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。

文章来源：《功能材料与器件学报》 网址: http://www.gnclyqjxb.cn/zonghexinwen/2021/0304/446.html