汽车模具工艺中如何有效提高材料利用率

文/付再兴·奇瑞汽车股份有限公司规划设计一院

汽车模具工艺中如何有效提高材料利用率

文/付再兴·奇瑞汽车股份有限公司规划设计一院

在整个汽车开发过程中，冲压成本几乎占到60%。目前，影响冲压成本的各要素中板材费用占62%，在实际生产过程中主要可以从产品设计、工艺研讨、工艺设定、调试生产、板料采购等方面提升材料利用率，以便最大程度的降低成本。

随着汽车市场竞争的日益激烈，汽车价格将很大程度的影响着消费者的选择。如何在保证质量的情况下，降低汽车的开发成本，提供更有竞争力的产品，是一个汽车企业必须重点解决的课题。事实上，材料利用率一直以来都是各个汽车厂比较敏感的一根神经，因为它对汽车成本影响很大。尤其是近年来，铁矿石价格的不断上涨对汽车车身的开发成本影响巨大。

此外，近年来消费者对车型新奇样式的追求，也降低了材料利用率。大量资料表明，汽车车身的分块结构对材料利用率的影响巨大，在造型阶段就需要对材料利用率进行重点考虑。如在SE阶段可以通过工艺优化的手段提升材料利用率，并在工艺设计、调试生产阶段对材料利用率进一步提升。整车材料利用率每提升1%，整车的材料工艺消耗将减少约5kg，单车成本将节约35元。由此可见，材料利用率对车身成本的影响是巨大的。目前日韩汽车企业在材料利用率方面明显优于国内汽车

企业，这在汽车成本方面是明显的竞争优势。计算汽车车身20个大件的材料利用率，预计丰田是63%，现代是60%，而国内绝大部分企业是55%左右。本文主要从设计SE阶段、工艺规划阶段介绍如何采用相应措施来提升材料利用率，并对各个阶段的控制手段进行相关介绍。

材料利用率的定义

材料利用率是指为了生产产品而投入的板材与实际产品重量之比，即材料利用率＝A/ B×100%，其中A是实际产品重量，B是投入板材的重量而不是落料后的板料重量。

影响材料利用率高低的因素较多，主要从产品设计、工艺规划、冲压设备等方面考虑。同时也可以在SE阶段、工艺规划阶段采用不同的措施来控制。调试阶段以及生产阶段，可以通过适当减少板料尺寸来局部优化板料规格，但材料利用率提升的幅度不大，本文不作为重点介绍。

材料利用率提升方案

SE阶段变更产品形状

⑴分割部分产品，如图1所示。

图1 分割部分产品

⑵避免出现产品局部地方突出，见图2。

图2 避免出现产品局部地方突出

工艺规划阶段的相关措施

⑴重点管理影响板料大小的决定性部位，见图3。

⑵左右及相似产品的合并，见图4。通过几个典型制件，进行合理的合并，并对比材料利用率之间的差异情况。如图5所示，左右B柱上内板，原工艺方案材料利用率为41.5%，对产品进行合理合并后材料利用率为56%；如图6所示，左右B柱下内板，原工艺方案材料利用率为35%，对产品进行合理合并后材料利用率为46%。

⑶成形工艺的考虑。不同的工艺方案材料利用率的对比见图7，方案一的材料利用率为26.6%，方案2的材料利用率为45.4%。需要注意的是，在将拉延工艺更改为成形工艺时，需要综合考虑材质、料厚、制件形状等多方面的因素，不能采用只为了提高材料利用率而降低了产品质量的成形方式。

图3 影响板料大小的决定性部位

图4 左右及相似产品的合并

图5 左右B柱上内板材料利用率对比

图6 左右B柱下内板材料利用率对比

⑷开口拉延工艺的考虑。如图8所示，后地板本体半开口拉延的材料利用率为77.3%，全开口拉延的材料利用率为82.6%。

采用追加上模压料芯的拉延工艺方案，可有效提升产品质量和材料利用率。此种工艺思路可以向中地板等断面落差大的制件进行拓展。制件在拉延过程中会出现叠料、模具调试困难等问题，且严重影响模具的使用寿命。以往工艺思路是：通过加大工艺补充面、改变压料面形状或者增加余肉等，来解决拉延成形时断面落差大、成形起皱或叠料问题。模具结构虽然简单，但成形过程中端头部位首先就弯曲板料，使得拉延开始就出现了起皱，此种起皱无法在成形到底后消除。并且，由于增加余肉或者加大工艺补充面，板料会同时增大，对材料利用率影响就较大。为此，可以采用在凹模里面增加压料芯的方法，同时在凸模上增加凸缘，此时板料成形时没有出现弯曲现象，对板料成形很有利，具体情况见图9。

图7 不同工艺方案下材料利用率对比

图8 后地板本体材料利用率对比

图9 中地板等断面落差大的制件

通过改进后的工艺思路，可以合理的控制板料流动方向和速度，使其板料流动均匀化，有效解决起皱问题并提升材料利用率。模具工艺结构，需要包括凸模、凹模、压边圈、压料芯、氮气弹簧，比以往工艺思路增加的是压料芯和氮气弹簧结构。新的工艺方案为以后地板类零件的开发提供了新思路，也同时为其他类似零件的开口拉延找到了新思路，材料利用率提升了3%左右。

⑸板料的再利用，具体方式见图10。

图10 板料的再利用

⑹降低成形深度以提升材料利用率。同样一个门内板，不同的拉延深度，材料利用率也相差较大，图11a的材料利用率为46.1%，图11b的材料利用率为49.8%。

图 11 不同的拉延深度的材料利用率对比

⑺落料排样。不同的工艺造型，需要考虑不同的落料片。而不同的落料片，可以排出不同排样图，材料利用率也会相差较大，如左右轮罩外板，采用图12a所示的方案一，材料利用率为52%，采用图12b所示的方案二，材料利用率为57.5%。由于各车型的发盖内外板外形基本相近，可以通过开发弧形刀来实现不同的落料片形状，既能提升材料利用率，也能降低模具开发成本。

⑻合理采购卷料。若采购的卷料尺寸规格不合适，也会产生较大的浪费。

结束语

在当今原材料价格不断上涨的情况下，如何有效地提升材料利用率以降低成本，是每个汽车厂重点研究的课题。为了最大限度的提升材料利用率，可以通过在SE阶段优化产品造型和数据，工艺规划阶段合理安排工艺等措施来提升。需要工程师根据制件的形状采用最合理的措施，需要工程技术人员综合参考各项因素。