng)驗積累，全方位闡述汽車全流程提升材料利用率的技術(shù)方法。

2 材料利用率現(xiàn)狀對比

目前，國外部分車企的整車材料利用率比國內(nèi)車企要高，材料利用管控較好，成本控制更具優(yōu)勢[10-11]。表1 為車身尺寸幾乎一致的日系合資車A和國產(chǎn)車B 外覆蓋件材料利用率對比情況?？梢钥吹剑瑖a(chǎn)車B 核心關(guān)鍵件質(zhì)量比合資車A 高約4.8 kg，材料利用率比合資車A 低2.49%。雖然國產(chǎn)車B 側(cè)門內(nèi)外板、前門內(nèi)板的材料利用率較高，但其側(cè)圍、翼子板、尾門、頂蓋及發(fā)罩內(nèi)板的材料利用率比合資車A 低。因此，國產(chǎn)車材料利用率還有很大的提升空間。

3 材料利用率提升方案

材料利用率提升過程分為造型分縫設(shè)計、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝設(shè)計和模具調(diào)試4 個階段。各階段提升流程如圖1 所示。不同階段總結(jié)對應(yīng)的材料利用率提升措施方法，目的是形成材料利用率提升技術(shù)框架，建立材料利用率提升的全流程管理流程體系。流程管理系統(tǒng)分工越細致，每個階段越早關(guān)注或越早介入，材料利用率越能有較大的提升。其中設(shè)計階段是重點，因為80%的汽車制造成本決定于設(shè)計階段[12]。

圖1 材料利用率提升流程

3.1 造型設(shè)計階段材料利用率提升

整車外觀造型不同，各零件分縫方式也不同。外觀分縫會限制產(chǎn)品輪廓，同時也決定了材料利用率的上限。合理的分縫設(shè)計可以使產(chǎn)品輪廓方正規(guī)整，有益于提高材料利用率[13]。

3.1.1 翼子板鳥嘴尖角分縫設(shè)計

翼子板與側(cè)圍、發(fā)罩、前保險杠和大燈匹配，其分縫線定義比較關(guān)鍵。圖2 為4 個車型翼子板分縫設(shè)計對比。為滿足造型意圖，圖2a 和圖2b 的翼子板與大燈匹配位置設(shè)計得非常尖銳突出，會造成拉延工藝補充過大，廢料過多，降低材料利用率。圖2c 和圖2d 的翼子板沒有尖角。表2 為各翼子板材料利用率對比，尖角極大降低了翼子板的材料利用率。所以造型前期追求銳利外觀的同時，也要兼顧材料利用率，平衡外觀和成本，確定合適的分縫設(shè)計。

圖2 翼子板分縫設(shè)計對比

表2 各翼子板材料利用率對比

3.1.2 翼子板與前保分縫設(shè)計

圖3 為翼子板與前保分縫設(shè)計。原分縫方案翼子板前保分縫與翼子板前燈分縫位置夾角小，整形容易起皺，此時的材料利用率為33%。由于翼子板與前保分縫點是板料材料利用率的決定點，調(diào)整分縫能提高材料利用率。按圖3 分縫優(yōu)化線調(diào)整分縫，翼子板材料利用率為35%左右，較原方案提升約2%。

圖3 翼子板與前保分縫設(shè)計

3.2 產(chǎn)品設(shè)計階段材料利用率提升

3.2.1 零件合并設(shè)計

充分利用廢料區(qū)域?qū)? 個零件進行一體設(shè)計，可以減少零件數(shù)量，提升零件材料利用率，但合并后應(yīng)滿足零件的成形裕度需求[8]。

某車型翼子板輪眉設(shè)計外凸，為安裝輪眉外飾板，車身上需要提供安裝支架。圖4 為翼子板與輪眉外飾板安裝支架分件與合并一體化設(shè)計對比。圖4b 為合并設(shè)計，將輪眉外飾直接安裝在翼子板上，不需要專門焊接安裝支架，有利于保證外飾與翼子板之間的匹配要求，同時能充分利用翼子板輪罩位置的廢料區(qū)，有利于材料利用率提升。合并設(shè)計的材料利用率為47.23%，比分件設(shè)計提升約5%。

