工艺设计优化对汽车整车材料利用率提升的影响
随着汽车行业竞争不断加剧，现阶段主要通过技术创新的手段提高产品质量，同时以工艺优化的方式，实现降本增效。本文分析改变成形方式、落料排样、废料再利用、合模工艺、套件成形以及部分冲压件板材选用激拼焊板等工艺设计优化中材料利用率提升的方案，运用其工艺方法，有效的提升整车材料利用率，从而降低了产品开发成本，提高产品的市场竞争力。随着汽车行业竞争日益加剧，影响汽车竞争力的因素更加广泛。除了汽车品牌、产品质量、售后服务等因素外，成本和利润也是影响汽车在行业竞争力的一个重要指标。在车身成本中，白车身成本占据重要的地位。冲压作为汽车生产的重要环节，在工艺设计阶段，通过工艺设计优化和新技术的应用，可以提高冲压材料利用率，提升产品的质量，从而控制整车成本，提高产品收益。目前冲压材料利用率提升技术的研究是众多主机厂在产品开发中重要工作内容之一。材料利用率提升可通过多种工艺方法实现，如图1 所示。本文通过分析产品工艺性，在产品设计阶段及模具工艺设计阶段，制定应用新工艺技术，提高材料利用率。
零件形状和分块
在进行材料利用率分析之前需要了解冲压件的初期工艺规划，分析各工序的工作内容，对模面和坯料形状有基础的构思。在产品数据阶段可以从产品零件的分块、产品局部特征的优化修改和废料再利用等角度考虑，如图2(a)中所示冲压件，检查产品结构分块是否有利于废料的减少和材料利用率的提升。图2(a)中结构分块不合理，因形状的特殊性，会产生较多的废料。图2(b)中修改零件的分块特征，将图2(a)的一个零件分为两个零件，分件后两种零件的形状都相对比较规则，可以使材料利用率有较大提高。
图1 材料利用率提升相关工艺方法
图2 零件分块
成形方式的选择
零件特有的形状和特征，是通过模具凸凹模型面来获得的。在冲压工艺选择时，需要考虑成形性是否满足零件的表面质量并满足车身结构的性能要求。工艺设计时通常有两种成形方式，即成形工艺(F0)和拉延工艺(DR)，两种工艺可以根据不同零件的成形性要求予以选择。
成形工艺
成形工艺一般不需要在零件四周进行压料，成形时需要的工艺补充面较小，因此可以减小毛坯的尺寸，从而提升零件的材料利用率，如图3 所示。成形工艺一般用于零件的深度不大、尺寸较小、成形相对简单的零件模具工艺设计。在满足零件成形性的情况下，可以选择成形工艺。
图3 成形工艺
但是在零件拉延深度较大，形状复杂的情况下，若选择成形工艺，因缺少工艺补充面，材料流动难以满足零件特征面的成形要求，会在部分区域起皱，开裂等工艺缺陷，影响零件外观或强度。成形工艺的另外一个缺点是成形状态不稳定，零件批量生产时状态不易控制，如果对零件尺寸和表面质量要求很高，如外板件和重要的内板件，在工艺设计时不建议选用成形工艺，而推荐使用拉延工艺。
拉延工艺
拉延模具是将平板毛坯制成特定外形的空心零件的模具，如图4 所示。在拉延生产过程中，因零件的深度较大或者结构较为复杂，需要给平板毛坯料定位，设置压边圈和拉延筋，设计合理的工艺补充面，控制材料流动速度，防止出现起皱、开裂等缺陷。
图4 拉延工艺
在工艺设计时，应根据产品形状，合理选取成形方式和工艺补充面。由于工艺补充面在后序修边时会被裁剪掉，成为工艺废料，不能转化为产品，因此在质量满足要求的前提下，将工艺补充的尺寸尽量减小，从而节约材料，提高材料利用率，降低成本。
工艺设计
工艺设计阶段，以提升材料利用率为出发点，优化零件结构和模具结构，工艺设计原则一般分为以下几个方面。
调试后板料边界离拉延筋距离最小化
经调试合格后的模具，板料的边界距离拉延筋的距离越小(图5 中A 段)，越利于减少坯料的浪费。
图5 工艺参数
拉延筋设置最小化设计
在拉延过程中，由于零件的形状和特征不是完全对称的，板料在成形时在各个方向受到的拉力不同，流动速度也有差异，因此会局部产生多料或少料的情况，导致起皱、变薄或开裂。因此模具设计时，通常会设置拉延筋，增加进料的阻力，改善零件的成形性能。通过拉延筋参数的适当配置，达到均衡边料流动的效果，如图5 中B 段所示，拉延筋的尺寸可以根据经验进行设定，并通过CAE 分析确定对板料流动的改善效果。在满足零件成形要求的情况下，尽量选择较小的深度和宽度。
压料面最小化设计
压料面如图5 中C 段所示，在零件的拉延中起着至关重要的作用，在凸模开始对板料进行拉延之前，压边圈将板料压紧在凹模的压料面上。拉延过程中，在凸模和压料面上作用力的共同作用下，使板料产生塑性变形，完成零件的成形。压料面属于工艺补充面的一部分，因此在设计时，在满足板料所需的压边要求的情况下，尽量减少压料面尺寸，减少材料的浪费。
