文/李眾·長(zhǎng)城汽車股份有限公司
汽車車身沖壓件生產(chǎn)是汽車生產(chǎn)的重要組成部分,降低沖壓件生產(chǎn)成本是非常有必要的。影響沖壓件開發(fā)成本的諸多因素中,原材料成本占比最大,因此探討沖壓方面原材料成本控制措施,對(duì)整車成本控制具有十分重要的意義。本文結(jié)合工作實(shí)踐,從造型、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、沖壓工藝策劃、工藝設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試等多方面詳細(xì)介紹了提升沖壓件材料利用率的方法。
在汽車行業(yè)逐步進(jìn)入薄利時(shí)代的今天,降低成本費(fèi)用是挽救企業(yè)利潤(rùn)的重要途徑。對(duì)于車企而言,唯有挖空心思降低成本,才能真正提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力,在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中立于不敗之地。對(duì)于一臺(tái)汽車,60%以上的零部件都是沖壓件。而影響沖壓生產(chǎn)成本的各要素中,生產(chǎn)原材料費(fèi)用占比最大,約占70%。因此提高生產(chǎn)原材料利用率對(duì)整車成本控制具有十分重要的意義。
材料利用率提升舉措應(yīng)該貫穿汽車開發(fā)的整個(gè)生命周期,在造型、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試、生產(chǎn)準(zhǔn)備等階段,通過與產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)、配套采購等各專業(yè)人員進(jìn)行SE研討來提升沖壓材料利用率,如圖1所示。
圖1 貫穿整個(gè)汽車開發(fā)的提升材料利用率問題
制約沖壓制件材料利用率提升的源頭就是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及邊界。因此在產(chǎn)品開發(fā)初期階段,需要通過合理的外觀A面分縫,調(diào)整車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案,優(yōu)化產(chǎn)品邊界及產(chǎn)品形狀變更,來提升沖壓制件的材料利用率。隨著汽車開發(fā)階段的推進(jìn),提升材料利用率會(huì)越來越困難,因此需要重視前期造型階段的校核。
造型油泥、先行CAS階段,在保證造型風(fēng)格的前提下,對(duì)影響單件材料利用率的分縫進(jìn)行調(diào)整,降低整車成本。下面以翼子板、前門為例進(jìn)行闡述:
⑴翼子板通過機(jī)蓋側(cè)分縫微調(diào)單車節(jié)省材料20mm寬,重約0.11kg/車;A柱分縫調(diào)整單車節(jié)省材料10mm寬,重約0.15kg/車。
⑵前門通過翼子板側(cè)分縫調(diào)整,可節(jié)省材料20mm寬,重約0.3kg/車。
翼子板、前門材料分縫的調(diào)整如圖2所示。
圖2 調(diào)整影響單件材料利用率的分縫
產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段綜合考慮沖壓材料利用率、模具成本、焊裝夾具、涂裝涂膠、人工成本等,調(diào)整內(nèi)部結(jié)構(gòu)分縫,合理的拆分與合并車身搭接件。
⑴頂蓋加強(qiáng)板與前橫梁下板通過內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化可實(shí)現(xiàn)整體成形,綜合材料利用率可提升4%;沖壓節(jié)省模具4套,縮短模具開發(fā)周期,焊裝節(jié)省組立工裝,涂裝節(jié)省涂膠工序,大大降低了整車開發(fā)成本。
⑵側(cè)圍A、B、C、D柱結(jié)構(gòu)、門檻結(jié)構(gòu)搭接關(guān)系調(diào)整,B柱結(jié)構(gòu)合并,綜合材料利用率可提升7%。
