汽車沖壓材料成本控制策略探討

郭濤 高義峰 左四雨

作者簡(jiǎn)介：郭濤（1988—），男，工程師，碩士學(xué)位，研究方向?yàn)闆_壓同步工程、工藝開(kāi)發(fā)、數(shù)字化虛擬仿真。

參考文獻(xiàn)引用格式：

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GUO T， GAO Y F， ZUO S Y. Discussion on Cost Control Strategies for Automotive Stamping Materials[J]. Automobile Technology & Material， 2024（6）： 51-57.

摘要：為從材料成本控制角度降低沖壓成本，從材料利用率提升、鈑金制造新工藝應(yīng)用、合理選材3個(gè)方面，結(jié)合具體的應(yīng)用案例，探討了汽車沖壓材料成本的控制策略。首先，針對(duì)材料利用率可從產(chǎn)品協(xié)同開(kāi)發(fā)、沖壓工藝優(yōu)化及沖壓廢料再利用3個(gè)方面進(jìn)行提升。其次，鈑金制造新工藝方面可采用輥壓、集成式熱成形等工藝代替單件沖壓或多件單獨(dú)沖壓后點(diǎn)焊的工藝。最后，針對(duì)合理選材，給出了同強(qiáng)度鋼材選擇原則、烘烤硬化鋼代替無(wú)間隙原子鋼和高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用建議。

關(guān)鍵詞：材料成本 材料利用率 產(chǎn)品協(xié)同 工藝優(yōu)化 合理選材

中圖分類號(hào)：U463.8；U468.2? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B? ? DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20240106

Discussion on Cost Control Strategies for Automotive Stamping Materials

Guo Tao， Gao Yifeng， Zuo Siyu

（SAIC Volkswagen， Shanghai 201805）

Abstract： In order to reduce stamping cost from perspective of material cost control， this article discussed the cost control strategy for automotive stamping material from three aspects： improving material utilization rate， applying new sheet metal manufacturing processes， and selecting materials rationally， combined with specific application cases. Firstly， material utilization can be improved by product collaborative development， stamping process optimization， and reusing stamping waste materials. Secondly， in the application of new sheet metal manufacturing processes， processes such as roller pressing and integrated heat forming can be used to replace the process of single stamping or multiple separate stamping followed by spot welding. Finally， in terms of rational material selection， principles for selecting steel with the same strength， using bake-hardening steel instead of interstitial-free steel， and recommendations for the application of high-strength steel are provided.

Key words： Material cost， Material utilization rate， Product collaboration， Process optimization， Reasonable material selection

1 前言

隨著全球汽車行業(yè)的快速發(fā)展和競(jìng)爭(zhēng)的加劇，主機(jī)廠對(duì)降低成本、提高效率和保持競(jìng)爭(zhēng)力的需求日益凸顯[1]。材料成本控制作為汽車沖壓制造的重要一環(huán)，成為汽車制造企業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)之一。有效的材料成本控制不僅可以直接降低生產(chǎn)成本，還可以提高資源利用效率，推動(dòng)工藝技術(shù)的創(chuàng)新，提升產(chǎn)品質(zhì)量，從而實(shí)現(xiàn)企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

汽車沖壓件的制造成本包括一次性成本和長(zhǎng)期成本[2]。一次性成本主要包括設(shè)備成本與模具成本，長(zhǎng)期成本包括設(shè)備部件的損耗成本、人員成本、能源成本、材料成本等。其中，材料成本隨著產(chǎn)量增加呈線性增加，材料成本控制對(duì)于沖壓降本非常重要[3-5]。

本文從產(chǎn)品協(xié)同開(kāi)發(fā)、沖壓工藝優(yōu)化、廢料的利用、新工藝應(yīng)用、選材的原則等方面探討汽車沖壓材料成本控制的具體策略和方法。

綜合來(lái)看，材料成本的控制措施主要包括3個(gè)方面：提升材料利用率、采用新的鈑金制造工藝、合理選材。本文針對(duì)這3個(gè)方面，結(jié)合具體應(yīng)用案例進(jìn)行探討。

