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摘要：傳統(tǒng)材料利用率提升主要依靠工藝改進(jìn)，而產(chǎn)品設(shè)計(jì)對材料利用率卻有決定性的影響，文章以基于車身設(shè)計(jì)的材料利用率提升為研究目的，通過應(yīng)用Forming Suite軟件，著重從車身設(shè)計(jì)角度出發(fā)并結(jié)合產(chǎn)品工藝，依托實(shí)際案例，從產(chǎn)品、排樣以及廢料3個(gè)方向進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，闡述材料利用率提升方法。文章提出的方法可有效地將整車?yán)寐侍嵘?%～5%，降低成本，提升產(chǎn)品競爭力，對車身設(shè)計(jì)的同步工程建設(shè)具有借鑒意義。

 

關(guān)鍵詞：材料利用率；產(chǎn)品設(shè)計(jì)；沖壓件

 

國內(nèi)自主品牌車身沖壓件的材料利用率一般能夠達(dá)到55%左右[1]。而日系品牌，其材料利用率通常能夠達(dá)到70%以上。由此可見，自主品牌的材料利用率還存在較大的提升空間。通常，材料利用率是工藝部門關(guān)注的指標(biāo)，因此行業(yè)內(nèi)目前主要依靠工藝改進(jìn)來提升材料利用率，如調(diào)整工藝補(bǔ)充、減小拉延深度、調(diào)整排樣[2]、波浪刃口[3]、調(diào)整壓邊力[4]、開口拉延[5]等，而80%的產(chǎn)品成本都是在設(shè)計(jì)階段確定下來[6]?；谝陨蠁栴}，文章提出基于車身設(shè)計(jì)的材料利用率提升方法，突破傳統(tǒng)利用率提升的局限性，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)層面的材料利用率優(yōu)化。

 

1 利用率計(jì)算方式

 

材料利用率（MUL）是指零件本身的材料質(zhì)量與生產(chǎn)零件所用坯料質(zhì)量之比，表示材料被有效利用的程度，也是衡量材料有效利用的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。材料利用率越高，生產(chǎn)零件所使用的坯料就越少，成本就越低。單件材料利用率計(jì)算方法如下[7]：

 

 

多個(gè)產(chǎn)品材料利用率計(jì)算方法如下：

 

 

市面上主流白車身質(zhì)量為350～450 kg[8]，如果按材料利用率為55%計(jì)算，那么整車需要消耗636～818 kg坯料。在此基礎(chǔ)上，如果材料利用率提升1%，則單車坯料用量減少11～15 kg，收益約50～105元。如果年產(chǎn)達(dá)到10萬輛，則年收益可達(dá)500萬～1 050萬元。因此，提高材料利用率對降低車身成本意義重大。

 

2 提高材料利用率方法

 

文章著重從產(chǎn)品、排樣以及廢料3個(gè)方面闡述車身零件設(shè)計(jì)過程中的材料利用率提升方法。

 

2.1 基于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)優(yōu)化

 

2.1.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化

 

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，盡量設(shè)計(jì)為成型零件。設(shè)計(jì)人員對車身性能考慮較多，缺乏對產(chǎn)品成型工藝的考慮，使得許多產(chǎn)品都必需使用拉延工藝。而一般情況下，成型工藝的材料利用率要遠(yuǎn)高于拉延工藝[9]，因此，應(yīng)盡量將零件設(shè)計(jì)為成型零件，尤其是形狀簡單的零件。

 

圖1 示出某車型地板的縱梁，改善前由于產(chǎn)品一側(cè)端頭封閉，為避免端頭成型起皺，必須選擇拉延工藝；而通過優(yōu)化，將其拆分為2個(gè)產(chǎn)品，端頭封閉部分被拆分為拉延小件，剩余部分為簡單的成型件，優(yōu)化前材料利用率為64.99%，優(yōu)化后為84.74%，整體材料利用率大幅提升了19.75%。

 

 

圖1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)優(yōu)化

 

2.1.2 產(chǎn)品分縫優(yōu)化

 

分縫的不同會(huì)直接影響產(chǎn)品的形狀，合理的分縫可以使產(chǎn)品形狀更加規(guī)整，有利于提高材料利用率。

 

圖2 示出某車型零件，原始分縫為圖2中優(yōu)化前狀態(tài)，可以看出每個(gè)產(chǎn)品的坯料都存在較大的廢料區(qū)，材料利用率較低；通過調(diào)整產(chǎn)品分縫，優(yōu)化了產(chǎn)品形狀，使其形狀規(guī)整，廢料明顯減少，經(jīng)過分析，改善后產(chǎn)品材料利用率提升了8%，單車坯料成本降低約10元。

 

 

圖2 產(chǎn)品分縫優(yōu)化

 

2.1.3 產(chǎn)品輪廓優(yōu)化

 