頂蓋、側(cè)圍結(jié)構(gòu)的調(diào)整如圖3所示。
圖3 調(diào)整頂蓋、側(cè)圍結(jié)構(gòu)
首先找到制約材料利用率的決定點(diǎn),然后對(duì)決定點(diǎn)位置的產(chǎn)品邊界進(jìn)行管理。例如:機(jī)罩外板前風(fēng)擋處尖角凸出長(zhǎng)度尺寸減小85mm,使材料利用率決定點(diǎn)向內(nèi)移動(dòng)85mm,材料利用率提升4.2%,如圖4所示。
圖4 對(duì)機(jī)罩外板結(jié)構(gòu)的調(diào)整
為提高材料利用率,落料尺寸減小,導(dǎo)致拉伸力不足,這種情況下板料起皺現(xiàn)象頻發(fā)。為解決起皺,提高品質(zhì)及成形穩(wěn)定性,需產(chǎn)品形狀配合進(jìn)行變更,例如:增加避免起皺的筋或增加凸臺(tái)特征,如圖5所示。
圖5 解決起皺調(diào)整產(chǎn)品形狀
開卷落料線相對(duì)于普通落料存在卷料寬度,送料長(zhǎng)度的極限尺寸,但是可有效縮減廢料數(shù)量;沖壓制件的板料尺寸盡量滿足開卷落料線尺寸,提升材料利用率,如圖6所示。
圖6 使用開卷落料與使用普通落料利用率的對(duì)比
⑴卷料寬度存在不同規(guī)格,但不能囊括所有尺寸。由于工藝未考慮卷料規(guī)格,造成采購不到合適尺寸的坯料,會(huì)出現(xiàn)浪費(fèi)情況,如圖7所示。
圖7 坯料尺寸不合適造成的浪費(fèi)
⑵卷料寬度最小化:為消除卷料寬度的偏差,把卷料邊緣變?yōu)樾捱呥吘?,如圖8所示。變?yōu)樾捱呥吘墪?huì)產(chǎn)生追加費(fèi)用,需與卷料供應(yīng)商協(xié)商。
圖8 卷料邊緣與修邊邊緣
⑶盡量使卷料的步距公差最小化,如圖9所示。
圖9 卷料的步距公差最小化
⑴一般情況下,頂蓋天窗口、后背門窗框、前后門內(nèi)板窗框、側(cè)圍門洞產(chǎn)生的廢料尺寸大,通過采用修邊工序?qū)U料整體切除,在廢料口或者線尾收集的工藝來制造同等材質(zhì)及料厚的其他零件,減少了原材料的浪費(fèi),有效地提高了材料利用率。側(cè)圍斜角部位及門洞側(cè)廢料在廢料口收集用于生產(chǎn)車身E類件,如圖10所示。
圖10 用廢料制造同等材質(zhì)及料厚的其他零件
⑵如圖11所示,套件生產(chǎn)技術(shù)為廢料直接再利用,相較上述廢料回收,此種方式可直接在廢料區(qū)域加上小型零件與大零件一起沖壓制造,提升材料利用率的同時(shí)節(jié)省了小零件的模具開發(fā)成本及沖壓次數(shù)。不過該方案在模具設(shè)計(jì)前期需要重點(diǎn)關(guān)注成形性,為了保證制件良好的成形性,車身結(jié)構(gòu)特征需要做出調(diào)整。我司車型前門外板支撐板與前門內(nèi)板生產(chǎn)模式為各自開發(fā)4套模具,且為一模一件,材料利用率低、生產(chǎn)效率低。通過支撐板套入窗框區(qū),替代原工藝造型,車門內(nèi)板材料利用率提升約2.4%,減少左/右車門支撐板4套模具開發(fā),每班次生產(chǎn)效率可提升100%;減少左/右車門支撐板模具存放空間4.02立方米。
圖11 套件生產(chǎn)技術(shù)
找到卷料寬度和送料步距的決定點(diǎn),縮減決定點(diǎn)的用料。
⑴通過拉延筋系數(shù)加大,減少拉延筋數(shù)量,雙筋改為單筋;筋類型變更,方筋替代圓筋。通過上述方法縮減拉延筋外側(cè)用料。
⑵修邊線延長(zhǎng)面的長(zhǎng)度一般部位5mm,材料利用率決定點(diǎn)處保留2mm即可。
⑶盡可能避免階梯拉延,采用淺拉延沖壓工藝,減少工藝補(bǔ)充。如圖12所示。
圖12 基礎(chǔ)車型與改款車?yán)寐实膶?duì)比
⑴用鋸齒形料片。
鋸齒形料與一般材料的成形條件相同時(shí),材料外形尺寸與筋的位置是相同的。但是,由于鋸齒形料的端頭部位呈波形,可以縮短送料距離。應(yīng)用波浪形料,可提升單件材料利用率約0.5%左右,如圖13所示。
圖13 波浪形料與鋸齒形料的對(duì)比
⑵采用結(jié)合板料。
