冲压件材料利用率提升方法探讨

陶静

本文论述了材料利用率提升对冲压生产成本控制的重要意义，并阐述了在车身开发同步工程的各个阶段，开展材料利用率提升工作的有效方法。强调了在模具实物开发前期的工艺审查和工艺规划过程中开展材料利用率提升的重要性及所存在的巨大提升空间。

冲压件的材料利用率和产品设计、工艺设计密不可分。一个车型的材料利用率水平高低同时也代表了企业的工艺水平的高低，是衡量企业成本管理水平高低的标尺。随着产品设计水平、工艺技术水平和模具设计制造能力的提升和发展，材料利用率将会有更大的提升空间，汽车企业要不断地对新技术、新工艺和新材料进行研究应用，才会创造更大的经济效益。目前，国内各大自主品牌汽车企业正努力开展材料利用率提升的研究工作，并在新车型开发中逐步推广应用。

材料利用率提升综述

轿车白车身通常由300～400个冲压件组成，绝大部分是通过冷冲压成形加工而成，为了满足冲压成形加工工艺的需求，需要在零件外部添加工艺补充面并在后工序进行剪切得到零件的形状，这部分被剪切掉的工艺补充面便是我们所说的废料区，它降低了材料利用率，影响了冲压生产的经济性。因此，缩小工艺补充面的面积是提升材料利用率的基本出发点。

材料利用率一般按照以下公式进行计算：单件材料利用率=零件重量/毛坯料重量×100％；白车身材料利用率=∑各零件重量/∑各毛坯料重量×100％。

提升方法分析

不同的造型特点、分块方法和结构特征对材料利用率会产生较大的影响，因此在对产品造型、断面和数模的工艺性分析过程中就应该对材料利用率的提升给予关注；在产品设计过程中，不影响整体造型风格、结构强度和功能实现的前提下应尽量选择材料利用率高的设计方案。

1.选择合理的工艺方法

工艺方法一旦确定便决定了一个零件材料利用率的高低水平。一般来说，在工艺规划阶段通过以下几种工艺方法可以有效提升材料利用率。

（1）成形工艺的合理利用

成形工艺采用不封闭压料的方式，因此工艺补充面大幅度缩小，可以减小原材料的毛坯尺寸；对于部分零件还可以在成形工序之前增加落料工序，通过落料排样进一步提升材料利用率。对于料厚t＞1.5t，抗拉强度σb＞450MPa的板件应优先考虑选用成形工艺，如车身上的纵梁、横梁以及门槛等表面要求不高、成形深度较浅的部件。

（2）左右件合模及一模多件

合模方式是指对左右对称件采取成双设计的方式，以减少工艺补充、提升材料利用率，同时降低成形难度。汽车车身上侧围、发舱部分等绝大多数零件为对称件，均可采用该方式。

一模多件是指一套模具可生产多个同样的零件，不仅减少了工艺补充，提高了材料利用率，同时提高生产效率。顶盖横梁、车门加强板等拉延深度较浅、形状简单的细长类零件，均可采用该方式。

目前，对于无框结构的车门外板四门合模拉延工艺也在逐步发展，这种工艺方法要求坯料尺寸大，压机工作台面大，因此具有一定的局限性。四门合模对表面品质的控制难度更大，因此在造型时应考虑减少特征棱线，避免棱线圆角过小和复杂的曲面特征。表1为某车型车门外板采用四件合模的对比，材料利用率比左右件合模提升了11％，同时模具数量由6副缩减到4副，模具重量也大幅减轻。

（3）开卷落料模具的开发应用

开发落料模具在开卷线上实现卷料的自动开卷及落料生产，不仅可以降低人工落料的工作量、提升生产效率，还可以提高外覆盖件料片的表面质量，避免划伤。虽然这样做增加了工序数量和模具数量，但对于钢量较大的车型，节省的板材费用可以抵消开发模具的费用。表2为不同坯料形状的材料利用率对比，增加开卷落料工序后材料利用率比用矩形料提升了6.5％。假设零件料厚0.8mm，原材料价格为6.05万/t，车型年产6万辆，车型寿命为5年，则节省的原材料成本为57万元，而开卷落料模具的开发费用约为9万元。该单件材料利用率的提高，去除模具开发、设备使用和人工成本等费用，每年大约可以产生5～6万元的经济效益。

