基于車身設計的材料利用率提升方法研究

張驥 史雪妍

(華晨汽車工程研究院)

國內自主品牌車身沖壓件的材料利用率一般能夠達到55%左右[1]。而日系品牌，其材料利用率通常能夠達到70%以上。由此可見，自主品牌的材料利用率還存在較大的提升空間。通常，材料利用率是工藝部門關注的指標，因此行業內目前主要依靠工藝改進來提升材料利用率，如調整工藝補充、減小拉延深度、調整排樣[2]、波浪刃口[3]、調整壓邊力[4]、開口拉延[5]等，而80%的產品成本都是在設計階段確定下來[6]。基于以上問題，文章提出基于車身設計的材料利用率提升方法，突破傳統利用率提升的局限性，實現設計層面的材料利用率優化。

1 利用率計算方式

材料利用率（MUL）是指零件本身的材料質量與生產零件所用坯料質量之比，表示材料被有效利用的程度，也是衡量材料有效利用的經濟性指標。材料利用率越高，生產零件所使用的坯料就越少，成本就越低。單件材料利用率計算方法如下[7]：

多個產品材料利用率計算方法如下：

市面上主流白車身質量為350～450 kg[8]，如果按材料利用率為55%計算，那么整車需要消耗636～818 kg坯料。在此基礎上，如果材料利用率提升1%，則單車坯料用量減少11～15 kg，收益約50～105元。如果年產達到10萬輛，則年收益可達500萬～1 050萬元。因此，提高材料利用率對降低車身成本意義重大。

2 提高材料利用率方法

文章著重從產品、排樣以及廢料3個方面闡述車身零件設計過程中的材料利用率提升方法。

2.1 基于產品的設計優化

2.1.1 產品結構優化

在產品設計過程中，盡量設計為成型零件。設計人員對車身性能考慮較多，缺乏對產品成型工藝的考慮，使得許多產品都必需使用拉延工藝。而一般情況下，成型工藝的材料利用率要遠高于拉延工藝[9]，因此，應盡量將零件設計為成型零件，尤其是形狀簡單的零件。

圖1 示出某車型地板的縱梁，改善前由于產品一側端頭封閉，為避免端頭成型起皺，必須選擇拉延工藝；而通過優化，將其拆分為2個產品，端頭封閉部分被拆分為拉延小件，剩余部分為簡單的成型件，優化前材料利用率為64.99%，優化后為84.74%，整體材料利用率大幅提升了19.75%。

圖1 產品設計優化

2.1.2 產品分縫優化

分縫的不同會直接影響產品的形狀，合理的分縫可以使產品形狀更加規整，有利于提高材料利用率。

圖2 示出某車型零件，原始分縫為圖2中優化前狀態，可以看出每個產品的坯料都存在較大的廢料區，材料利用率較低；通過調整產品分縫，優化了產品形狀，使其形狀規整，廢料明顯減少，經過分析，改善后產品材料利用率提升了8%，單車坯料成本降低約10元。

圖2 產品分縫優化

2.1.3 產品輪廓優化

每個產品都存在材料利用率的決定點，通常為產品局部凸出的部位，通過減少產品局部凸出形狀，可以提升產品材料利用率。在產品設計初期，該問題一般容易解決。

圖3 示出零件改善前由于存在凸出的部位，導致坯料在寬度以及長度方向均存在較多的浪費；通過調整安裝點，取消該凸出部位，優化前材料利用率為68.66%，優化后材料利用率為71.52%，產品材料利用率提升約2.86%。

圖3 產品結構優化

2.1.4 產品配合優化

配合優化就是要考慮周邊零件搭接，通過更改對手零件達到材料利用率提升的目的。

圖4 示出發動機艙加強件及排樣圖，可以看出，零件材料利用率決定點位置為焊接邊，不能更改。此時可以考慮更改對手零件。如圖4中優化后所示，在對手零件上增加3 mm凸臺，可直接將零件材料利用率決定點向內推動，減少廢料。優化前材料利用率為84.13%，優化后材料利用率為85.11%，提升約1%。

圖4 產品結構綜合優化

2.2 基于排樣的設計優化

通過排樣可以找到材料利用率決定點，可以更精準地對產品進行優化。以下主要介紹強制修改以及組合排樣的設計優化方法。

2.2.1 強制修改

通過強制減小坯料尺寸（長/寬或卷寬/步距），找出可更改的材料利用率決定點，并進行優化，從而達到提高產品材料利用率的方法。此方法幾乎適用于所有的零件，使用時要綜合考慮產品功能、性能以及工藝性等因素。

圖5 示出A柱內加強板及其排樣圖，優化前材料利用率為68.9%。根據強制修改的思路，從排樣圖可以看出，卷寬方向強制縮小，會用影響產品的焊接邊；如果步距方向強制縮小，可以在產品頂面增加缺口，以滿足縮小后的步距（優化后如圖5所示），此時產品材料利用率提升至71.22%，提升約2.3%。

