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(shù)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(shù)工作及沖壓發(fā)展改造工作。其負責的多個項目獲得吉林省市級獎項。

質(zhì)量和成本是企業(yè)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(zhì)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(chǎn)后生產(chǎn)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(yè)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(jīng)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(chǎn)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(chǎn)合格產(chǎn)品所需要消耗一定品種規(guī)格的材料的數(shù)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(shù)（或一張板料的重量／一張板料可制零件數(shù)）。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(chǎn)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(jīng)濟杠桿，對物資消耗進行控制和監(jiān)督，材料消耗定額對企業(yè)的生產(chǎn)成本控制具有重要意義，也是產(chǎn)品價格核算的重要基礎(chǔ)和依據(jù)。

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(chǎn)品結(jié)構(gòu)、工藝方案、模具結(jié)構(gòu)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(chǎn)品結(jié)構(gòu)：不同的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)或少無廢料的結(jié)構(gòu)。

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(chǎn)、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(jié)構(gòu)：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(yīng)在前期工藝模擬和DL圖設(shè)計時重點關(guān)注，工藝人員在會簽時要重點關(guān)注和控制。

工藝方案和模具結(jié)構(gòu)都是為產(chǎn)品服務(wù)的，工藝方案的制定依據(jù)也主要是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，所以產(chǎn)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(chǎn)品設(shè)計階段對材料方面的考慮，其次在產(chǎn)品一定的情況下要在工藝準備方案和模具結(jié)構(gòu)上下功夫，否則，在產(chǎn)品投產(chǎn)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(jù)目標車型提出材料利用率指標，綜合考慮產(chǎn)品特點和以往車型經(jīng)驗，給出經(jīng)濟合理的材料利用率目標，將該目標值作為產(chǎn)品設(shè)計、工藝設(shè)計和模具設(shè)計的輸入條件，并在整個產(chǎn)品開發(fā)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(chǎn)品開發(fā)同步工程工作

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

在 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方面

⑴零件結(jié)構(gòu)要盡量簡單：產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡單，不僅工序少節(jié)約模具費用，有利于質(zhì)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(yīng)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(jié)構(gòu)廢料多，材料利用率低的零件

⑵分塊要合理：產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上要盡量避免結(jié)構(gòu)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(chǎn)品設(shè)計人員更多從功能上考慮，較少關(guān)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(shè)計者。對這類零件的解決方案：a）可以在設(shè)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(jié)構(gòu)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(guī)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(guī)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(yīng)盡量向能產(chǎn)生可利用廢料的大件靠攏，以便在產(chǎn)品設(shè)計和工藝設(shè)計時就確定廢料利用方案，投產(chǎn)時直接利用廢料生產(chǎn)。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(jié)構(gòu)件，應(yīng)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(shè)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(fù)雜的拉延成形工序，不僅可以節(jié)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(nèi)部件，如果能夠滿足產(chǎn)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(chǎn)的就不用拉延生產(chǎn)。

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(chǎn)出合格件，為了節(jié)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(jié)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(chǎn)來說，后期生產(chǎn)節(jié)省的材料費用可能要遠遠高于模具成本，這時就應(yīng)從長遠考慮增加落料模具。

圖2 某橫梁

⑷合理排樣和設(shè)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(jù)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(jié)構(gòu)、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(jié)省了材料，但在實際生產(chǎn)中操作難度大，而且易產(chǎn)生廢品，所以要結(jié)合生產(chǎn)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(shù)、材質(zhì)和料厚等，一般資料中都有搭邊值表，可根據(jù)料厚、毛坯形狀、尺寸大小、送料方式等來選取，并根據(jù)現(xiàn)場的實際情況加以修正。由于實際生產(chǎn)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(chǎn)中會存在問題，所以實際確定的搭邊值應(yīng)比查表得到的搭邊值大10%～20%。

⑸對于中小型零件在工藝設(shè)計時要考慮盡量利用現(xiàn)有廢料生產(chǎn)，以便在模具設(shè)計時直接考慮利用廢料的結(jié)構(gòu)。否則投產(chǎn)后再考慮利用廢料則調(diào)試和組織難度較大。

⑹采用成雙生產(chǎn)工藝。汽車零件有許多對稱件，這些零件在工藝設(shè)計時最好采用成雙生產(chǎn)工藝，不僅提高效率，降低成形難度，保證質(zhì)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(xiàn)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(chǎn)效率和質(zhì)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(shè)計成廢料能回收的模具結(jié)構(gòu)，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(chǎn)工藝

圖5 某車型側(cè)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(nèi)，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(chǎn)效率。

模具設(shè)計與調(diào)試

⑴對大型零件在模具設(shè)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(chǎn)，其廢料應(yīng)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(shè)計時要求將該件的廢料不要切斷并從設(shè)備的側(cè)面滑出，使該件的廢料得到回收和利用。在自動生產(chǎn)線上的廢料回收，要在模具結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)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(jié)構(gòu)圖設(shè)計時盡量保證工藝補充最小化，在保證產(chǎn)品質(zhì)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(shù)，提前模擬判斷工藝和模具結(jié)構(gòu)，以保證質(zhì)量要求。

⑶模具調(diào)試時，要盡量調(diào)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(diào)試階段，在模具制造廠進行，主機廠的工藝人員要對此關(guān)注，并提前對模具廠家提出有關(guān)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(chǎn)出合格零件，又用材最少，減少不必要的浪費。

結(jié)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(chǎn)品開發(fā)準備的整個過程中，材料利用率指標在每一個環(huán)節(jié)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(yīng)商的管理和要求，只有各個環(huán)節(jié)都重視，才能達到降低成本的目標。