在工艺规划过程中还要着重考虑是否可以多件共用一副落料模，如发盖内外板与前风窗横梁、顶盖前横梁与顶盖后横梁等。仅开一副落料模便可供多种产品落料，不仅提升了材料利用率还节约了工装开发费用。

（4）摆剪及剪板机的应用

摆剪设备通常和开卷落料线配套使用，无须开发落料模具便可实现卷料的开卷和剪切。通过摆剪可以实现梯形料和平行四边形料片的无废料落料，达到提升材料利用率的目的。车身上的翼子板、发动机盖内板和外板等通常利用摆剪得到梯形料片。

剪板机是一种常用的剪切下料设备，其具有占地小、投资少以及自动化程度较低等特点，因此常用于辅助下料。例如切角料等可以直接采购矩形料然后利用剪板机剪角，从而避免落料模的开发。由剪板机产生的废料相对平整，可以用来生产小型制件，达到提高材料利用率的目的。

2.合理选择冲压件的材质牌号

汽车钢板的材料牌号和厚度的组合高达80～100种，减少材料牌号的使用种类，对提升材料利用率、降低采购成本意义重大。在工艺规划阶段选择材料牌号，可以遵循如下原则：

（1）建立企业内部的车身板材选材库，精简板材种类。由于板材的采购有一定的起订量，会造成使用率较低的板材积压，导致成本的浪费。目前我公司在修订板材库后，材质牌号由234种缩减到167种。

（2）将性能相近的材料牌号进行合并。

（3）在满足产品质量和工艺要求和车身强度的条件下应尽量选择低牌号的材质，降低采购成本。

（4）在材料牌号定义时要考虑废料的再利用，对于可以利用的大件废料，可以更改小型件的材质，作为小型冲压件的毛坯料使用。

3.新材料、新技术的应用

近年来随着车身轻量化技术的发展，越来越多的新材料、新工艺在车身冲压领域推广应用，目前应用较广泛的是激光拼焊板的冲压成形；其次，热成形、液压成形在国内也逐步进行研究和应用，这些新技术的应用不仅能够提升车身的强度、降低车身质量，也有效地提升了材料利用率。

以某车型车门内板为例，传统工艺是将车门内板（DC04/t=0.8mm）和车门铰链加强板（DC04/t=0.8mm）分别成形后进行焊接；采用拼焊工艺则材料先进行激光焊接，然后进行整体成形。通过对比，采用激光拼焊后车身重量可减轻0.3kg，材料利用率提高2％，单台成本降低10元，具体见表3。

前期的模面设计和CAE分析

根据预先确定的工艺方法进行模面设计及优化后，可以得到相对准确的材料利用率。因为工艺补充面基本处在废料区，通过后续修边、冲孔去除，所以模面设计阶段对模面进行多次的CAE分析，不断进行优化，在保证拉延件刚性的同时可以确保得到最小的坯料尺寸。

在模面设计时为了尽量缩小工艺补充面的面积，应遵循如下两种设计原则：

（1）在保证拉延刚性的前提下尽量降低拉延深度，需要通过CAE分析确认。

（2）合模件的分切部位工艺补充面宽度在保证分切刀块强度的前提下应尽量缩小，目前，分切部位宽度可以做到20～25mm，随着加工工艺水平的进步，宽度可以进一步缩小。

（3）产品边界以外的工艺补充面尽量小，但必须保证修边模具废料刀的强度，一般来说从产品边界到凸模圆角末端的距离最小为7～10mm。

（4）尽量缩小压料面的面积，拉延筋中心到分模线的距离最小为20mm。

（5）拉延后坯料边缘线到拉延筋距离最小化，最小可以收缩至拉延筋中心线上，但需要通过CAE分析确认拉延件的刚性。

（6）对于成形深度较浅的零件可以直接使用拉延槛，会大幅度减少工艺补充的面积。

结语

由上述的材料利用率提升方法可知，材料利用率的提升过程基本在模具开发前期的工艺审查和工艺设计阶段，因此可以说材料利用率是设计出来的。所以，在新车型开发前期的产品与工艺协同设计阶段，即同步工程阶段，对材料利用率的提升至关重要。从造型到断面再到数模设计的各个阶段都需要进行仔细的审查，提早发现影响材料利用率的关键要素，在工艺设计过程中要充分利用CAE分析软件对模面进行不断的分析和优化，最大程度地提升材料利用率。