圖4 翼子板與輪眉外飾板安裝支架合并

3.2.2 零件拆分設(shè)計

為了快速搭建整車框架，設(shè)計初期會有一些凸出且變化急劇的結(jié)構(gòu)，影響零件材料利用率。零件拆分設(shè)計能將搭接分縫控制在合理范圍內(nèi)，是改善零件沖壓工藝、提升材料利用率的有效措施。

圖5 為某車型后側(cè)圍內(nèi)板分塊方案。分塊前的整體式后側(cè)圍內(nèi)板，有部分凸出結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生一大片廢料區(qū)，零件坯料不能充分利用。圖5b 按新分縫將零件拆分成2 個簡單零件，原有零件邊界縮短約305 mm，零件局部收斂，大大減小了廢料區(qū)域。后側(cè)圍內(nèi)板拆分前材料利用率為35%，拆分后采用成形工藝，下料質(zhì)量減少2.8 kg，材料利用率為83.3%，較整體式提升約48%。

圖5 后側(cè)圍內(nèi)板分塊優(yōu)化方案

3.2.3 淺深度設(shè)計

零件結(jié)構(gòu)深度會影響材料利用率。圖6 為頂蓋流水槽不同深度設(shè)計對比。對比可知，案例A頂蓋流水槽設(shè)計深度比案例B 深19 mm，其中案例A 材料利用率為70.27%，案例B 為76.09%，二者相差約6%。淺深度的流水槽設(shè)計可有效提升材料利用率。零件深度在設(shè)計階段確定后，工藝階段可優(yōu)化的空間較小，所以零件設(shè)計盡量避免較深的搭接匹配面，在設(shè)計過程中優(yōu)化不利于提高材料利用率的結(jié)構(gòu)。

圖6 頂蓋流水槽淺深度設(shè)計

3.2.4 激光拼焊技術(shù)的應(yīng)用

激光拼焊是利用激光將性能參數(shù)不同、厚度不一致的多塊板料，拼合焊接形成一塊整體板料的工藝[14]。激光拼焊的合理利用，能減少板材消耗，達到提升材料利用率的目的。

圖7為某車型前門內(nèi)板全沖壓和激光拼焊板料尺寸對比。全沖壓即為傳統(tǒng)門內(nèi)板，需增加2 個鉸鏈加強板。激光拼焊板由2 片板料焊接而成，板料厚、強度高、不需要加強板。通過對比，激光拼焊工藝材料利用率比傳統(tǒng)全沖壓工藝提升了4.25%。

圖7 激光拼焊板和全沖壓板尺寸對比

3.3 工藝設(shè)計階段材料利用率提升

3.3.1 淺拉延工藝

傳統(tǒng)的拉延工藝為了成形充分、生產(chǎn)穩(wěn)定，工藝補充面設(shè)計較高，拉延深度較深，不僅增加材料浪費，且易出現(xiàn)開裂起皺。淺拉延則是以較少的工藝補充面，較低的拉延深度實現(xiàn)拉延造型，完成零件沖壓，能顯著提升材料利用率[7]。

某車型尾門外板拉延工藝數(shù)模如圖8 所示，圖8b 為原始拉延工藝補充面和淺拉延工藝補充面對比。因尾門外板與頂蓋搭接側(cè)立面較陡，考慮沖擊線問題，傳統(tǒng)工藝補充面做得較深。淺拉延工藝則通過調(diào)整筋條和余肉，優(yōu)化沖擊線問題，減低拉延深度。對比可知，淺拉延工藝補充面比傳統(tǒng)工藝補充面深度降低約26 mm。通過CAE 分析及現(xiàn)場調(diào)試驗證，淺拉延工藝能滿足成形質(zhì)量和尺寸匹配需求。實際生產(chǎn)中，傳統(tǒng)工藝板料尺寸為1 390 mm×955 mm，板料質(zhì)量為6.25 kg，淺拉延工藝板料尺寸為1 370 mm×940 mm，板料質(zhì)量為6.06 kg。淺拉延工藝節(jié)省板料質(zhì)量為0.19 kg，單件材料成本可節(jié)省1~2 元，材料利用率提升1.5%。