在有很多空隙的制件上研討是否使用板料結(jié)合的方法(結(jié)合也會(huì)產(chǎn)生費(fèi)用,所以只在對(duì)于材料費(fèi)降低有效果時(shí)采用)。例如天窗加強(qiáng)板,通過多塊板料的結(jié)合方式,有效減少了廢料的產(chǎn)生。
多個(gè)板料結(jié)合案例如圖14所示。
圖14 多個(gè)板料結(jié)合案例
⑶采用弧形料。
機(jī)蓋內(nèi)外板、行李廂內(nèi)外板造型特征存在弧度,采用弧形料材料利用率高,且料片隨形利用拉延成形。弧形料相對(duì)于方料,在同等卷寬的情況下,弧形料送料步距更小,如圖15所示。
圖15 方料與弧形料利用率與送料步距的對(duì)比
汽車車身的絕大多數(shù)零件為對(duì)稱件,在工藝設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)多考慮左、右件成雙設(shè)計(jì),左右件合模生產(chǎn),不僅提高材料利用率,對(duì)于降低模具費(fèi)用、減少工序數(shù)、提高設(shè)備效率都有很大幫助。此外,對(duì)于一些特殊零件,可采用一模多件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),即一套模具一次能生產(chǎn)多個(gè)同樣零件。這種方式與左、右件合模效果相同,都能通過減少工藝補(bǔ)充來達(dá)到提高材料利用率的目的,如圖16所示。前門外板對(duì)拉后,材料利用率可提升至77.1%。
圖16 一模多件的設(shè)計(jì)
⑴沖壓件與材料利用率有關(guān)的成形方式有很多,傳統(tǒng)拉延工藝需要設(shè)計(jì)工藝補(bǔ)充,后序增加修邊工序?qū)U料切除,模具工序增加的同時(shí)材料利用率低;而成形工藝直接采用落料成形,材料利用率提升最為明顯,且工序簡(jiǎn)單。我司某車型車廂第一橫梁原工藝方案采用拉延形式,材料利用率72.4%;新工藝方案采用落料成形,材料利用率86.8%,提升14.4%,如圖17所示。
圖17 拉延工藝與成形工藝的對(duì)比
⑵開口拉延工藝的應(yīng)用。
在拉深工藝確定后,通過對(duì)制件在汽車車身上起的作用和可能出現(xiàn)的質(zhì)量問題進(jìn)行判定,在不影響車身強(qiáng)度、剛度的情況下,可以優(yōu)先考慮采用開口拉深工藝,如圖18所示。
圖18 開口拉延工藝
因直線壓料面導(dǎo)致拉延深度大的情況,采用曲線壓料面可有效減小拉延深度。利用產(chǎn)品特點(diǎn),使用產(chǎn)品的檻作為拉延檻,省去拉延筋,降低成形深度。比較兩種方案,材料利用率可提升4%,如圖19所示。
圖19 兩種方案的利用率
⑴連修帶翻工藝實(shí)現(xiàn)零廢料。
做斷面時(shí),考慮連修帶翻,使其不產(chǎn)生廢料。如圖20所示。
圖20 連修帶翻
⑵由側(cè)修變?yōu)檎归_修邊。
展開之后再修邊就不需要立壁部、廢料量可以降低,如圖21所示。
圖21 改為修邊后廢料量降低
前期設(shè)計(jì)階段料片尺寸的設(shè)定需要考慮現(xiàn)場(chǎng)模具加工精度,調(diào)試波動(dòng)等因素,在理論基礎(chǔ)上留有一定裕度。實(shí)際在模具調(diào)試、量產(chǎn)準(zhǔn)備階段,可以根據(jù)制件面品、精度實(shí)際達(dá)成情況進(jìn)行縮減料片尺寸,保證成形后料片邊界在一道筋外側(cè)邊緣,將現(xiàn)場(chǎng)材料利用率提升至極致,如圖22所示。
圖22 成形后料片邊界的位置
綜上所述,車身沖壓件制造成本從原材料投入到成品件產(chǎn)出的整個(gè)過程或多或少都存在著浪費(fèi)現(xiàn)象,隨著產(chǎn)品設(shè)計(jì)能力、模具工藝設(shè)計(jì)能力、制造工藝及制造設(shè)備的不斷提升和發(fā)展,材料利用率的提升仍然有較大的空間。在車型開發(fā)中,應(yīng)把材料利用率指標(biāo)作為一項(xiàng)重要的參數(shù)提出來,從產(chǎn)品源頭上減少板材的消耗,避免或減少出現(xiàn)問題后再去補(bǔ)救的情況,這將有利于汽車制造成本的控制。作為沖壓工程師,需要持續(xù)探索和研究新工藝,未來采用新工藝和新結(jié)構(gòu)持續(xù)提升原材料的利用率。