2 材料利用率提升

材料利用率可從產(chǎn)品協(xié)同開(kāi)發(fā)、沖壓工藝優(yōu)化以及沖壓廢料再利用3個(gè)維度提升[6]。

2.1 產(chǎn)品協(xié)同開(kāi)發(fā)

在沖壓件同步工程階段，產(chǎn)品設(shè)計(jì)決定零件的材料利用率上限[7]。因此，需要以材料利用率為目標(biāo)進(jìn)行產(chǎn)品協(xié)同開(kāi)發(fā)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行合理的合并、拆分、優(yōu)化局部特征及公差定義。

2.1.1 零件合并設(shè)計(jì)

圖1為某車型的后蓋合并設(shè)計(jì)案例，原始方案設(shè)計(jì)分為后蓋上部與后蓋下部2個(gè)零件，材料均為厚度為0.6 mm的CR210IF，將2個(gè)零件合并設(shè)計(jì)為一體式后蓋，可以減少拉延補(bǔ)充面，材料利用率由43.9%提升至46.9%。

2.1.2 零件拆分設(shè)計(jì)

圖2為某車型的側(cè)圍C柱內(nèi)板拆分設(shè)計(jì)案例，將整體式零件拆為2個(gè)零件，并焊接。零件拆分后，沖壓綜合材料利用率由45.3%提升至50.4%。

需要注意的是，拆件方案雖有利于零件材料利用率提升及成形性控制，但會(huì)增加焊接成本，對(duì)NVH性能可能有不利影響，需要基于更全面的評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行方案取舍。

2.1.3 零件局部?jī)?yōu)化

圖3為拼焊板（Tailor-Welded-Blank，TWB）天窗加強(qiáng)件拼焊縫位置優(yōu)化示例，該零件由厚度為2.4 mm和1.5 mm的CR3拼焊而成，在保證車輛強(qiáng)度及沖壓成形性能的前提下，將焊縫由中間位置向兩側(cè)移動(dòng)，當(dāng)移動(dòng)距離為70 mm時(shí)，所需料片總質(zhì)量由20.3 kg減少至19.0 kg，單車約減少1.3 kg材料。

2.1.4 合理定義零件公差

常規(guī)產(chǎn)品邊界公差要求為±0.5 mm，需要采用拉延后精切邊的工藝，一般工藝要求留有5～10 mm切邊余量。若將產(chǎn)品邊界公差放大為±2 mm，則可在工藝上對(duì)零件邊線使用預(yù)開(kāi)法，對(duì)影響材料利用率的敏感區(qū)域進(jìn)行板料邊界精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，經(jīng)過(guò)拉延或成形后即可滿足邊界公差要求，取消后序精切邊。圖4為熱成形加強(qiáng)件案例，圖4a為常規(guī)公差定義下的沖壓狀態(tài)，料片尺寸較大且沖壓后料片距離零件邊界有較大余量，圖4b為合理公差定義后的沖壓狀態(tài)，料片尺寸較小且沖壓后料片距離零件邊界幾乎沒(méi)有余量，材料利用率由85.3%提升至91.2%。

2.2 沖壓工藝優(yōu)化

沖壓工藝方案對(duì)材料利用率具有顯著影響，本質(zhì)上是考慮如何減少工藝補(bǔ)充面造成的材料浪費(fèi)，可以通過(guò)淺拉延及其衍生方法的應(yīng)用、合并拉延、零件嵌套拉延以及合理的落料排樣提升材料利用率。

