車(chē)身設(shè)計(jì)過(guò)程中的材料利用率提升

陳川 楊世印 李德隆 崔偉坤

（長(zhǎng)城汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心；河北省汽車(chē)工程技術(shù)研究中心）

隨著汽車(chē)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益加劇，如何有效地控制整車(chē)成本以增加產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，一直是企業(yè)重點(diǎn)的考慮內(nèi)容。一般汽車(chē)車(chē)身質(zhì)量為350～450 kg，按照整車(chē)材料利用率50%計(jì)算，需要消耗700～900 kg的材料。在原材料價(jià)格上漲和競(jìng)品車(chē)日漸增多的環(huán)境下，如何優(yōu)化車(chē)身結(jié)構(gòu)和提升材料利用率，其意義就變得非常重大。目前，在利用率提升方面，主要是通過(guò)考慮產(chǎn)品在制造過(guò)程中采用一模多件、優(yōu)化產(chǎn)品排樣與搭邊值及控制拉延產(chǎn)品板料收縮線到產(chǎn)品邊界的距離等方式提升產(chǎn)品的材料利用率。文章通過(guò)總結(jié)以往車(chē)型的經(jīng)驗(yàn)，把整車(chē)的材料利用率提升同車(chē)身設(shè)計(jì)結(jié)合起來(lái)，將材料利用率的概念融入到車(chē)身零件的設(shè)計(jì)過(guò)程中，有效地提升了整車(chē)材料利用率。

1 材料利用率提升的價(jià)值

據(jù)統(tǒng)計(jì)，整車(chē)材料利用率每提升1%，整車(chē)成本將降低50～60元。當(dāng)前主流車(chē)型的整車(chē)材料利用率為50%～55%，其中日韓車(chē)型的整車(chē)材料利用率較高，國(guó)內(nèi)自主品牌車(chē)型的材料利用率較低。

整車(chē)材料利用率提升可以分為產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段、工藝設(shè)計(jì)階段及模具調(diào)試階段。其中，模具調(diào)試階段屬于產(chǎn)品制造后期，對(duì)整車(chē)材料利用率提升貢獻(xiàn)度最??；產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段和工藝設(shè)計(jì)階段屬于產(chǎn)品制造前期，對(duì)整車(chē)材料利用率提升貢獻(xiàn)度大，應(yīng)投入更多的資源進(jìn)行提升。

目前多在工藝設(shè)計(jì)階段通過(guò)對(duì)產(chǎn)品工藝優(yōu)化來(lái)提升整車(chē)材料利用率，其中包括板料排樣的優(yōu)化及成型方案制定的優(yōu)化。文章主要是從車(chē)身設(shè)計(jì)階段考慮提升材料利用率。

2 材料利用率提升的設(shè)計(jì)方案

在車(chē)身造型、車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及車(chē)身零件設(shè)計(jì)時(shí)，零件的材料利用率對(duì)整車(chē)的材料利用率貢獻(xiàn)最大，但是此時(shí)設(shè)計(jì)人員往往會(huì)因考慮整車(chē)性能而忽視零件材料利用率的提升，從而影響到整車(chē)成本的控制。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的車(chē)型進(jìn)行歸納和總結(jié)，提出幾種可以有效控制材料利用率的優(yōu)化方案，從而在設(shè)計(jì)之初就能有效地控制整車(chē)的材料利用率。

2.1 分縫線的優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)罩前后分縫線曲率的設(shè)計(jì)

在造型階段，汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)罩的前后分縫線的曲率不一致，造成產(chǎn)品在拉延工藝設(shè)計(jì)時(shí)只能采用方料進(jìn)行生產(chǎn)，造成了板料的浪費(fèi)。通過(guò)調(diào)整汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)罩前后分縫線，盡可能地使其曲率保持一致，在產(chǎn)品拉延工藝設(shè)計(jì)時(shí)就可以采用弧形料片，將產(chǎn)品的材料利用率提升10%。圖1示出汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)罩分縫線曲率優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖1 汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)罩分縫線曲率優(yōu)化設(shè)計(jì)示意圖

2.1.2 汽車(chē)翼子板尖角分縫線設(shè)計(jì)

汽車(chē)翼子板尖角區(qū)域伸出過(guò)長(zhǎng)，易造成后續(xù)翻邊整形模具懸出部位過(guò)長(zhǎng)，模具強(qiáng)度弱；同時(shí)汽車(chē)翼子板尖角伸出過(guò)長(zhǎng)，還易造成拉延工序的工藝補(bǔ)充過(guò)大，影響產(chǎn)品的材料利用率。調(diào)整產(chǎn)品分縫線后，模具強(qiáng)度弱的問(wèn)題得到改善，同時(shí)產(chǎn)品材料利用率得到了提升。圖2示出汽車(chē)翼子板尖角分縫線優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖2 汽車(chē)翼子板尖角分縫線優(yōu)化設(shè)計(jì)示意圖

因此，在車(chē)身造型設(shè)計(jì)階段，在滿足車(chē)身造型概念的前提下，應(yīng)盡量避免出現(xiàn)突出部位以及尖銳的棱角，造型分縫線應(yīng)盡可能平緩，產(chǎn)品邊界應(yīng)當(dāng)盡可能設(shè)計(jì)為規(guī)則的形狀。

