提高汽車沖壓件材料利用率的方法

文/周方星，曾雄鏢，師巍·神龍汽車有限公司

近幾年隨著人們生活水平的提高，汽車需求量也越來越大，各汽車廠的競爭日趨激烈，不斷投入具備成本競爭力的新車型搶占市場，與此同時，用于生產汽車鋼材所需的鐵礦石與焦炭等自然資源卻日趨緊張。提高材料利用率，不僅能降低汽車的制造成本，提高汽車品牌的競爭力，而且也符合節能降耗的環保理念。

工藝優化

落料排樣優化，減少廢料

針對一些異形的沖壓件，可以對開卷落料模具內毛坯板料的排布方式進行優化，以減少廢料，盡可能多的開卷出毛坯板料，提高材料利用率。

圖1為T6車型的左右內縱梁落料模內毛坯板料的排樣優化，將原先一步距產出一張板料，優化為一步距產出兩張板料，減少了廢料的重量，使得左右內縱梁的材料利用率從78.2%提升到87.6%。

材料規格合并，減少廢料

為提高市場競爭力，豐富銷售產品陣線，每年汽車廠都會有新車型的投入，新車型零件投入都會有新規格材料產生。當車型批量生產結束時，對應的專用鋼材都會因消耗緩慢而占用庫存，因此每增加一種新規格的鋼材就會造成庫存和管理成本的增加，汽車廠必須盡可能保證鋼材的通用性，減少鋼材的品種數量。

圖1 排樣優化對比圖

圖2 T6車型的機罩外板排樣優化過程圖

圖2為T6車型的機罩外板排樣優化過程，T6車型的機罩外板卷寬為1330mm，開卷步距為1820mm，需要使用落料模；而X7車型的機罩外板的卷寬為1830mm，使用弧形擺剪剪切落料，無廢料。

由于T6機罩的開卷步距與X7機罩卷料的料寬相近，通過現場驗證，可以使用X7機罩的卷料，按步距1170mm的參數，用弧形擺剪生產T6機罩的板料。

通過工藝優化，材料利用率提高3.7%，同時減少原T6機罩外板專用的鋼材規格，增加了材料的通用性，降低了庫存與管理成本。

模具設計優化，一模多件

在一套模具上同時生產多個零件時，利用大零件孔洞處的廢料生產一個或多個小零件，達到提高材料利用率的效果。

B5車型機罩內板和T7門內板的模具（圖3），分別利用機罩內板和門內板零件孔洞處廢料，沖壓出機罩加強板零件和門鎖加強板，避免了單獨使用材料生產機罩加強板及門鎖加強板。

圖3 一模多件，套裁利用示意圖

模具設計優化，板坯組合

模具設計時，將左右對稱零件設計在一起沖壓成形，通過工藝優化，將兩張板料沖壓出兩個零件改為一張板料沖壓出兩個零件，減少工藝補充面積，提高材料利用率。

圖4為MX3車型的左右后門外板零件模具設計與M44車型左右后門外板模具設計對比。MX3車型的左右后門外板一張板料沖壓一個零件，零件的四個方向都需要工藝補充面；而M44車型左右后門外板為一張板料沖壓出兩個零件，相當于減少一個工藝補充面。通過對比，M44車型后門外板材料利用率比MX3后門外板材料利用率提高4.16%。

圖4 模具設計對比圖

材料尺寸優化

減小毛坯尺寸

通過調整毛坯板料在拉延模內的定位，減少拉延筋以外多余材料的工藝補充，從而減小零件所需的毛坯板料尺寸，提高材料的利用率。

圖5為T/B車型前風窗下橫梁零件，對拉延成形過渡件觀察發現，拉延件的工藝補充區域還有很大一部分毛坯板料未被有效利用，通過測量，將此零件的開卷步距從原來的590mm減少到560mm，并對拉延模進行研合、對板料定位裝置進行調整，經過外觀檢查和三坐標測量幾何尺寸后確認：在板料步距減小30mm的情況下，零件成形正常，質量符合標準。

圖5 T/B車型前風窗下橫梁零件

T/B車型前風窗下橫梁零件通過毛坯尺寸優化后，材料利用率提高2.4%。

控制卷料公差，增加毛坯數量

鋼廠在生產鋼卷和鋼板時，對產品的厚度公差有一定的控制范圍，表1為卷料尺寸控制標準。如果鋼卷的厚度是按正公差交付到汽車廠，則開卷出來的毛坯板料厚度會在合格范圍內偏厚，會造成毛坯板料和沖壓零件的實際重量高于工藝定額重量，另一方面，會造成鋼卷開卷出的實際板料數量少于理論數量，造成成材率降低。