2.2.1 淺拉延及其衍生方法的應(yīng)用

在保證零件質(zhì)量的前提下，盡可能減小補(bǔ)充面可提升材料利用率，淺拉延是最常用的方法，下面介紹淺拉延及其衍生方法。

a. 單純淺拉延：零件的拉延深度直接決定工藝補(bǔ)充面的面積，淺拉延可以顯著減小工藝補(bǔ)充面的面積，進(jìn)而提升材料利用率。圖5為某翼子板采用不同拉延深度的材料利用率對(duì)比，圖5a為采用較深的壓料面設(shè)計(jì)的深拉延狀態(tài)，圖5b為壓料面抬升后的淺拉延狀態(tài)，采用淺拉延后材料利用率由33.6%提升至37.5%。

一般來(lái)說(shuō)，門外板、牌照板等平坦零件可采用鎖死筋與淺拉延配合的方式大幅提升材料利用率。但為保證材料被充分拉伸，零件通常有最小減薄率的要求，以利于回彈尺寸及表面質(zhì)量控制，實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)結(jié)合仿真結(jié)果確定最小拉延深度。

b. 開(kāi)口拉延：當(dāng)零件某個(gè)方向或某些局部的拉延深度為0時(shí)即為開(kāi)口拉延，屬于淺拉延的衍生方法。圖6為側(cè)圍內(nèi)板采用開(kāi)口拉延和閉口拉延的對(duì)比，在零件上、下兩側(cè)將圖6a的封閉拉延設(shè)計(jì)改為圖6b的開(kāi)口拉延，可使卷料寬度由1 300 mm減小至1 160 mm。

需要注意的是，開(kāi)口拉延狀態(tài)下零件的拉伸充分性低于封閉拉延，需要基于零件的拉伸狀態(tài)以及回彈情況確定更合理的拉延方案。

c. 三動(dòng)拉延：三動(dòng)拉延為淺拉延的另一種衍生方法。一般而言，拉延工藝的壓料面均設(shè)置于零件的同一側(cè)，以保證壓料閉合狀態(tài)良好。例如，單動(dòng)拉延時(shí)壓料面均位于零件下方，雙動(dòng)拉延時(shí)壓料面均位于零件上方。對(duì)于深度較大的零件，該設(shè)計(jì)往往需要較大的工藝補(bǔ)充面，而采用三動(dòng)拉延可大幅降低工藝補(bǔ)充面，即外部的壓料面設(shè)計(jì)成上部和下部均為運(yùn)動(dòng)部件。

以后蓋內(nèi)板為例，圖7為采用三動(dòng)拉延和傳統(tǒng)拉延的工藝面對(duì)比，三動(dòng)拉延工藝面可以使工藝面的線長(zhǎng)顯著小于傳統(tǒng)拉延工藝面，特別是在零件的緩沖塊安裝面和鎖安裝面附近，線長(zhǎng)減少量可達(dá)70～80 mm，從而顯著提升材料利用率。

2.2.2 合并成形

對(duì)于門外板、無(wú)框門內(nèi)板、部分后蓋等常見(jiàn)的覆蓋件，采用合并成形能夠顯著提高材料利用率。圖8為典型零件采用合并成形方式的案例，門外板材料利用率由圖8a單獨(dú)拉延的73.2%提升至圖8b合并拉延的77.3%。

合并成形不僅局限于左右對(duì)稱零件，只要2個(gè)或多個(gè)零件使用的材料相同且零件尺寸和型面走勢(shì)滿足合并成形工藝要求即可進(jìn)行合并成形設(shè)計(jì)。需要注意的是，該設(shè)計(jì)需在同步工程階段進(jìn)行模擬驗(yàn)證。

2.2.3 套件生產(chǎn)

還有一種特殊的合并成形是在較大零件的非產(chǎn)品區(qū)域嵌套較小的零件。例如，前蓋內(nèi)板減輕孔、門內(nèi)板窗孔、后蓋窗孔、天窗加強(qiáng)件窗孔等區(qū)域均可以考慮嵌套具有相同材料屬性的小尺寸簡(jiǎn)單零件。圖9為后蓋嵌套前蓋鎖加強(qiáng)件，綜合材料利用率由嵌套前的53.5%提升至嵌套后56.4%。