2.2 車(chē)身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要結(jié)合制造策略及制造工藝（包含產(chǎn)品的沖壓、焊接、涂膠及裝配等工藝）進(jìn)行考慮，同時(shí)要考慮到產(chǎn)品的性能。

2.2.1 突出部位的優(yōu)化設(shè)計(jì)

如果由于汽車(chē)總成制件結(jié)構(gòu)分縫線不合理，導(dǎo)致單個(gè)制件外形突出，會(huì)使制件在沖壓工藝補(bǔ)充上產(chǎn)生多余廢料。圖3示出D柱內(nèi)板上段突出部位的設(shè)計(jì)。如圖3所示，車(chē)身D柱區(qū)域，由于總成分縫線造成制件外形突出，進(jìn)而造成在產(chǎn)品拉延工藝上的工藝補(bǔ)充廢料增大，影響產(chǎn)品材料利用率的提升。

圖3 汽車(chē)D柱內(nèi)板上段突出部位示意圖

優(yōu)化設(shè)計(jì)方案為更改產(chǎn)品搭接區(qū)域，即在保證產(chǎn)品基礎(chǔ)焊接區(qū)域的前提下，縮短突出區(qū)域。突出的部位可以單獨(dú)拆分成一個(gè)規(guī)則制件，也可以合并到其搭接制件上進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

2.2.2 零件的拆分與合并

從整車(chē)可靠性和整車(chē)尺寸鏈角度考慮，車(chē)身零件越少，整車(chē)可靠性和零件的尺寸精度越好，但是車(chē)身零件的減少勢(shì)必會(huì)對(duì)零件的設(shè)計(jì)和零件成型難度提出更高的要求，所以零件的合理拆分和合并能夠有效地控制整車(chē)成本，并提升車(chē)身精度。

1）零件拆分過(guò)程中需要遵循的原則有：a.拆分后制件不影響整車(chē)性能；b.拆分后零件的制造成本要比拆分前低（包含材料利用率提升），否則不可拆分；c.拆分后零件成型難度比成型前低。

后圍板拆分示意，如圖4所示。從圖4可以看出，后圍板拆分前為一個(gè)整體，采用拉延工藝成型，圖4中黃色區(qū)域?yàn)閺U料，造成產(chǎn)品材料利用率降低。零件按照?qǐng)D4進(jìn)行拆分后，后圍板邊界縮短50 mm，同樣整體采用拉延工藝成型，但中間廢料區(qū)域減小，單件的材料利用率得到了提升。同時(shí)，拆分下來(lái)的制件產(chǎn)品形狀簡(jiǎn)單，材料利用率同樣較高，通過(guò)核算，拆分后，后圍板較拆分前的材料利用率提升3%。

圖4 汽車(chē)后圍板拆分示意圖

汽車(chē)尾燈安裝板拆分前為一個(gè)整體，產(chǎn)品尺寸大，且左側(cè)翻邊深度較深，產(chǎn)品拉延成型困難，存在開(kāi)裂問(wèn)題，產(chǎn)品材料利用率不足50%，如圖5所示。按照?qǐng)D5所示的拆分線拆分為2個(gè)產(chǎn)品，其中右側(cè)產(chǎn)品形狀簡(jiǎn)單，采用成型工藝即可滿足產(chǎn)品品質(zhì)要求，同時(shí)產(chǎn)品的利用率可以達(dá)到80%；左側(cè)制件拆分后通過(guò)旋轉(zhuǎn)沖壓方向，可以有效降低產(chǎn)品的翻邊高度，采用拉延的成型方案，成型難度降低，材料利用率提升到55%。經(jīng)整體計(jì)算，提升產(chǎn)品的材料利用率約11%。

圖5 汽車(chē)尾燈板安裝拆分示意圖

2）零件合并過(guò)程中需要注意的是，合并后零件的成型難度不應(yīng)增加，同時(shí)應(yīng)盡可能地提升產(chǎn)品的材料利用率。圖6示出汽車(chē)前輪罩零件合并示意圖。從圖6可以看出，通過(guò)將圖6a所示的前輪罩板與圖6b所示的前輪罩連接板合并為圖6c所示的新前輪罩，同時(shí)左右件采用對(duì)稱(chēng)拉延[1]，并按照?qǐng)D6d進(jìn)行工藝方案設(shè)計(jì)，可整體提升產(chǎn)品材料利用率約10%。

圖6 汽車(chē)前輪罩零件合并設(shè)計(jì)示意圖

2.2.3 車(chē)身零件邊界的優(yōu)化設(shè)計(jì)

通常，零件邊界設(shè)計(jì)對(duì)零件的材料利用率影響很大，尤其是成型類(lèi)零件邊界的設(shè)計(jì)直接影響到產(chǎn)品材料利用率的提升。車(chē)身零件邊界的優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下幾條原則。

