汽車模具工藝中如何有效提高材料利用率

文/付再興·奇瑞汽車股份有限公司規劃設計一院

汽車模具工藝中如何有效提高材料利用率

文/付再興·奇瑞汽車股份有限公司規劃設計一院

在整個汽車開發過程中，沖壓成本幾乎占到60%。目前，影響沖壓成本的各要素中板材費用占62%，在實際生產過程中主要可以從產品設計、工藝研討、工藝設定、調試生產、板料采購等方面提升材料利用率，以便最大程度的降低成本。

隨著汽車市場競爭的日益激烈，汽車價格將很大程度的影響著消費者的選擇。如何在保證質量的情況下，降低汽車的開發成本，提供更有競爭力的產品，是一個汽車企業必須重點解決的課題。事實上，材料利用率一直以來都是各個汽車廠比較敏感的一根神經，因為它對汽車成本影響很大。尤其是近年來，鐵礦石價格的不斷上漲對汽車車身的開發成本影響巨大。

此外，近年來消費者對車型新奇樣式的追求，也降低了材料利用率。大量資料表明，汽車車身的分塊結構對材料利用率的影響巨大，在造型階段就需要對材料利用率進行重點考慮。如在SE階段可以通過工藝優化的手段提升材料利用率，并在工藝設計、調試生產階段對材料利用率進一步提升。整車材料利用率每提升1%，整車的材料工藝消耗將減少約5kg，單車成本將節約35元。由此可見，材料利用率對車身成本的影響是巨大的。目前日韓汽車企業在材料利用率方面明顯優于國內汽車

企業，這在汽車成本方面是明顯的競爭優勢。計算汽車車身20個大件的材料利用率，預計豐田是63%，現代是60%，而國內絕大部分企業是55%左右。本文主要從設計SE階段、工藝規劃階段介紹如何采用相應措施來提升材料利用率，并對各個階段的控制手段進行相關介紹。

材料利用率的定義

材料利用率是指為了生產產品而投入的板材與實際產品重量之比，即材料利用率＝A/ B×100%，其中A是實際產品重量，B是投入板材的重量而不是落料后的板料重量。

影響材料利用率高低的因素較多，主要從產品設計、工藝規劃、沖壓設備等方面考慮。同時也可以在SE階段、工藝規劃階段采用不同的措施來控制。調試階段以及生產階段，可以通過適當減少板料尺寸來局部優化板料規格，但材料利用率提升的幅度不大，本文不作為重點介紹。

材料利用率提升方案

SE階段變更產品形狀

⑴分割部分產品，如圖1所示。

圖1 分割部分產品

⑵避免出現產品局部地方突出，見圖2。

圖2 避免出現產品局部地方突出

工藝規劃階段的相關措施

⑴重點管理影響板料大小的決定性部位，見圖3。

⑵左右及相似產品的合并，見圖4。通過幾個典型制件，進行合理的合并，并對比材料利用率之間的差異情況。如圖5所示，左右B柱上內板，原工藝方案材料利用率為41.5%，對產品進行合理合并后材料利用率為56%；如圖6所示，左右B柱下內板，原工藝方案材料利用率為35%，對產品進行合理合并后材料利用率為46%。

⑶成形工藝的考慮。不同的工藝方案材料利用率的對比見圖7，方案一的材料利用率為26.6%，方案2的材料利用率為45.4%。需要注意的是，在將拉延工藝更改為成形工藝時，需要綜合考慮材質、料厚、制件形狀等多方面的因素，不能采用只為了提高材料利用率而降低了產品質量的成形方式。

圖3 影響板料大小的決定性部位

圖4 左右及相似產品的合并

圖5 左右B柱上內板材料利用率對比

圖6 左右B柱下內板材料利用率對比

⑷開口拉延工藝的考慮。如圖8所示，后地板本體半開口拉延的材料利用率為77.3%，全開口拉延的材料利用率為82.6%。

采用追加上模壓料芯的拉延工藝方案，可有效提升產品質量和材料利用率。此種工藝思路可以向中地板等斷面落差大的制件進行拓展。制件在拉延過程中會出現疊料、模具調試困難等問題，且嚴重影響模具的使用壽命。以往工藝思路是：通過加大工藝補充面、改變壓料面形狀或者增加余肉等，來解決拉延成形時斷面落差大、成形起皺或疊料問題。模具結構雖然簡單，但成形過程中端頭部位首先就彎曲板料，使得拉延開始就出現了起皺，此種起皺無法在成形到底后消除。并且，由于增加余肉或者加大工藝補充面，板料會同時增大，對材料利用率影響就較大。為此，可以采用在凹模里面增加壓料芯的方法，同時在凸模上增加凸緣，此時板料成形時沒有出現彎曲現象，對板料成形很有利，具體情況見圖9。

圖7 不同工藝方案下材料利用率對比

圖8 后地板本體材料利用率對比

圖9 中地板等斷面落差大的制件

通過改進后的工藝思路，可以合理的控制板料流動方向和速度，使其板料流動均勻化，有效解決起皺問題并提升材料利用率。模具工藝結構，需要包括凸模、凹模、壓邊圈、壓料芯、氮氣彈簧，比以往工藝思路增加的是壓料芯和氮氣彈簧結構。新的工藝方案為以后地板類零件的開發提供了新思路，也同時為其他類似零件的開口拉延找到了新思路，材料利用率提升了3%左右。

⑸板料的再利用，具體方式見圖10。

圖10 板料的再利用

⑹降低成形深度以提升材料利用率。同樣一個門內板，不同的拉延深度，材料利用率也相差較大，圖11a的材料利用率為46.1%，圖11b的材料利用率為49.8%。

圖 11 不同的拉延深度的材料利用率對比

⑺落料排樣。不同的工藝造型，需要考慮不同的落料片。而不同的落料片，可以排出不同排樣圖，材料利用率也會相差較大，如左右輪罩外板，采用圖12a所示的方案一，材料利用率為52%，采用圖12b所示的方案二，材料利用率為57.5%。由于各車型的發蓋內外板外形基本相近，可以通過開發弧形刀來實現不同的落料片形狀，既能提升材料利用率，也能降低模具開發成本。

⑻合理采購卷料。若采購的卷料尺寸規格不合適，也會產生較大的浪費。

結束語

在當今原材料價格不斷上漲的情況下，如何有效地提升材料利用率以降低成本，是每個汽車廠重點研究的課題。為了最大限度的提升材料利用率，可以通過在SE階段優化產品造型和數據，工藝規劃階段合理安排工藝等措施來提升。需要工程師根據制件的形狀采用最合理的措施，需要工程技術人員綜合參考各項因素。