2.2.4 落料排樣

對(duì)料片尺寸的優(yōu)化也是常用的材料降本手段，本質(zhì)上是減少工藝補(bǔ)充面的材料消耗。將常規(guī)的方料、梯形料等規(guī)則形狀料片改為不規(guī)則的形狀，進(jìn)行落料嵌套，可在一定程度上提升利用率。

圖10為翼子板排樣優(yōu)化案例，從圖10a的常規(guī)梯形料優(yōu)化為圖10b的異性料嵌套排樣后，單個(gè)零件可節(jié)省約0.3 kg材料。需要注意的是，異形料增加了落料模具成本，因此，需要結(jié)合預(yù)期產(chǎn)量等指標(biāo)綜合考慮總成本的影響。

上述案例是針對(duì)一個(gè)零件的料片進(jìn)行優(yōu)化與嵌套排樣。此外，還可以對(duì)不同的零件在同一個(gè)卷料上進(jìn)行嵌套排樣，從而達(dá)到更高的綜合材料利用率。

對(duì)料片進(jìn)行嵌套同樣存在風(fēng)險(xiǎn)，例如，開(kāi)模后如果發(fā)生零件設(shè)計(jì)變更，嵌套方案的調(diào)整靈活性比方料或梯形料等常規(guī)方案要差，某些情況下可能會(huì)犧牲材料利用率，因此，需要結(jié)合零件的更改可能性進(jìn)行合理選擇。

2.3 廢料再利用

將沖壓廢料再利用于其他零件能夠大幅降低材料成本。以冷沖鋼材CR3為例，沖壓廢料銷售費(fèi)用比沖壓前的原材料采購(gòu)費(fèi)用低約5元/kg。

沖壓廢料分為拉延前和拉延后2種。拉延前廢料是在開(kāi)卷落料階段產(chǎn)生的，廢料與母材性能一致。拉延后廢料是拉延后切割獲得的，相比母材已經(jīng)有一定的減薄和塑性變形強(qiáng)化。

2.3.1 拉延前的廢料利用

側(cè)圍等零件通常有較大落料廢料，可用于較小零件的沖壓。圖11為某側(cè)圍廢料再利用案例，其門洞及車頂區(qū)域的3塊廢料可分別用于2個(gè)隔板、2個(gè)行禮箱封板及1個(gè)尾燈支架蓋板零件沖壓，單個(gè)側(cè)圍可重復(fù)利用的廢料約為0.75 kg。

常規(guī)落料線無(wú)專門收集廢料的裝置，需按照廢料收集的需要進(jìn)行改造，一般采用廢料小車。

2.3.2 拉延后的廢料利用

由于拉延后的廢料性能發(fā)生變化，需進(jìn)行試驗(yàn)得到拉延后材料的參數(shù)，基于更新的模擬材料卡進(jìn)行零件可制造性分析，才可應(yīng)用于其他零件的制造。

表1為厚度為0.8 mm的CR3用于某車頂拉伸前后的材料參數(shù)對(duì)比，拉伸后選取天窗區(qū)域材料進(jìn)行性能檢測(cè)，材料拉伸后的成形性能相關(guān)指標(biāo)均有不同程度的降低。

圖12為基于2種不同的材料參數(shù)對(duì)相同拉延工藝下的尾燈封板進(jìn)行成形模擬的結(jié)果，使用拉伸后的CR3成形性明顯惡化。因此，對(duì)拉延后的廢料利用務(wù)必要基于合理的材料性能作為分析前提。

圖13為車頂拉延后天窗區(qū)域廢料利用案例。圖13a方案1是將廢料用于4個(gè)相同的車頂后橫梁，圖13b方案2是將廢料用于3個(gè)不同零件，包括1對(duì)左右對(duì)稱件D柱加強(qiáng)板和1個(gè)非對(duì)稱件車頂后橫梁。該車型所有車頂都有天窗，從零件數(shù)量配比的角度看，更推薦方案2，因?yàn)檐図斉c廢料再生產(chǎn)的零件數(shù)量配比是1∶1，更經(jīng)濟(jì)。