每個(gè)產(chǎn)品都存在材料利用率的決定點(diǎn)，通常為產(chǎn)品局部凸出的部位，通過減少產(chǎn)品局部凸出形狀，可以提升產(chǎn)品材料利用率。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期，該問題一般容易解決。

 

圖3 示出零件改善前由于存在凸出的部位，導(dǎo)致坯料在寬度以及長度方向均存在較多的浪費(fèi)；通過調(diào)整安裝點(diǎn)，取消該凸出部位，優(yōu)化前材料利用率為68.66%，優(yōu)化后材料利用率為71.52%，產(chǎn)品材料利用率提升約2.86%。

 

 

圖3 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化

 

2.1.4 產(chǎn)品配合優(yōu)化

 

配合優(yōu)化就是要考慮周邊零件搭接，通過更改對手零件達(dá)到材料利用率提升的目的。

 

圖4 示出發(fā)動(dòng)機(jī)艙加強(qiáng)件及排樣圖，可以看出，零件材料利用率決定點(diǎn)位置為焊接邊，不能更改。此時(shí)可以考慮更改對手零件。如圖4中優(yōu)化后所示，在對手零件上增加3 mm凸臺(tái)，可直接將零件材料利用率決定點(diǎn)向內(nèi)推動(dòng)，減少廢料。優(yōu)化前材料利用率為84.13%，優(yōu)化后材料利用率為85.11%，提升約1%。

 

 

圖4 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)綜合優(yōu)化

 

2.2 基于排樣的設(shè)計(jì)優(yōu)化

通過排樣可以找到材料利用率決定點(diǎn)，可以更精準(zhǔn)地對產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化。以下主要介紹強(qiáng)制修改以及組合排樣的設(shè)計(jì)優(yōu)化方法。

 

2.2.1 強(qiáng)制修改

 

通過強(qiáng)制減小坯料尺寸（長/寬或卷寬/步距），找出可更改的材料利用率決定點(diǎn)，并進(jìn)行優(yōu)化，從而達(dá)到提高產(chǎn)品材料利用率的方法。此方法幾乎適用于所有的零件，使用時(shí)要綜合考慮產(chǎn)品功能、性能以及工藝性等因素。

 

圖5 示出A柱內(nèi)加強(qiáng)板及其排樣圖，優(yōu)化前材料利用率為68.9%。根據(jù)強(qiáng)制修改的思路，從排樣圖可以看出，卷寬方向強(qiáng)制縮小，會(huì)用影響產(chǎn)品的焊接邊；如果步距方向強(qiáng)制縮小，可以在產(chǎn)品頂面增加缺口，以滿足縮小后的步距（優(yōu)化后如圖5所示），此時(shí)產(chǎn)品材料利用率提升至71.22%，提升約2.3%。

 

 

圖5 強(qiáng)制修改

 

圖6 示出某車型的小支架及其最優(yōu)排樣，材料利用率為42.57%。單從設(shè)計(jì)角度分析，無優(yōu)化空間；單從工藝角度分析，強(qiáng)制修改步距或卷寬均會(huì)影響產(chǎn)品焊接邊長度，也無法優(yōu)化。此時(shí)需綜合考慮才能找到優(yōu)化方案：將零件排樣旋轉(zhuǎn)后強(qiáng)制修改步距，既不影響焊接邊，對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、性能也無影響。優(yōu)化后材料利用率提升至46.61%，提升約4.1%。

 

 

圖6 綜合優(yōu)化

 

2.2.2 組合排樣

 

組合排樣是指2個(gè)或2個(gè)以上零件坯料組合一起進(jìn)行排樣。

 

以2.2.2，2.2.3的零件為例，2個(gè)零件優(yōu)化前整體材料利用率為62.46%，單件分別優(yōu)化后整體材料利用率為65.46%，如進(jìn)行組合排樣，我們可以得到如圖7a所示排樣，材料利用率為73.08%。如果采用零件比為1:2進(jìn)行排樣，如圖7b所示，則材料利用率可以進(jìn)一步提升至75.19%。通過以上的組合排樣，2個(gè)零件整體材料利用率由62.46%提升至75.19%，提升12.73%，如表1所示，同時(shí)2套落料模具合并為1套，可節(jié)省一定模具成本，效益可觀。

 

 

圖7 組合排樣

 

表1 零件材料利用率對比%

 

 

組合排樣道理簡單，但是應(yīng)用起來有一定的難度，需要設(shè)計(jì)部門主導(dǎo)，工藝以及采購部門協(xié)作，提前考慮零件組合排樣及采購分包，才能達(dá)到最好的效果。否則在零件設(shè)計(jì)完成后再進(jìn)行組合排樣，成功的概率會(huì)大打折扣。

 

