隨著汽車行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)不斷加劇，現(xiàn)階段主要通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新的手段提高產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)以工藝優(yōu)化的方式，實(shí)現(xiàn)降本增效。本文分析改變成形方式、落料排樣、廢料再利用、合模工藝、套件成形以及部分沖壓件板材選用激拼焊板等工藝設(shè)計(jì)優(yōu)化中材料利用率提升的方案，運(yùn)用其工藝方法，有效的提升整車材料利用率，從而降低了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)成本，提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。隨著汽車行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)日益加劇，影響汽車競(jìng)爭(zhēng)力的因素更加廣泛。除了汽車品牌、產(chǎn)品質(zhì)量、售后服務(wù)等因素外，成本和利潤(rùn)也是影響汽車在行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的一個(gè)重要指標(biāo)。在車身成本中，白車身成本占據(jù)重要的地位。沖壓作為汽車生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，在工藝設(shè)計(jì)階段，通過(guò)工藝設(shè)計(jì)優(yōu)化和新技術(shù)的應(yīng)用，可以提高沖壓材料利用率，提升產(chǎn)品的質(zhì)量，從而控制整車成本，提高產(chǎn)品收益。目前沖壓材料利用率提升技術(shù)的研究是眾多主機(jī)廠在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中重要工作內(nèi)容之一。材料利用率提升可通過(guò)多種工藝方法實(shí)現(xiàn)，如圖1 所示。本文通過(guò)分析產(chǎn)品工藝性，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段及模具工藝設(shè)計(jì)階段，制定應(yīng)用新工藝技術(shù)，提高材料利用率。
零件形狀和分塊
在進(jìn)行材料利用率分析之前需要了解沖壓件的初期工藝規(guī)劃，分析各工序的工作內(nèi)容，對(duì)模面和坯料形狀有基礎(chǔ)的構(gòu)思。在產(chǎn)品數(shù)據(jù)階段可以從產(chǎn)品零件的分塊、產(chǎn)品局部特征的優(yōu)化修改和廢料再利用等角度考慮，如圖2(a)中所示沖壓件，檢查產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分塊是否有利于廢料的減少和材料利用率的提升。圖2(a)中結(jié)構(gòu)分塊不合理，因形狀的特殊性，會(huì)產(chǎn)生較多的廢料。圖2(b)中修改零件的分塊特征，將圖2(a)的一個(gè)零件分為兩個(gè)零件，分件后兩種零件的形狀都相對(duì)比較規(guī)則，可以使材料利用率有較大提高。
成形方式的選擇
零件特有的形狀和特征，是通過(guò)模具凸凹模型面來(lái)獲得的。在沖壓工藝選擇時(shí)，需要考慮成形性是否滿足零件的表面質(zhì)量并滿足車身結(jié)構(gòu)的性能要求。工藝設(shè)計(jì)時(shí)通常有兩種成形方式，即成形工藝(F0)和拉延工藝(DR)，兩種工藝可以根據(jù)不同零件的成形性要求予以選擇。
成形工藝
成形工藝一般不需要在零件四周進(jìn)行壓料，成形時(shí)需要的工藝補(bǔ)充面較小，因此可以減小毛坯的尺寸，從而提升零件的材料利用率，如圖3 所示。成形工藝一般用于零件的深度不大、尺寸較小、成形相對(duì)簡(jiǎn)單的零件模具工藝設(shè)計(jì)。在滿足零件成形性的情況下，可以選擇成形工藝。
但是在零件拉延深度較大，形狀復(fù)雜的情況下，若選擇成形工藝，因缺少工藝補(bǔ)充面，材料流動(dòng)難以滿足零件特征面的成形要求，會(huì)在部分區(qū)域起皺，開(kāi)裂等工藝缺陷，影響零件外觀或強(qiáng)度。成形工藝的另外一個(gè)缺點(diǎn)是成形狀態(tài)不穩(wěn)定，零件批量生產(chǎn)時(shí)狀態(tài)不易控制，如果對(duì)零件尺寸和表面質(zhì)量要求很高，如外板件和重要的內(nèi)板件，在工藝設(shè)計(jì)時(shí)不建議選用成形工藝，而推薦使用拉延工藝。
拉延工藝
