提高白車身沖壓件材料利用率的方法

文／李鳳華，申強·一汽解放公司卡車廠

提高白車身沖壓件材料利用率的方法

文／李鳳華，申強·一汽解放公司卡車廠

李鳳華，一汽解放卡車廠沖壓工藝技術主查，正高級工程師，一汽高級專家。目前主要負責解放卡車沖壓工藝技術工作及沖壓發展改造工作。其負責的多個項目獲得吉林省市級獎項。

質量和成本是企業競爭力的核心。過去，我們在準備做新車型時往往只重視模具成本和零件質量，忽略了材料利用率問題，而沖壓件的材料利用率是沖壓件投產后生產運行成本的重要指標。一般情況下，沖壓件重量占汽車白車身總重量的95%以上，材料成本占沖壓件成本的60%～70%，要想降低沖壓件的成本就必須降低沖壓件材料成本。降低材料成本的重要途徑之一是提高材料利用率，降低材料消耗。

材料利用率及材料定額的定義與計算方法

材料利用率

沖壓件鋼板材料利用率是指材料直接用在汽車本身上的比率。不同的企業有不同的材料利用率的計算方法，但大體思路是一致的。通常情況下：材料利用率＝一個零件的凈重／一個零件的消耗定額。

材料利用率說明材料被有效利用的程度。材料利用率是衡量沖壓件經濟性的重要指標。對于一個沖壓件來說，材料利用率越高，意味著材料消耗越低，所以，在產品一定的情況下，提高材料利用率，是降低材料成本的有效途徑。

金屬材料消耗定額

材料消耗定額簡稱材料定額，它是指生產合格產品所需要消耗一定品種規格的材料的數量標準，包括材料的使用量和必要的工藝性損耗及廢料等。

金屬板材消耗定額的計算公式為：一個零件（沖壓件）的消耗定額＝卷重／可制零件數（或一張板料的重量／一張板料可制零件數）。零件的材料消耗包括從開卷剪切（落料）開始的所有加工過程產生的材料消耗。制定材料消耗定額，主要是為了利用定額這個經濟杠桿，對物資消耗進行控制和監督，材料消耗定額對企業的生產成本控制具有重要意義，也是產品價格核算的重要基礎和依據。

影響材料利用率的因素

影響材料利用率的因素有很多，主要因素有以下幾方面：沖壓件的產品結構、工藝方案、模具結構等。要想提高材料利用率，降低材料消耗，必須在這幾方面下功夫。

產品結構：不同的產品結構方案其成本差別是非常大的，在滿足功能的前提下，要盡量采用簡單的結構或少無廢料的結構。

工藝方案：不同的沖壓成形方法，是否采用落料、是否成雙生產、采用拉延成形還是壓彎成形等對材料利用率的影響都很大。

模具結構：模具工藝型面的形狀與大小、拉延筋的布置等都對工藝補充的形狀和大小有很大影響，應在前期工藝模擬和DL圖設計時重點關注，工藝人員在會簽時要重點關注和控制。

工藝方案和模具結構都是為產品服務的，工藝方案的制定依據也主要是產品結構，所以產品是材料消耗和材料利用率的首要因素。要想提高材料利用率，降低材料消耗，首先必須重視產品設計階段對材料方面的考慮，其次在產品一定的情況下要在工藝準備方案和模具結構上下功夫，否則，在產品投產以后再考慮提高材料利用率降低成本，往往投入大量的人力和物力卻收效甚微。

提高材料利用率、降低材料成本的主要方法

提前確定材料利用率目標

根據目標車型提出材料利用率指標，綜合考慮產品特點和以往車型經驗，給出經濟合理的材料利用率目標，將該目標值作為產品設計、工藝設計和模具設計的輸入條件，并在整個產品開發和準備過程中將其作為重點指標來進行管理和控制。

做好產品開發同步工程工作

即工藝開發與產品開發同步進行。工藝人員是產品設計和產品制造的中間橋梁，應提前介入產品開發設計，并重點從材料利用率和材料消耗入手，對產品設計進行評審并提出材料方面的產品更改申請單，將提高材料利用率的要求和目標提交給產品設計者，并在產品設計階段就提出具體的產品套裁和廢料利用方案，工藝人員要加強與產品設計人員的溝通與交流，在保證產品結構和功能的情況下盡量滿足工藝提出的要求。

在 產品結構方面

⑴零件結構要盡量簡單：產品結構簡單，不僅工序少節約模具費用，有利于質量提高，更能有效減少工藝廢料，提高材料利用率。對一些梁類零件，應盡量簡單，采用簡單的壓彎和成形工序而不采用拉延工序。

圖1 結構廢料多，材料利用率低的零件

⑵分塊要合理：產品結構上要盡量避免結構廢料太多的形狀，如圖1所示，這類零件的材料利用率很低。產品設計人員更多從功能上考慮，較少關心材料利用率問題，這時就要求工藝人員要及時將主機廠工藝要求反饋給設計者。對這類零件的解決方案：a）可以在設計上考慮分成幾個零件焊接在一起；b）采用激光拼焊板沖壓零件；c）如果實在不可分，盡量考慮利用結構廢料。