圖5 強制修改

圖6 示出某車型的小支架及其最優排樣，材料利用率為42.57%。單從設計角度分析，無優化空間；單從工藝角度分析，強制修改步距或卷寬均會影響產品焊接邊長度，也無法優化。此時需綜合考慮才能找到優化方案：將零件排樣旋轉后強制修改步距，既不影響焊接邊，對產品結構、性能也無影響。優化后材料利用率提升至46.61%，提升約4.1%。

圖6 綜合優化

2.2.2 組合排樣

組合排樣是指2個或2個以上零件坯料組合一起進行排樣。

以2.2.2，2.2.3的零件為例，2個零件優化前整體材料利用率為62.46%，單件分別優化后整體材料利用率為65.46%，如進行組合排樣，我們可以得到如圖7a所示排樣，材料利用率為73.08%。如果采用零件比為1:2進行排樣，如圖7b所示，則材料利用率可以進一步提升至75.19%。通過以上的組合排樣，2個零件整體材料利用率由62.46%提升至75.19%，提升12.73%，如表1所示，同時2套落料模具合并為1套，可節省一定模具成本，效益可觀。

圖7 組合排樣

表1 零件材料利用率對比%

組合排樣道理簡單，但是應用起來有一定的難度，需要設計部門主導，工藝以及采購部門協作，提前考慮零件組合排樣及采購分包，才能達到最好的效果。否則在零件設計完成后再進行組合排樣，成功的概率會大打折扣。

2.3 基于廢料的設計優化

以下主要介紹廢料利用方法，主要包括余料利用及套模2種方法。

2.3.1 余料利用

此方法比較常見，應用也比較廣泛。通?？梢允占瘋葒约疤齑绊斏w的余料，用于小零件成型，實現廢料利用，達到提高材料利用率的效果[10]，如圖8所示。

圖8 余料利用

該方案在工藝介入后，要進行充分討論，避免出現廢料刀布置不合理、廢料無法收集等問題。

2.3.2 套模

天窗頂蓋、后背門、發動機罩內板以及輪罩外板等產品，拉延工序通常需要做大量的工藝補充以保證零件充分拉伸以及良好的成型性，因此工藝補充面上存在大面積的廢料。此處的廢料通常落入廢料坑，如果在前期設計過程中，將一些小件設計為可放至于廢料區內，主體零件一體成型（如圖9所示），不僅可以提高材料利用率，同時也可以減少模具的開發費用。

圖9 套模示意

2.4 常見問題

提升材料利用率的目的是為了降低成本，但是不能因此犧牲必要的性能，不能為提高材料利用率而提高材料利用率。材料利用率的提升一定要綜合考慮、權衡利弊，必要時還應組織專家評審，進行充分評估。

如圖10所示，用取消減重孔、取消鋸齒焊接邊、支撐面上開大缺口等方案來提升材料利用率，如單從工藝角度考慮，此方案可行。但是從設計角度出發，此方案不僅增加質量，而且并無性能提升，因此，此方案是不可取的。

圖10 反面案例

3 同步工程的應用

材料利用率提升需設計、工藝跨專業協同完成。但在實際工作中，2個部門職責分工不同，介入項目階段不同，很難完成深度的設計優化。為進一步提升材料利用率，必須建立以并行和一體化為核心[11]的沖壓同步工程，可以參考以下方案開展：

方案1：車身設計部門設立專業的工藝小組，使用專業軟件（如Autoform）分析產品材料利用率，同時為設計人員提供工藝技術支持。此方案優點：分析人員專業，分析結果精準；分析周期相對供應商更短。缺點：設計與工藝仍然是相對獨立的，結構設計完成后才進行優化，且需要聘請專業人員。適合對分析結果精準度要求高、與供應商工藝深入對接、可在人員及軟件上有較大投入的企業。

方案2：設計人員借助快速分析軟件，如Forming Suite（文中排樣分析及調整均在該軟件中完成），秉承“誰設計、誰分析”原則，由車身設計工程師對產品材料利用率進行評估和優化。此方案優點：設計與工藝充分結合，能夠在設計過程中進行產品優化；提升產品材料利用率的同時，也提高了設計人員工藝水平，產品設計成熟度更高；分析速度快，無需額外增加人員。缺點：分析準確性及精度不如方案1，適合對材料利用率有深入優化需求、對產品設計可制造性有一定要求、在人員及軟件方面不希望有較大投入的企業。

兩種沖壓同步工程方案在投入、應用及效益方面的對比如表2所示。方案各有利弊，如果企業為追求更高的利用率，也可同時實施兩種方案。

表2 方案對比（好√，不好×）

4 結論

綜上所述，提升材料利用率的方法很多，但是基于車身設計的材料利用率提升方法是最有效的。所以，要在產品設計階段投入更多的時間和人力，實現設計層面的材料利用率提升。文中所提到的方法在實際應用中要相互結合、靈活運用才能達到更好的效果。