圖8 尾門外板拉延工藝數(shù)模

3.3.2 單拉延筋設(shè)計

拉延筋可增加板料流入阻力，改善零件成形狀態(tài)。沖壓零件根據(jù)材料流動狀態(tài)，可以設(shè)置單筋、雙筋和多筋等。圖9 為側(cè)圍外板材料利用率決定點1、2、3 位置分別采用雙筋和單根筋工藝設(shè)計對比。采用單筋設(shè)計是因為側(cè)圍外板尺寸較大，CAE 分析壓邊力超標。雙筋設(shè)計和單根設(shè)計所需板料尺寸如圖10 所示?？梢钥吹剑瑔胃钤O(shè)計，板料長度和寬度均縮小40 mm，板料質(zhì)量比雙筋設(shè)計降低0.9 kg，材料利用率為43.3%，較雙筋設(shè)計提升1.3%。所以側(cè)圍外板拉延工藝采用單根筋，不僅解決了機床臺壓邊力不足的問題，還提升了材料利用率，降低成本。

圖9 側(cè)圍單根筋設(shè)計和雙筋設(shè)計對比

圖10 單根筋設(shè)計和雙筋設(shè)計板料尺寸

3.3.3 合模工藝應(yīng)用

合模是指將2 個零件合并在一起沖壓成形，后續(xù)再切斷分離的工藝，也稱一模兩件工藝。合模工藝包括2種形式，即左右對稱件合并設(shè)計和2個相同的件對拼設(shè)計。合模工藝通過對稱設(shè)計減少工藝補充面，提升材料利用率，同時減少模具套數(shù)。常見的左右前門外板、左右后側(cè)圍內(nèi)板、組合燈罩都采用合模工藝，示例如圖11所示。對稱件合模的重點對稱間距要設(shè)計最小，以最大限度節(jié)約板料。圖11a前門外板有翻邊，對稱間距一般約為50 mm，圖11b 組合燈罩為結(jié)構(gòu)件，對稱間距一般約為15 mm。

圖11 左右對稱件合模工藝

圖12 為某項目發(fā)動機罩外板合模設(shè)計和單件設(shè)計對比。合模設(shè)計為一模兩件合模，設(shè)計板料尺寸為1 480 mm×1 760 mm，單件設(shè)計板料尺寸為1 480 mm×940 mm。合模設(shè)計單件板料質(zhì)量為7.16 kg，比單件設(shè)計板塊料質(zhì)量低0.49 kg，材料利用率比單件設(shè)計提升4.4%。

圖12 發(fā)罩外板合模設(shè)計和單件設(shè)計

3.3.4 成形工藝

相比傳統(tǒng)的拉延工藝，成形工藝不需要壓料，在保證成形質(zhì)量的同時，可減少工藝補充面，即減少廢料區(qū)域，從而縮短板料尺寸，提高材料利用率。成形工藝適用于結(jié)構(gòu)簡單、形狀平直的結(jié)構(gòu)件。圖13 為2 個尺寸結(jié)構(gòu)相近的前大梁OP10 成形工藝與拉延工藝對比。可以看到，成形工藝沒有沒有拉延筋和多余的工藝補充，一步成形到位。表3 為成形工藝與拉延工藝材料利用率統(tǒng)計情況。成形工藝消耗板料質(zhì)量為3.85 kg，比拉延工藝降低2.59 kg，材料利用率約為72%，比拉延工藝提升29%。

圖13 前大梁成形工藝與拉延工藝對比

表3 成形與拉延工藝材料利用率對比

3.3.5 弧形料應(yīng)用

沖壓生產(chǎn)中，為滿足零件成形要求，通常需要將板料裁剪成一定規(guī)格和形狀?；⌒瘟弦话銘?yīng)用于有一定弧度零件，比如發(fā)動機罩外板、發(fā)動機罩內(nèi)板、A 柱上加強板。需要根據(jù)不同弧度，開發(fā)弧形刀落料模。圖14 為某項目發(fā)動機罩外板矩形料和弧形料對比案例。可以看到，步距方向弧形料比矩形料短80 mm，卷寬方向尺寸一致。如表4 所示，弧形板料質(zhì)量比矩形板料質(zhì)量低0.59 kg，材料利用率提升約5%，單件材料成本降低1.29 元。所以優(yōu)先選用弧形料，避免邊角余料的浪費。此外可對弧形尺寸進行標準化設(shè)計，并建立已開發(fā)的弧形刀數(shù)據(jù)庫，新項目零件直接選用。