拉延模具是將平板毛坯制成特定外形的空心零件的模具，如圖4 所示。在拉延生產(chǎn)過(guò)程中，因零件的深度較大或者結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，需要給平板毛坯料定位，設(shè)置壓邊圈和拉延筋，設(shè)計(jì)合理的工藝補(bǔ)充面，控制材料流動(dòng)速度，防止出現(xiàn)起皺、開(kāi)裂等缺陷。
在工藝設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品形狀，合理選取成形方式和工藝補(bǔ)充面。由于工藝補(bǔ)充面在后序修邊時(shí)會(huì)被裁剪掉，成為工藝廢料，不能轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品，因此在質(zhì)量滿足要求的前提下，將工藝補(bǔ)充的尺寸盡量減小，從而節(jié)約材料，提高材料利用率，降低成本。工藝設(shè)計(jì)
工藝設(shè)計(jì)階段，以提升材料利用率為出發(fā)點(diǎn)，優(yōu)化零件結(jié)構(gòu)和模具結(jié)構(gòu)，工藝設(shè)計(jì)原則一般分為以下幾個(gè)方面。
調(diào)試后板料邊界離拉延筋距離最小化
經(jīng)調(diào)試合格后的模具，板料的邊界距離拉延筋的距離越小(圖5 中A 段)，越利于減少坯料的浪費(fèi)。
拉延筋設(shè)置最小化設(shè)計(jì)
在拉延過(guò)程中，由于零件的形狀和特征不是完全對(duì)稱的，板料在成形時(shí)在各個(gè)方向受到的拉力不同，流動(dòng)速度也有差異，因此會(huì)局部產(chǎn)生多料或少料的情況，導(dǎo)致起皺、變薄或開(kāi)裂。因此模具設(shè)計(jì)時(shí)，通常會(huì)設(shè)置拉延筋，增加進(jìn)料的阻力，改善零件的成形性能。通過(guò)拉延筋參數(shù)的適當(dāng)配置，達(dá)到均衡邊料流動(dòng)的效果，如圖5 中B 段所示，拉延筋的尺寸可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)定，并通過(guò)CAE 分析確定對(duì)板料流動(dòng)的改善效果。在滿足零件成形要求的情況下，盡量選擇較小的深度和寬度。
壓料面最小化設(shè)計(jì)
壓料面如圖5 中C 段所示，在零件的拉延中起著至關(guān)重要的作用，在凸模開(kāi)始對(duì)板料進(jìn)行拉延之前，壓邊圈將板料壓緊在凹模的壓料面上。拉延過(guò)程中，在凸模和壓料面上作用力的共同作用下，使板料產(chǎn)生塑性變形，完成零件的成形。壓料面屬于工藝補(bǔ)充面的一部分，因此在設(shè)計(jì)時(shí)，在滿足板料所需的壓邊要求的情況下，盡量減少壓料面尺寸，減少材料的浪費(fèi)。
拉延深度最小化
拉延深度與零件的形狀有關(guān)，在拉延深度較大的情況下，零件成形相對(duì)困難，對(duì)拉延筋設(shè)置、工藝補(bǔ)充設(shè)置的要求更高，材料利用率降低。因此可以通過(guò)零件結(jié)構(gòu)優(yōu)化或調(diào)整沖壓方向，設(shè)置合理的拉延深度，如圖5 中D 段所示。
工藝補(bǔ)充面最小化
工藝補(bǔ)充面是為保證得到合格的零件，在沖壓零件的基礎(chǔ)上增加的部分材料，如圖5 中E 段所示，它不是零件自身結(jié)構(gòu)的一部分，因此需要在后續(xù)的工序中進(jìn)行切除。因此作為輔助成形的結(jié)構(gòu)，工藝補(bǔ)充面的尺寸越小，越有利于材料利用率的優(yōu)化。模具設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮零件的成形要求和材料利用率的提升，選擇合適的工藝補(bǔ)充面尺寸。
落料排樣
汽車沖壓件生產(chǎn)中最常用的材料是普通冷軋板。沖壓板材的供應(yīng)方式一般為卷料或者是一定規(guī)格的板料。在實(shí)際沖壓生產(chǎn)之前，需要根據(jù)零件的成形要求和材料利用率要求，先將卷料和板料裁剪成特定規(guī)格和形狀的坯料。合理的排樣設(shè)計(jì)，可以大大提高材料利用率，降低生產(chǎn)成本。在不規(guī)則零件的模具設(shè)計(jì)中，一般需要進(jìn)行排樣設(shè)計(jì)(圖6)；在大型外板覆蓋件的生產(chǎn)中，通常會(huì)用到開(kāi)卷落料線。