沖壓件的材料選擇

在材料牌號的選擇上，一個車型所選的材料品種及料厚的規格盡可能的少，這樣既便于廢料的利用，也有利于合并材料規格，降低材料采購成本。

材料的厚度盡可能選用常用和標準厚度。小件材料的選擇應盡量向能產生可利用廢料的大件靠攏，以便在產品設計和工藝設計時就確定廢料利用方案，投產時直接利用廢料生產。在滿足成形性要求的情況下，盡量采用級別較低的材料牌號。一些梁類的結構件，應盡量采用高強度板材料，提高車身強度，減輕自重，降低材料成本。

在工藝設計方面

⑴對一些形狀簡單的零件，如加強板、橫梁等，可以用簡單的壓彎工序或成形工序代替復雜的拉延成形工序，不僅可以節省模具投資，還可以減少工藝廢料，降低材料消耗，提高材料利用率。

⑵有些內部件，如果能夠滿足產品功能要求，盡量用落料、壓彎工序而不用成形工序，降低材料消耗，如圖2、圖3中的橫梁和工藝。能用成形生產的就不用拉延生產。

⑶在編排工藝時有時需要綜合考慮模具成本和材料成本。如有的零件不用落料模也能生產出合格件，為了節省一套模具費用就可以不用落料工序，但如果采用落料工序可以節省材料的話，則需要進行綜合計算。通常對于大批量汽車生產來說，后期生產節省的材料費用可能要遠遠高于模具成本，這時就應從長遠考慮增加落料模具。

圖2 某橫梁

⑷合理排樣和設置搭邊值。中小件的毛坯排樣對材料消耗定額和材料利用率影響很大，根據展開毛坯形狀選擇具體排樣方法。具體的排樣方法有直排、斜排、對排、混合排、多排等排樣方式，但是選擇排樣方法的原則是少無廢料，同時要考慮模具結構、零件精度要求、定位方式和操作的方便等。有些排樣方法在理論上雖然節省了材料，但在實際生產中操作難度大，而且易產生廢品，所以要結合生產實際來確定合理的排樣。搭邊值的大小，影響著材料利用率，所以搭邊的正確選擇很重要。影響搭邊值的主要因素有：展開毛坯形狀、毛坯尺寸、送料方式、壓機的沖程次數、材質和料厚等，一般資料中都有搭邊值表，可根據料厚、毛坯形狀、尺寸大小、送料方式等來選取，并根據現場的實際情況加以修正。由于實際生產中定位準確性和操作的問題，一般按理論最小搭邊值在生產中會存在問題，所以實際確定的搭邊值應比查表得到的搭邊值大10%～20%。

⑸對于中小型零件在工藝設計時要考慮盡量利用現有廢料生產，以便在模具設計時直接考慮利用廢料的結構。否則投產后再考慮利用廢料則調試和組織難度較大。

⑹采用成雙生產工藝。汽車零件有許多對稱件，這些零件在工藝設計時最好采用成雙生產工藝，不僅提高效率，降低成形難度，保證質量，還能提高材料利用率，減少工藝廢料損失。有些件也可采用一模多件的形式提高材料利用率。

圖3 采用壓彎工藝代替成形工藝

⑺采用開卷落料工藝，實現少無廢料。對于外表面件采用開卷落料方式落料，不僅能夠提高生產效率和質量，由于開卷落料沒有搭邊，可提升材料利用率，對于有些零件可達到無廢料落料（剪切），利用率大幅度提升。同時在開卷落料時有大廢料的模具要設計成廢料能回收的模具結構，并與開卷廠溝通，保證開卷廢料的回收利用（圖4、圖5）。

圖4 采用開卷落料（擺剪）和成雙生產工藝

圖5 某車型側圍開卷廢料回收利用

⑻采用套裁工藝，使小件與大件在同一套模具內，一次出兩件或多件，既提高了材料利用率也減少模具投入，提高生產效率。

模具設計與調試

⑴對大型零件在模具設計時要考慮廢料的回收和利用。如某卡車的后圍窗口的廢料，按正常工藝該件在自動線生產，其廢料應切斷從廢料輸送線自動排除，但考慮該件廢料利用價值很高，在模具設計時要求將該件的廢料不要切斷并從設備的側面滑出，使該件的廢料得到回收和利用。在自動生產線上的廢料回收，要在模具結構和生產線采取特殊措施，保證回收的可操作性（圖6）。

圖6 后圍廢料利用排樣圖

⑵在DL圖和模具結構圖設計時盡量保證工藝補充最小化，在保證產品質量的同時保證鋼材最小化。對于一些形狀簡單的零件可采用淺拉延的方式，直接以制件的法蘭面做為壓料面，這樣可最大限度的減少工藝補充，提高材料利用率，如J6的前圍某些橫梁。此項須充分利用CAE模擬技術，提前模擬判斷工藝和模具結構，以保證質量要求。

⑶模具調試時，要盡量調到毛坯材料最小。毛坯料無論是條料還是落料，在毛坯試驗時都要盡量做到修邊廢料最小，毛坯最小。因為在毛坯尺寸試驗時都是在模具制造調試階段，在模具制造廠進行，主機廠的工藝人員要對此關注，并提前對模具廠家提出有關材料利用率等方面的具體要求，保證試驗出的毛坯尺寸既能生產出合格零件，又用材最少，減少不必要的浪費。

結束語

車身材料利用率的提升是降低成本的有效途徑。提高材料利用率的方法很多，在車身產品開發準備的整個過程中，材料利用率指標在每一個環節都要控制，在實際工作中要時時都有成本意識，加強各部門的溝通與合作，同時要加強對模具供應商的管理和要求，只有各個環節都重視，才能達到降低成本的目標。