數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)階段白車身沖壓件材料利用率提升方法

文/佟鑫·中國(guó)第一汽車集團(tuán)有限公司

汽車行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)越來越劇烈，成本、質(zhì)量和周期成為其核心的競(jìng)爭(zhēng)因素，其中白車身材料利用率的提升對(duì)降低成本起到至關(guān)重要的作用。本文詳細(xì)介紹了項(xiàng)目研發(fā)初期的造型和數(shù)據(jù)兩個(gè)階段白車身沖壓件材料利用率提升方法，大幅提升了白車身沖壓件的材料利用率，最終實(shí)現(xiàn)降低白車身原材料成本的目的。

隨著特斯拉在上海落戶、互聯(lián)網(wǎng)造車的興起以及傳統(tǒng)車企的逐漸退出，汽車行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)越來越劇烈，因此，其生存和發(fā)展也面臨著巨大的挑戰(zhàn)。然而，對(duì)于汽車制造而言，其成本、質(zhì)量和周期永遠(yuǎn)是車企競(jìng)爭(zhēng)的核心因素。在不影響制件面品質(zhì)量與尺寸精度的同時(shí)，降低其開發(fā)成本，是每個(gè)車企需要考慮與優(yōu)先解決的關(guān)鍵核心問題。

汽車成本主要分為四個(gè)方面：第一，材料占比53%；第二，制造占比30%；第三，開發(fā)占比5%；第四，其他占比12%。根據(jù)以往車型數(shù)據(jù)，白車身的總質(zhì)量約為400 ～500kg，沖壓件占白車身總質(zhì)量的95%左右。也就是說，如果白車身的總質(zhì)量按450kg 進(jìn)行計(jì)算，即使材料利用率提升幅度從50%提升至51%，原材料的消耗也將減少約17kg，單車成本會(huì)降低約120 元，該車型按照年產(chǎn)十萬輛計(jì)算，每年將為企業(yè)節(jié)約成本達(dá)到了千萬余元。因此，白車身沖壓件材料利用率每提升一個(gè)百分點(diǎn)，對(duì)于降低成本而言都是很可觀的。

目前，白車身沖壓件材料利用率的提升工作，主要通過產(chǎn)品造型、結(jié)構(gòu)分塊、成形方式、工藝補(bǔ)充、板料形狀、廢料利用等多種方法進(jìn)行提升。根據(jù)以往車型經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)材料利用率達(dá)到一定程度時(shí)，白車身材料利用率的提升就會(huì)越來越困難。對(duì)于沖壓工藝人員來說，則需要投入大量的精力，協(xié)調(diào)車身設(shè)計(jì)、焊裝、尺寸等多個(gè)專業(yè)共同努力，在整個(gè)車型研發(fā)過程中去開展材料利用率的提升工作。按照車型研發(fā)流程，本文把材料利用率提升分為5 個(gè)階段，第1 階段為造型階段；第2 階段為數(shù)據(jù)階段；第3 階段為工藝階段；第4 階段為調(diào)試階段；第5 階段為量產(chǎn)階段。制件結(jié)構(gòu)決定了其材料利用率的最終上限，是材料利用率提升工作的重中之重。第1 造型階段和第2 數(shù)據(jù)階段是決定制件結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵階段，因此這兩個(gè)階段是白車身沖壓件材料利用率提升工作的最重要階段。本文將針對(duì)造型和數(shù)據(jù)這兩個(gè)階段，詳細(xì)介紹白車身沖壓件在該階段實(shí)現(xiàn)材料利用率提升的方法。

造型階段

計(jì)算機(jī)輔助造型(Computer Aided Stylin，簡(jiǎn)稱CAS)階段不僅決定了車型的美觀程度和工藝的難易程度，同時(shí)CAS 分縫對(duì)制件的材料利用率也有著非常大的影響，從而影響外覆蓋件的材料利用率及整個(gè)白車身的材料利用率提升。因此，我們?cè)陧?xiàng)目研發(fā)初期造型階段，不僅要對(duì)CAS 進(jìn)行工藝性評(píng)審，也要對(duì)CAS 進(jìn)行材料利用率的嚴(yán)格評(píng)審。