以汽車上安裝的某支架加強(qiáng)板零件設(shè)計(jì)為例，因零件形狀具有一定弧度，如果采用條形板料，對(duì)材料的浪費(fèi)較多，可在設(shè)計(jì)階段，開(kāi)發(fā)一副落料模具，對(duì)原始的板料進(jìn)行裁剪，形成連續(xù)的弧形板料。落料模具的結(jié)構(gòu)圖和刀塊排布平面圖如圖7、圖8 所示，通過(guò)模具刀塊的作用，形成所需的板料形狀。開(kāi)卷落料線是一種適用于汽車行業(yè)表面覆蓋件卷板的開(kāi)卷、清洗涂油、校平、落料和碼垛的板材加工設(shè)備，在汽車行業(yè)的沖壓生產(chǎn)中已普遍采用。通過(guò)開(kāi)卷落料線的應(yīng)用，提高生產(chǎn)效率和材料利用率，同時(shí)也提高產(chǎn)品質(zhì)量。開(kāi)卷落料相對(duì)于手工落料還有其他優(yōu)勢(shì)：(1)提高外板零件的質(zhì)量，減少在落料過(guò)程中的零件劃傷、避免影響外板的生產(chǎn)品質(zhì)。減少后期的調(diào)試難度。
(2)由于開(kāi)卷落料的機(jī)械化生產(chǎn)，可以大大降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高落料的生產(chǎn)效率。汽車大的覆蓋件如側(cè)圍外板，需要采取落料的工序，在未應(yīng)用開(kāi)卷落料線之前，通常采取人工落料的方式，送件取件都需要工人操作，勞動(dòng)強(qiáng)度非常大且生產(chǎn)效率低下，開(kāi)卷、落料一體化的開(kāi)卷落料線的應(yīng)用，大幅度地提高了生產(chǎn)效率與產(chǎn)品質(zhì)量。(3)減少操作者在送料和取料過(guò)程中的工傷事故，大大改善了生產(chǎn)環(huán)境。
合模設(shè)計(jì)
合模設(shè)計(jì)的方式有一模多件、左右件合模(圖9)的方式，目的是通過(guò)多個(gè)零件共用模具，減少工藝補(bǔ)充面，提高材料利用率。此外，零件合模后，從整體上計(jì)算，可以降低模具的重量，減少生產(chǎn)沖次，從而降低工裝開(kāi)發(fā)費(fèi)用和生產(chǎn)成本。
合模工藝除了應(yīng)用于內(nèi)板零件的模具設(shè)計(jì)外，也可應(yīng)用于外板模具開(kāi)發(fā)中，如左右車門外板模具。在整車開(kāi)發(fā)中，零件的數(shù)量和種類眾多，在滿足生產(chǎn)條件的情況下，盡可能選擇合模工藝。廢料利用
在整車開(kāi)發(fā)中，識(shí)別存在較大區(qū)域廢料的零件，在開(kāi)卷落料或沖壓工藝設(shè)計(jì)時(shí)，考慮廢料的二次利用。如汽車側(cè)圍零件和帶天窗的頂蓋，存在較為規(guī)則和相對(duì)完整的廢料，可以對(duì)廢料進(jìn)行回收，用于其他零件的生產(chǎn)(圖10)；或者采用套件生產(chǎn)工藝，即在拉延模具設(shè)計(jì)時(shí)，在廢料部位設(shè)計(jì)小型的零件進(jìn)行套件生產(chǎn)，在分切時(shí)進(jìn)行零件分切，同時(shí)獲得兩種或兩種以上零件。
其他工藝和方法
激光拼焊板工藝
由于零件不同部位對(duì)強(qiáng)度，厚度等性能要求不同，在一些零件生產(chǎn)中可以采用激光拼焊板。激光拼焊板可以同時(shí)滿足零件對(duì)耐腐蝕性能的要求及不同部位強(qiáng)度等級(jí)的要求，此外激光拼焊板在沖壓生產(chǎn)時(shí)可以一次沖壓成形，達(dá)到減少焊接及零件減重的目的。激光拼焊板在車門內(nèi)板的生產(chǎn)中應(yīng)用較為廣泛。
輥壓成形
輥壓成形是通過(guò)輥壓設(shè)備，利用材料的塑性將材料加工成特定形狀的零件的工藝。和傳統(tǒng)的成形工藝和切削工藝相比，輥壓具有生產(chǎn)效率高、節(jié)約材料等優(yōu)點(diǎn)，并且生產(chǎn)出的零件強(qiáng)度較高、質(zhì)量穩(wěn)定。在產(chǎn)品生產(chǎn)批量較大時(shí)，可以采用此種生產(chǎn)工藝。
結(jié)論
(1)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，通過(guò)零件形狀的優(yōu)化，盡量減少不規(guī)則的形狀，規(guī)避不合理的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，改善零件分塊布局。通過(guò)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化，可以降低工裝開(kāi)發(fā)的難度，提高材料利用率。(2)模具工藝設(shè)計(jì)階段，在滿足零件成形要求的前提下，盡量選擇適當(dāng)?shù)某尚畏绞�、設(shè)置合理的工藝補(bǔ)充面、采用合模工藝、充分利用大型零件的邊角料和輪廓內(nèi)部余料，全面提高整車材料利用率。(3)制定新工藝技術(shù)應(yīng)用的投入產(chǎn)出平衡點(diǎn)，充分利用新的生產(chǎn)工藝和技術(shù)。