圖14 發(fā)罩外板矩形料和弧形料對比

表4 矩形料和弧形料材料利用率對比

3.3.6 梯形料應(yīng)用

梯形料比弧形料簡單，只需要在落料時擺剪，無需專門開發(fā)落料模。某項目后地板矩形料和梯形料應(yīng)用對比如圖15 所示。梯形料通過卷料擺剪節(jié)省邊角余料，所以板料尺寸相對矩形料小。矩形料和梯形料材料利用率對比如表5 所示。由表可知，梯形板料比矩形板料質(zhì)量低0.54 kg，材料利用率提升約4%，單件材料成本降低1.45 元。

圖15 后地板矩形料和梯形料對比

表5 矩形料和梯形料材料利用率對比

因為擺剪需要額外費用，當矩形料和梯形料利用率差異小于4%時，需謹慎評估是否使用梯形料。所以前期工藝設(shè)計要兼顧矩形料和梯形料，成型性分析同時滿足2 種下料形式需求，避免后期板料成本變化。

3.3.7 落料排樣

通過合理落料排樣，找到材料利用率決定點，既節(jié)約板料，又可以指導優(yōu)化零件數(shù)模。圖16 為某項目前大梁4 種不同排樣方式對比，不同的排樣設(shè)計廢料區(qū)域不同，板料尺寸不同。表6 為前大梁不同排樣方式材料利用率統(tǒng)計結(jié)果。對比可知，開卷落料排樣方式材料利用率較高，能充分利用原來的邊角余料區(qū)域。所以需要落料的零件優(yōu)選使用開卷落料，實現(xiàn)排樣，并優(yōu)化排樣材料利用率決定點。

圖16 某項目前大梁不同排樣方式對比

表6 前大梁不同排樣方式材料利用率統(tǒng)計

3.3.8 廢料優(yōu)化設(shè)計

廢料優(yōu)化設(shè)計包括廢料二次利用和套件沖壓2 種方法[2]，是提高材料利用率的有效技術(shù)手段。

a. 廢料二次利用：一些需要落料的零件，如側(cè)圍外板、全景天窗頂蓋，落料時會產(chǎn)生較大且相對完好的廢料。如果將這些廢料回收作為一些小結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)坯料，則能避免浪費。圖17為某車型側(cè)圍外板落料廢料利用規(guī)劃。側(cè)圍外板廢料分為4 部分：前車門洞廢料、后側(cè)門洞廢料、上角廢料、下角廢料。廢料可用于其他料厚材質(zhì)相同零件的生產(chǎn)：

圖17 側(cè)圍外板廢料廢料利用規(guī)劃

前側(cè)門洞廢料可作為后側(cè)圍內(nèi)板加強板生產(chǎn)坯料，1 塊坯料生產(chǎn)1 個零件；

后側(cè)門洞廢料可作為發(fā)動機罩外板加強板的生產(chǎn)坯料，1 塊坯料生產(chǎn)1 個零件，或者作為尾燈底座加強板+加油口外板的生產(chǎn)坯料，1 塊坯料生產(chǎn)3 個零件；

下角廢料可用于生產(chǎn)油泵檢查窗蓋，1 塊坯料生產(chǎn)1 個零件；

上角廢料可用于生產(chǎn)左右后地板延伸板，1 塊坯料生產(chǎn)2 個零件。

b. 套件沖壓：套件沖壓是在零件孔洞廢料部位嵌套小型的結(jié)構(gòu)件進行拉延生產(chǎn)，后工序再進行切割分離的工藝方法。套件沖壓一次可收獲多個零件，不僅提高了零件的材料利用率，而且節(jié)省了小型結(jié)構(gòu)件的模具開發(fā)費用。套件沖壓適用于拉延深度不深，內(nèi)部孔洞廢料尺寸較大的零件，如天窗加強框、后側(cè)圍內(nèi)板、發(fā)動機罩內(nèi)板。