1）成型類(lèi)零件展開(kāi)后，邊界應(yīng)盡量為規(guī)則形狀，以便于零件料片的排樣。圖7示出支架1材料利用率決定點(diǎn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。在進(jìn)行排樣時(shí)將圖7a支架1中的紅圈部位展開(kāi)料片，確定為材料利用率決定點(diǎn)，若想提升支架1的材料利用率就應(yīng)當(dāng)考慮將材料利用率的決定點(diǎn)減小，即將圖7a支架1中紅圈部位減小或者取消，這里可優(yōu)化零件中的小翻邊，就能明顯減少排樣過(guò)程中的廢料，提升產(chǎn)品材料利用率。

圖7 汽車(chē)支架1材料利用率決定點(diǎn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)示意圖

2）成型類(lèi)產(chǎn)品邊界圓角加大到極限。成型類(lèi)零件的圓角邊界往往是產(chǎn)品的材料利用率決定點(diǎn)，尤其是在進(jìn)行落料的排樣時(shí)，增加產(chǎn)品圓角可以提升材料利用率1%左右，降低整車(chē)成本。

圖8示出支架2的材料利用率決定點(diǎn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。從圖8b可以看出，對(duì)支架2料片展開(kāi)后進(jìn)行排樣可以發(fā)現(xiàn)，圖8中紅框部位的圓角加大后，可以縮短梯形料片的底邊長(zhǎng)度，進(jìn)而減小料片大小，提升產(chǎn)品的材料利用率。通過(guò)計(jì)算，此處圓角對(duì)應(yīng)位置為圖8a中支架2的紅圈部位，經(jīng)排查，加大此2處圓角對(duì)產(chǎn)品性能無(wú)影響，可以加大。通過(guò)加大此2處圓角后，產(chǎn)品的材料利用率提升約1%。

圖8 汽車(chē)支架2邊界圓角加大的優(yōu)化設(shè)計(jì)示意圖

3）成型類(lèi)帶缺口類(lèi)零件的設(shè)計(jì)。初步可以采用CATIA展開(kāi)產(chǎn)品，對(duì)產(chǎn)品缺口部位進(jìn)行檢查。使缺口部位長(zhǎng)度L2＜L1/（缺口數(shù)量-1），保證板料在排樣過(guò)程中缺口部位可以插補(bǔ)，提升材料利用率。圖9示出缺口零件的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖9 汽車(chē)缺口類(lèi)零件的優(yōu)化設(shè)計(jì)示意圖

4）成型類(lèi)級(jí)進(jìn)模（PRG）產(chǎn)品設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)和工藝工程師做好溝通，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期預(yù)留出PRG條料的導(dǎo)向孔位置。以翼子板支架為例，如圖10所示。

圖10 汽車(chē)翼子板支架級(jí)進(jìn)模優(yōu)化設(shè)計(jì)排樣圖

從圖10可以看出，產(chǎn)品中預(yù)留出條料的導(dǎo)向孔位置，可以將導(dǎo)向區(qū)域?qū)挾瓤s短15 mm，提升了材料利用率。

5）零件斷面形狀應(yīng)盡可能一致。相同的零件斷面可以使產(chǎn)品工藝簡(jiǎn)化，部分產(chǎn)品可以從拉延工藝變更為成型工藝，提升產(chǎn)品的材料利用率。圖11示出汽車(chē)地板縱梁零件斷面優(yōu)化設(shè)計(jì)。從圖11a可以看出，如斷面不一致，產(chǎn)品采用成型工藝會(huì)造成零件開(kāi)裂；若采用拉延工藝，產(chǎn)品材料利用率為45%，材料利用率降低一半。從圖11b可以看出，汽車(chē)地板縱梁零件斷面優(yōu)化設(shè)計(jì)后，斷面一致，可以采用成型工藝，材料利用率為98%。

圖11 汽車(chē)地板縱梁零件斷面優(yōu)化設(shè)計(jì)示意圖

3 結(jié)論

文章主要從車(chē)身設(shè)計(jì)階段出發(fā)，總結(jié)提出了車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及零件設(shè)計(jì)原則，對(duì)分縫線設(shè)計(jì)、成型類(lèi)及拉延類(lèi)零件設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)探討，總結(jié)出幾種可以提升產(chǎn)品材料利用率的方案。包括成型類(lèi)和拉延類(lèi)零件設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)有規(guī)則的邊界、規(guī)則的斷面及無(wú)型面的突變；在零件設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留出產(chǎn)品工藝需要的缺口，這樣有利于后期產(chǎn)品工藝的排布及較小的工藝補(bǔ)充；分縫線的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)避免出現(xiàn)突出部位及尖銳的棱角，造型分縫線應(yīng)盡可能平緩。明確了制件搭接形式和制件的拆分及合并的原則，減少了廢料，提升了材料利用率。把整車(chē)的材料利用率提升同車(chē)身設(shè)計(jì)結(jié)合起來(lái)，將材料利用率的概念融入車(chē)身零件的設(shè)計(jì)過(guò)程中，有效地提升了材料利用率，增加了汽車(chē)產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力，對(duì)汽車(chē)的車(chē)身設(shè)計(jì)具有一定的借鑒意義。