拉延深度最小化
拉延深度与零件的形状有关，在拉延深度较大的情况下，零件成形相对困难，对拉延筋设置、工艺补充设置的要求更高，材料利用率降低。因此可以通过零件结构优化或调整冲压方向，设置合理的拉延深度，如图5 中D 段所示。
工艺补充面最小化
工艺补充面是为保证得到合格的零件，在冲压零件的基础上增加的部分材料，如图5 中E 段所示，它不是零件自身结构的一部分，因此需要在后续的工序中进行切除。因此作为辅助成形的结构，工艺补充面的尺寸越小，越有利于材料利用率的优化。模具设计时应综合考虑零件的成形要求和材料利用率的提升，选择合适的工艺补充面尺寸。
落料排样
汽车冲压件生产中最常用的材料是普通冷轧板。冲压板材的供应方式一般为卷料或者是一定规格的板料。在实际冲压生产之前，需要根据零件的成形要求和材料利用率要求，先将卷料和板料裁剪成特定规格和形状的坯料。合理的排样设计，可以大大提高材料利用率，降低生产成本。在不规则零件的模具设计中，一般需要进行排样设计(图6)；在大型外板覆盖件的生产中，通常会用到开卷落料线。
图6 零件排样图
以汽车上安装的某支架加强板零件设计为例，因零件形状具有一定弧度，如果采用条形板料，对材料的浪费较多，可在设计阶段，开发一副落料模具，对原始的板料进行裁剪，形成连续的弧形板料。落料模具的结构图和刀块排布平面图如图7、图8 所示，通过模具刀块的作用，形成所需的板料形状。开卷落料线是一种适用于汽车行业表面覆盖件卷板的开卷、清洗涂油、校平、落料和码垛的板材加工设备，在汽车行业的冲压生产中已普遍采用。通过开卷落料线的应用，提高生产效率和材料利用率，同时也提高产品质量。(1)提高外板零件的质量，减少在落料过程中的零件划伤、避免影响外板的生产品质。减少后期的调试难度。
图7 落料模结构图
图8 落料模刀块平面图
(2)由于开卷落料的机械化生产，可以大大降低工人劳动强度，提高落料的生产效率。汽车大的覆盖件如侧围外板，需要采取落料的工序，在未应用开卷落料线之前，通常采取人工落料的方式，送件取件都需要工人操作，劳动强度非常大且生产效率低下，开卷、落料一体化的开卷落料线的应用，大幅度地提高了生产效率与产品质量。(3)减少操作者在送料和取料过程中的工伤事故，大大改善了生产环境。
合模设计
合模设计的方式有一模多件、左右件合模(图9)的方式，目的是通过多个零件共用模具，减少工艺补充面，提高材料利用率。此外，零件合模后，从整体上计算，可以降低模具的重量，减少生产冲次，从而降低工装开发费用和生产成本。
图9 左右合模
合模工艺除了应用于内板零件的模具设计外，也可应用于外板模具开发中，如左右车门外板模具。在整车开发中，零件的数量和种类众多，在满足生产条件的情况下，尽可能选择合模工艺。
废料利用
在整车开发中，识别存在较大区域废料的零件，在开卷落料或冲压工艺设计时，考虑废料的二次利用。如汽车侧围零件和带天窗的顶盖，存在较为规则和相对完整的废料，可以对废料进行回收，用于其他零件的生产(图10)；或者采用套件生产工艺，即在拉延模具设计时，在废料部位设计小型的零件进行套件生产，在分切时进行零件分切，同时获得两种或两种以上零件。
图10 废料利用
其他工艺和方法
激光拼焊板工艺
由于零件不同部位对强度，厚度等性能要求不同，在一些零件生产中可以采用激光拼焊板。激光拼焊板可以同时满足零件对耐腐蚀性能的要求及不同部位强度等级的要求，此外激光拼焊板在冲压生产时可以一次冲压成形，达到减少焊接及零件减重的目的。激光拼焊板在车门内板的生产中应用较为广泛。
辊压成形
辊压成形是通过辊压设备，利用材料的塑性将材料加工成特定形状的零件的工艺。和传统的成形工艺和切削工艺相比，辊压具有生产效率高、节约材料等优点，并且生产出的零件强度较高、质量稳定。在产品生产批量较大时，可以采用此种生产工艺。
图11 车门内板激光拼焊板
结论
(1)在产品设计阶段，通过零件形状的优化，尽量减少不规则的形状，规避不合理的产品结构，改善零件分块布局。通过产品结构优化，可以降低工装开发的难度，提高材料利用率。(2)模具工艺设计阶段，在满足零件成形要求的前提下，尽量选择适当的成形方式、设置合理的工艺补充面、采用合模工艺、充分利用大型零件的边角料和轮廓内部余料，全面提高整车材料利用率。(3)制定新工艺技术应用的投入产出平衡点，充分利用新的生产工艺和技术。