翼子板分縫線

圖1(a)的紅色線顯示的是翼子板、發(fā)罩外板、側(cè)圍外板三件的原始分縫線，如按照?qǐng)D1(b)綠線所示優(yōu)化三件的分縫線，翼子板上部則無凸出結(jié)構(gòu)，其材料利用率得到了明顯提升，同時(shí)并未對(duì)其他兩件的材料利用率產(chǎn)生影響。通過調(diào)整翼子板與發(fā)罩外板及側(cè)圍外板之間的分縫線，實(shí)現(xiàn)了材料利用率顯著提升。

圖1 翼子板的原始和優(yōu)化后分縫線

四門分縫線

前門外板與后門外板、后門外板與側(cè)圍外板兩處的分縫線如圖2 所示，原始制件外觀輪廓變化較為劇烈，造成制件局部有凸出部分。如果在保證造型效果的前提下按照綠色線進(jìn)行優(yōu)化，使其外觀輪廓變?yōu)槠骄彛伴T外板及后門外板的材料利用率會(huì)有顯著提升。因此，合理設(shè)計(jì)四門分縫線，可有效提高門板的材料利用率。

圖2 后門外板分縫線

側(cè)圍外板分縫線

側(cè)圍外板與尾門外板的分縫線如圖3 紅線所示，側(cè)圍外板的尾燈區(qū)域有局部凸出部分，嚴(yán)重影響其材料利用率。按圖3 中綠線所示來優(yōu)化兩件的分縫線，減小側(cè)圍外板尾燈區(qū)域的凸出部分，使其外觀輪廓變?yōu)槠骄彛瑐?cè)圍外板的材料利用率會(huì)有顯著提升。

圖3 側(cè)圍外板分縫線

數(shù)據(jù)階段

在數(shù)據(jù)階段，可通過制件分塊與制件結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面實(shí)現(xiàn)材料利用率的提升。若數(shù)據(jù)階段制件設(shè)計(jì)不合理，后期沖壓工藝無論如何改進(jìn)，材料利用率的提升幅度都受到極大限制。因此，數(shù)據(jù)階段決定了材料利用率提升的最終極限，在數(shù)據(jù)階段合理設(shè)計(jì)制件，是材料利用率提升的重中之重。

制件分塊

⑴ 制件與對(duì)應(yīng)制件的搭接位置。前門檻內(nèi)板與后門檻內(nèi)板的搭接關(guān)系如圖4 的紅圈所示。針對(duì)后門檻內(nèi)板，由于其有圖4 綠圈所示的凸出結(jié)構(gòu)，可以通過減少板料長(zhǎng)度方向的尺寸來提升其材料利用率。兩件的邊界線按圖4 紅色箭頭所示同時(shí)向右移動(dòng)，后門檻內(nèi)板的材料利用率會(huì)有較大的提升，同時(shí)對(duì)前門檻內(nèi)板的材料利用率并無影響。

圖4 前門檻內(nèi)板與后門檻內(nèi)板的搭接關(guān)系

頂蓋邊梁后部與D 柱加強(qiáng)件的搭接關(guān)系如圖5紅線所示，兩件均采用左右雙件拼接方式拉延，傾斜的邊界線導(dǎo)致制件局部凸出。兩件邊界線按圖5 中綠線所示優(yōu)化，則兩件的邊界線均為水平，與板料線相平行，從而兩件的材料利用率會(huì)有較大的提升。

圖5 頂蓋邊梁后部與D 柱加強(qiáng)件的搭接關(guān)系

⑵制件合并與制件拆分。由于中地板補(bǔ)板立壁較陡，整體式中地板成形困難，故中地板最初設(shè)計(jì)方案如圖6 所示為三個(gè)制件焊接而成。通過與車身設(shè)計(jì)部門溝通，按照沖壓要求優(yōu)化中地板補(bǔ)板立壁角度，最終實(shí)現(xiàn)三個(gè)制件合并為一個(gè)制件，其材料利用率有了顯著的提升。

圖6 中地板三件合并

最初版本的數(shù)據(jù)階段，天窗骨架為一個(gè)制件，因中間大部分區(qū)域?yàn)閺U料，故其材料利用率非常低。如圖7 所示，若把天窗骨架拆分為四個(gè)制件，其中左右兩個(gè)制件采用拼接方式拉延，上下兩個(gè)制件采用排樣進(jìn)行開卷落料，制件的材料利用率有了顯著的提升。因此，通過制件的合理合并與拆分，能夠顯著提升制件的材料利用率。