3 應(yīng)用鈑金制造替代工藝

某些特定的產(chǎn)品可采用替代工藝，相比常規(guī)單件冷沖壓工藝或者多個(gè)單件沖壓后再焊接為總成的工藝具有更大的材料成本優(yōu)勢(shì)。常用的替代工藝包括輥壓和集成式熱成形。

3.1 輥壓

導(dǎo)軌、門檻、梁類件可采用輥壓工藝代替沖壓，典型零件有前后防撞梁、座椅滑軌、座椅橫梁、門檻加強(qiáng)件、車窗玻璃導(dǎo)軌等[8]，目前已有部分量產(chǎn)車型使用輥壓制造出厚度為2.0 mm、抗拉強(qiáng)度為1 700 MPa的梁類件。

圖14為某車窗玻璃導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)及輥壓成形模擬結(jié)果，相比沖壓可提升材料利用率及生產(chǎn)效率。

3.2 集成式熱成形

集成式熱成形可以代替“多個(gè)單件沖壓后再焊接”，熱成形需要的補(bǔ)充面相較冷沖壓要小，同時(shí)節(jié)省了2個(gè)沖壓件用于焊接的搭接區(qū)域。

圖15為該方案的典型應(yīng)用案例，用于一體式門環(huán)制造。圖15a為常規(guī)方案，需要將多個(gè)件單獨(dú)沖壓成形后再焊接為整體門環(huán)。圖15b為集成式熱成形方案，將料片拼焊為環(huán)形料片后，再整體熱成形。零件質(zhì)量由23.1 kg減輕至19.2 kg，原材料由41.3 kg減輕至32.1 kg。

2種方案的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比如表2所示。目前熱成形門環(huán)最成熟的方案是鋁硅鍍層板加鍍層剝離拼焊，由于專利保護(hù)原因，其單片坯料成本較高。近年來(lái)，針對(duì)原材料的薄鍍層、鍍鋅、無(wú)鍍層等低成本材料方案以及針對(duì)拼焊工藝的無(wú)剝離鍍層或半剝離鍍層填絲焊已有大量研究。隨著這些低成本方案的逐步成熟，集成式熱成形技術(shù)的成本優(yōu)勢(shì)會(huì)更加明顯。

[表2 集成式熱成形門環(huán)與常規(guī)方案對(duì)比 指標(biāo) 集成式熱成形 常規(guī)方案 模具數(shù)量/副 2 24 模具夾具檢具等工裝成本/萬(wàn)元 1 030 1 150 材料利用率% 55.9 59.8 焊點(diǎn)數(shù)量/個(gè) 189 315 單片坯料成本（含加工費(fèi)）/元 415 358 ]

需要注意的是，集成式熱成形門環(huán)相比常規(guī)門環(huán)方案有一定的技術(shù)難度，包括：拼焊板質(zhì)量的控制、大尺寸熱成形件的生產(chǎn)穩(wěn)定性、焊縫位置的成形性控制、采用低成本裸板需要進(jìn)行噴丸處理難以保證生產(chǎn)穩(wěn)定性等。

4 合理選材

材料的牌號(hào)、厚度、鍍層等對(duì)材料價(jià)格均有影響，進(jìn)行產(chǎn)品定義時(shí)，在滿足車輛性能要求的前提下合理選材可顯著降低成本。下面針對(duì)外覆蓋件常用材料說(shuō)明低成本選材的原則。

4.1 同強(qiáng)度鋼材選擇原則

相同強(qiáng)度的鋼材，其價(jià)格一般與零件的成形性正相關(guān)，即成形性越好的材料價(jià)格越高，因此，盡可能通過(guò)優(yōu)化零件結(jié)構(gòu)，使性能一般的材料滿足成形性要求。