例如R33頂蓋零件，毛坯板料規格為0.8mm×1150mm×1680mm，材料牌號為DX54D+Z，其材料有三家供應商，三家供應商材料的公差尺寸均在合格范圍內，但通過跟蹤，其中一家材料每次開卷后的實際板料數量均少于理論數量，而另外兩家鋼卷材料開卷后的實際板料數量均略高于理論數量。

R33頂蓋零件的工藝消耗定額為11.993kg。一個10t重的鋼卷理論上可以開卷出R33頂蓋板料為10000kg/11.993kg=834張。按照表1標準，R33頂蓋零件使用的DX54D+Z材料的屈服強度小于280MPa，卷料寬度為1150mm，小于1200mm，因此最薄與最厚的板料厚度差異為0.06mm，則一個10t的鋼卷最多和最少可以開卷出的板料張數分別為996張和771張，差異為125張，在采用負公差交貨的情況下，相比正公差交貨提高了15%的材料利用率。因此要求鋼廠對鋼卷采用負公差交貨，可以顯著增加毛坯數量，提高材料利用率。

廢料收集再利用

部分零件在開卷落料時，會產生未利用的面積較大的廢料，將這些廢料用于汽車車身上其他小零件的生產，可以避免小零件所用材料的單獨采購，節約了成本，同時也提高了整車的材料利用率。

表1 卷料尺寸控制標準

圖6為R33后翼子板內板板料，其卷料規格為0.7mm ×1275mm，開卷時存在廢料。前圍上蓋板零件的板料尺寸為0.7mm×445mm×1070mm，消耗定額為2.594kg，這兩個零件的材料牌號一致，通過收集R33后翼子板開卷步距的廢料用于生產前圍上蓋板零件，材料利用率提高13%。

圖6 R33后翼子板內板板料

通過類似方法收集R33側圍外板廢料，其卷料規格為0.85mm×1450mm，材料牌號為DX56D+Z。R33左右后輪罩前部零件，尺寸為0.8mm×930mm×254mm，材料牌號為DX56D+Z。

通過收集R33側圍開卷時產生的廢料，并對廢料進行人工修剪，得到的矩形板料可用于生產R33左右后輪罩零件，材料利用率提高8%。

挺高卷料重量，減少頭尾浪費

沖壓工藝流程為材料供應商以帶包裝的卷料供貨，卷料拆包后通過開卷設備剪切成沖壓所需的各種形狀板料，然后沖壓出各種零件。開卷時需要對卷料外圈、內圈剪切處理，同時卷料頭尾需要穿過開卷設備，每卷材料頭尾約15米左右為生產正常損耗。因此開卷批量越大，卷料平均重量越重，開卷效率越高，卷料的平均損耗越少。

某車型整體側圍外板材料單車消耗60kg左右，沖壓開卷線批量大，跟蹤其側圍材料卷料重量，卷重分布范圍為7t至15t，平均重量約10t，經過測算分析，如果將卷料重量提高到18噸，開卷線每批次將少生產一個卷料，即少一個卷料的料頭料尾處理，側圍材料利用率可以提高約1%，開卷效率提高5%左右。結合設備能力，運輸條件，向鋼廠提出卷料重量要求，目前此側圍材料平均卷重18.5t，卷料轉化為板料的利用率由原來的98.2%提高至99.2%（板料轉化率=卷料凈重/消耗定額×100%）。

結論

對沖壓件而言，同一零件的材料利用率反映出工藝水平和技術水平的高低，本文結合沖壓現場實際應用，從工藝優化、材料尺寸優化、廢料再利用、卷料重量提高等方面介紹了提高汽車沖壓件材料利用率的方法，通過上述方法的實際應用，提高了工藝、技術水平，為后續項目的工藝設計提供了參考依據。

提高材料利用率的方法很多，更多的方法需要通過實踐驗證，例如沖壓覆蓋件下料時，將現有的直線刀或圓弧刀改為波浪刀，通過改變板坯的形狀，縮短板坯長度，從而提高材料利用率，此方法需要核算模具的投資、維修成本與提高材料利用率后的收益關系?？傊?，提高材料利用率是為了降低整車的完全成本，在做提高材料利用率方案時需要結合車型產量，考慮投資成本與收益的關系。