圖7 天窗骨架拆分為四件

制件結(jié)構(gòu)

⑴制件的焊接邊寬度。如圖8 所示，地板加強(qiáng)梁與對(duì)手件的焊接面寬度達(dá)到了22 mm。按照焊裝專業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，焊接面寬度16 mm 即可滿足點(diǎn)焊要求。我們把此處焊接面寬度優(yōu)化至16 mm，地板加強(qiáng)梁的材料利用率會(huì)有顯著的提升。

圖8 地板加強(qiáng)梁焊接面過寬

尾門尾燈支座圖示區(qū)域僅有一個(gè)焊點(diǎn)，焊接面寬度為23mm，按照?qǐng)D9 中紅線修改制件邊界線，焊接面寬度保證16mm 即可滿足點(diǎn)焊要求，尾門尾燈支座的材料利用率會(huì)有顯著的提升。

圖9 尾門尾燈支座焊接面過寬

⑵制件存在凸出結(jié)構(gòu)。后輪罩內(nèi)板采用左右雙件拼接方式拉延，圖10 中尖角部分寬度為20mm，且沒有任何功能作用，故去掉圖10 所示處的凸出結(jié)構(gòu)，板料尺寸在制件長(zhǎng)度方向相應(yīng)減小，后輪罩內(nèi)板的材料利用率會(huì)有顯著的提升。

圖10 輪罩內(nèi)板局部凸出結(jié)構(gòu)

原版的前隔板橫梁制件存在局部凸出部分，去掉圖11 中紅線上部的凸出部分，圖11 中最下方的制件為優(yōu)化后的制件，板料尺寸在制件寬度的方向相應(yīng)減小，制件的材料利用率有了顯著的提升。

圖11 前隔板橫梁局部凸出結(jié)構(gòu)

⑶制件材料利用率關(guān)鍵點(diǎn)處的邊界線。前縱梁采用成形工藝方案，其板料尺寸長(zhǎng)度方向的關(guān)鍵點(diǎn)位置為圖12 紅圈所示處。在保證焊接質(zhì)量的前提下避讓焊點(diǎn)更改制件邊界輪廓，使其板料尺寸在長(zhǎng)度方向上相應(yīng)減小，制件的材料利用率也會(huì)相應(yīng)提升。

圖12 前縱梁板料長(zhǎng)度方向關(guān)鍵點(diǎn)

后地板側(cè)板同樣采用成形工藝方案，其板料尺寸寬度方向的關(guān)鍵點(diǎn)位置為圖13 紅圈所示處，且此處并無焊點(diǎn)和其他功能作用，更改制件邊界輪廓，在提高制件沖壓工藝性的同時(shí)，其板料尺寸在寬度方向上相應(yīng)減小，制件的材料利用率也會(huì)相應(yīng)提升。

圖13 后地板側(cè)板寬度方向關(guān)鍵點(diǎn)

結(jié)束語

本文詳細(xì)介紹了白車身沖壓件在造型階段及數(shù)據(jù)階段材料利用率的提升方法。其中，在造型階段，主要通過調(diào)整CAS 分縫線來提升材料利用率；在數(shù)據(jù)階段，通過制件分塊與制件結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面實(shí)現(xiàn)材料利用率提升。其中，在制件分塊方向上，主要通過優(yōu)化制件與對(duì)應(yīng)制件的搭接位置、合并制件、拆分制件三種途徑來提升材料利用率；在制件結(jié)構(gòu)方向上，通過縮短焊接邊寬度、取消凸出結(jié)構(gòu)、優(yōu)化材料利用率關(guān)鍵點(diǎn)處邊界線三種方法來提升材料利用率。

此外，在應(yīng)用現(xiàn)有方法的同時(shí)，也要對(duì)新技術(shù)、新方法、新工藝進(jìn)行不斷地探索、研究、應(yīng)用。通過白車身沖壓件材料利用率的提升，降低白車身原材料的經(jīng)濟(jì)成本，從而最終達(dá)到提高車型市場(chǎng)核心競(jìng)爭(zhēng)力的目的。