2.3 基于廢料的設(shè)計(jì)優(yōu)化

以下主要介紹廢料利用方法，主要包括余料利用及套模2種方法。

 

2.3.1 余料利用

 

此方法比較常見，應(yīng)用也比較廣泛。通常可以收集側(cè)圍以及天窗頂蓋的余料，用于小零件成型，實(shí)現(xiàn)廢料利用，達(dá)到提高材料利用率的效果[10]，如圖8所示。

 

 

圖8 余料利用

 

該方案在工藝介入后，要進(jìn)行充分討論，避免出現(xiàn)廢料刀布置不合理、廢料無法收集等問題。

 

2.3.2 套模

 

天窗頂蓋、后背門、發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板以及輪罩外板等產(chǎn)品，拉延工序通常需要做大量的工藝補(bǔ)充以保證零件充分拉伸以及良好的成型性，因此工藝補(bǔ)充面上存在大面積的廢料。此處的廢料通常落入廢料坑，如果在前期設(shè)計(jì)過程中，將一些小件設(shè)計(jì)為可放至于廢料區(qū)內(nèi)，主體零件一體成型（如圖9所示），不僅可以提高材料利用率，同時(shí)也可以減少模具的開發(fā)費(fèi)用。

 

 

圖9 套模示意

 

2.4 常見問題

提升材料利用率的目的是為了降低成本，但是不能因此犧牲必要的性能，不能為提高材料利用率而提高材料利用率。材料利用率的提升一定要綜合考慮、權(quán)衡利弊，必要時(shí)還應(yīng)組織專家評審，進(jìn)行充分評估。

 

如圖10所示，用取消減重孔、取消鋸齒焊接邊、支撐面上開大缺口等方案來提升材料利用率，如單從工藝角度考慮，此方案可行。但是從設(shè)計(jì)角度出發(fā)，此方案不僅增加質(zhì)量，而且并無性能提升，因此，此方案是不可取的。

 

 

圖10 反面案例

 

3 同步工程的應(yīng)用

材料利用率提升需設(shè)計(jì)、工藝跨專業(yè)協(xié)同完成。但在實(shí)際工作中，2個(gè)部門職責(zé)分工不同，介入項(xiàng)目階段不同，很難完成深度的設(shè)計(jì)優(yōu)化。為進(jìn)一步提升材料利用率，必須建立以并行和一體化為核心[11]的沖壓同步工程，可以參考以下方案開展：

 

方案1：車身設(shè)計(jì)部門設(shè)立專業(yè)的工藝小組，使用專業(yè)軟件（如Autoform）分析產(chǎn)品材料利用率，同時(shí)為設(shè)計(jì)人員提供工藝技術(shù)支持。此方案優(yōu)點(diǎn)：分析人員專業(yè)，分析結(jié)果精準(zhǔn)；分析周期相對供應(yīng)商更短。缺點(diǎn)：設(shè)計(jì)與工藝仍然是相對獨(dú)立的，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后才進(jìn)行優(yōu)化，且需要聘請專業(yè)人員。適合對分析結(jié)果精準(zhǔn)度要求高、與供應(yīng)商工藝深入對接、可在人員及軟件上有較大投入的企業(yè)。

 

方案2：設(shè)計(jì)人員借助快速分析軟件，如Forming Suite（文中排樣分析及調(diào)整均在該軟件中完成），秉承“誰設(shè)計(jì)、誰分析”原則，由車身設(shè)計(jì)工程師對產(chǎn)品材料利用率進(jìn)行評估和優(yōu)化。此方案優(yōu)點(diǎn)：設(shè)計(jì)與工藝充分結(jié)合，能夠在設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行產(chǎn)品優(yōu)化；提升產(chǎn)品材料利用率的同時(shí)，也提高了設(shè)計(jì)人員工藝水平，產(chǎn)品設(shè)計(jì)成熟度更高；分析速度快，無需額外增加人員。缺點(diǎn)：分析準(zhǔn)確性及精度不如方案1，適合對材料利用率有深入優(yōu)化需求、對產(chǎn)品設(shè)計(jì)可制造性有一定要求、在人員及軟件方面不希望有較大投入的企業(yè)。

 

兩種沖壓同步工程方案在投入、應(yīng)用及效益方面的對比如表2所示。方案各有利弊，如果企業(yè)為追求更高的利用率，也可同時(shí)實(shí)施兩種方案。

 

表2 方案對比（好√，不好×）

 

 

4 結(jié)論

 

綜上所述，提升材料利用率的方法很多，但是基于車身設(shè)計(jì)的材料利用率提升方法是最有效的。所以，要在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段投入更多的時(shí)間和人力，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)層面的材料利用率提升。文中所提到的方法在實(shí)際應(yīng)用中要相互結(jié)合、靈活運(yùn)用才能達(dá)到更好的效果。

 

參考文獻(xiàn)

 

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