圖18 為某項目后側(cè)圍內(nèi)板套件沖壓示意?？梢钥吹剑髠?cè)圍內(nèi)板下部廢料區(qū)足夠大，而嵌套的兩塊后側(cè)圍內(nèi)板加強板尺寸較小，滿足套件條件。表7 為套件前和套件后材料利用率情況。通過對比可知，后側(cè)圍內(nèi)板質(zhì)量為1.73 kg，2 塊后側(cè)圍內(nèi)板加強板質(zhì)量分別為0.15 kg、0.09 kg，套件前為左右后側(cè)圍內(nèi)板單獨沖壓，套件后一片板料出4個零件，板料質(zhì)量不變的前提下，零件質(zhì)量增加，材料利用率提升約4%。

圖18 后側(cè)圍內(nèi)板套件沖壓

表7 套件前和套件后材料利用率對比

3.4 模具調(diào)試階段材料利用率提升

3.4.1 材料利用率決定點拉延筋外無材料浪費

調(diào)試階段需確認現(xiàn)場狀態(tài)是否跟CAE 分析一致，板料流入量是否最少，材料利用率決定點板料邊緣至拉延筋距離是否為5~10 mm，拉延筋外板料是否有浪費。圖19 為某項目側(cè)圍外板現(xiàn)場調(diào)試出件板料邊界狀態(tài)。觀察發(fā)現(xiàn)，關(guān)鍵位置板料邊緣到拉延筋距離為26 mm，板料浪費較多?，F(xiàn)場嘗試將板料寬度縮減20 mm，生產(chǎn)試模確認可滿足成形要求，方案可行。板料尺寸減小，板料質(zhì)量降低約1 kg，材料利用率提升約1%?？s減板料量后品質(zhì)穩(wěn)定。

圖19 側(cè)圍板料邊界狀態(tài)

3.4.2 開口拉延試驗

開口拉延可以提高材料利用率。對于一些沒有采用開口拉延的工藝，在調(diào)試后期，可以基于穩(wěn)定的質(zhì)量輸出進行板料尺寸縮小優(yōu)化試驗，持續(xù)改進，根據(jù)情況可以接受開口拉延。

3.5 材料利用率提升注意點

a. 造型分縫原則，局部分縫服從整體分縫線，不能為了提升材料利用率破壞造型風格。

b. 提升材料利用率的目的是為了降低成本，很多方案只是針對優(yōu)化提高材料利用率。有些方案雖然提升了材料利用率，但增加了成本，需綜合評估。比如激光拼焊較大提升了材料利用率，但有焊接及其他費用，總體成本可能會增加。

4 結(jié)論

a. 依據(jù)降本增效的策略，在汽車開發(fā)全流程推行材料利用率提升專項研究，并應(yīng)用于實際項目，得到最優(yōu)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和沖壓工藝方案，實現(xiàn)材料利用率最優(yōu)化。

b. 造型設(shè)計階段進行合理的分縫設(shè)計；產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計階段，結(jié)合工藝建議，充分優(yōu)化零件，通過拆分合并，避免突兀及不規(guī)則形狀的結(jié)構(gòu)，改善零件布局及搭接形式；沖壓工藝設(shè)計階段，在保證零件成形性能的條件下，設(shè)置合適工藝參數(shù)，選擇淺拉延、合模、成形等材料利用率高的工藝，推動廢料再利用、落料排樣應(yīng)用及板料優(yōu)化管理；模具調(diào)試階段，確保拉延筋外板料無浪費，并根據(jù)實際需求進行開口拉延試驗。

c. 造型階段要守住造型整體意圖，可調(diào)整的空間小，貢獻比重低；模具調(diào)試階段可發(fā)揮范圍也小，貢獻比重也低；而產(chǎn)品和工藝設(shè)計階段，技術(shù)手段多，板料優(yōu)化空間大，貢獻比重大。很多問題都是在設(shè)計階段就已經(jīng)決定了，后期無法更改，所以產(chǎn)品設(shè)計及工藝設(shè)計是材料利用率提升關(guān)鍵控制點。