例如，相同厚度的CR3相比CR4成本約低350元/t。圖16為針對(duì)CR3門內(nèi)板的成形性優(yōu)化案例，原始產(chǎn)品拔模角度較小，采用CR4成形性符合要求，采用CR3成形開(kāi)裂。將產(chǎn)品拔模角放大，采用CR3也能夠滿足成形性要求，從而降低材料成本。

4.2 烘烤硬化鋼代替無(wú)間隙原子鋼

在設(shè)計(jì)翼子板、門外板、前蓋外板等覆蓋件時(shí)，有2種鋼經(jīng)常被選用：一是無(wú)間隙原子鋼，在超低碳鋼中加入適量的鈦或鈮，使鋼中的碳、氮間隙原子完全被固定成碳、氮化物，鋼中沒(méi)有間隙原子存在；二是烘烤硬化鋼，在低碳鋼或超低碳鋼中保留一定量的固溶碳原子，必要時(shí)通過(guò)添加磷等固溶強(qiáng)化元素提高強(qiáng)度[9]，鋼板成形后經(jīng)涂漆烘烤處理，強(qiáng)度及抗凹性會(huì)進(jìn)一步提高[10]。

為降低成本，充分利用烘烤硬化鋼的成本優(yōu)勢(shì)與烘烤后性能提升的特點(diǎn)替代無(wú)間隙原子鋼。表3為無(wú)間隙原子鋼CR210IF與烘烤硬化鋼CR180BH的對(duì)比，油漆烘房烘烤前二者成形性均可滿足零件成形要求，烘烤后二者強(qiáng)度指標(biāo)較為接近，后者價(jià)格比前者低約150元/t，因此，可在保證成形性及零件強(qiáng)度與抗凹形的前提下顯著降低成本。

需要注意的是，烘烤硬化鋼具有時(shí)效性，通常需要在生產(chǎn)后3～6個(gè)月內(nèi)使用完畢。

4.3 選用高強(qiáng)度鋼材

采用厚度更薄的高強(qiáng)鋼替代低強(qiáng)度鋼可降低材料成本，該方案常見(jiàn)于結(jié)構(gòu)件，也可用于部分外覆蓋件。

表4為門外板采用常規(guī)材料CR180BH與替代材料DP500的對(duì)比，由于后者強(qiáng)度更高，抗凹性更好，可將零件厚度由0.65 mm減小至0.6 mm，甚至更低。以某A級(jí)SUV為例，相比CR180BH，采用DP500可降低整車4個(gè)門外板材料約1.25 kg，在材料單價(jià)少量增加的情況下，顯著降低材料成本。

需要注意的是，采用DP500進(jìn)行外覆蓋件設(shè)計(jì)需要針對(duì)高強(qiáng)鋼回彈進(jìn)行合理的尺寸補(bǔ)償控制。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文從材料利用率提升、鈑金制造新工藝應(yīng)用、合理選材3個(gè)方面探討了汽車沖壓材料成本的控制策略，得到以下結(jié)論：

a. 提升材料利用率本質(zhì)上是要盡可能減少工藝補(bǔ)充面的面積。具體實(shí)現(xiàn)途徑包括：對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行合理的劃分和公差定義，采用盡可能小的成形深度和補(bǔ)充面設(shè)計(jì)沖壓工藝，對(duì)無(wú)法避免的工藝廢料進(jìn)行再利用。

b. 采用特殊工藝并設(shè)計(jì)相應(yīng)的零件。采用輥壓、集成式熱成形等工藝代替?zhèn)鹘y(tǒng)工藝，可一定程度上降低材料成本。

c. 在不影響零件功能及成形質(zhì)量的前提下，應(yīng)選用綜合成本更低的材料。如基于同強(qiáng)度鋼材選擇原則，采用烘烤硬化鋼代替無(wú)間隙原子鋼；用更薄的高強(qiáng)度鋼替代厚的低強(qiáng)度鋼等。

如何更好地兼顧材料成本、產(chǎn)品功能要求及制造質(zhì)量穩(wěn)定性，是上述策略實(shí)施過(guò)程中需要重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題，也是需要進(jìn)一步研究的課題。

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