模具工艺编排在提升材料利用率方面的运用

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文／李磊·奇瑞汽车股份有限公司制造工程院


汽车车身钢板材料利用率的高低，是汽车制造成本的重要部分之一。材料利用率是材料数量与生产该产品的材料总消耗量的比值。它是反映材料有效利用程度的指标之一。利用率越高，说明材料利用得越好，反之，则越差。本文主要研究如何使材料利用率最大化，在产品设计和模具设计阶段通过比较，找出差距和原因，并制定措施加以改进。


产品特性分析
如图1所示，产品的材质为HC180Y无间隙原子高强度冷轧钢，厚度为1.5mm，零件重量为6.14kg。根据产品的造型，周圈为产品形状，中间为全空状态，整个产品呈长“回”字状。此种形状的产品，在模具成形的原材料选用上，没有合适的符形毛坯材料可直接使用，需要采用辅助加工得以实现，为确保材料利用率的最大化，通过对产品的CAE分析计算，模拟算出不同方案下模具成形需要的钢板毛坯规格，并对几种方案进行分析，择优选择最佳方案实施。




图1 冲压件产品与成形需要的毛坯



此种形状的产品，在模具成形上需选用落料工艺料片实现，从而导致中间的浪费较多，材料利用率较低，经济效益较低。



模具成形方案和材料利用率(成本)分析
模具成形工艺方案
结合产品形状，为确保材料利用率的最大化，通过对产品成形的CAE分析计算，模拟算出不同方案下模具成形需要的钢板毛坯规格，并对几种方案进行分析，择优选择最佳方案实施。具体见表1。



表1 冲压件成形的3种方案设计




⑴方案1，落料片+模具拉延。

如图2所示，由CAE模拟分析得知，模具成形所需的钢板是外部最大轮廓规格为1220mm×1800mm、内部轮廓规格为640mm×1100mm工艺板料。





图2 方案1需求的毛坯规格及应用



结合上述钢板的最大外部轮廓尺寸和已知的产品料厚，计算出此工艺料片消耗的原毛坯重量为25.86kg。根据产品零件重量6.14kg计算，此方案的材料利用率为23.74%。假设1.5mm料厚的HC180Y无间隙原子高强度冷轧钢每千克为5元，单件消耗材料25.86×5=129.3元。



⑵方案2，落料片+模具拉延+废料再利用。

如图3所示，根据方案1的结论，并对规格为640mm×1100mm废料进行计算，得出废料重量为8.29kg。随后在同一车型中寻找与其相同料厚、材质的零件进行分析，并加以应用。通过查找、筛选、CAE分析，确定零件A和零件B可用；零件A和零件B重量均为1.21kg,两件合计2.42kg。根据CAE分析，零件A和零件B采用一模两件模具工艺生产，需要的板料规格为1.5mm×970mm×450mm，重量为5.14kg，对比方案1中规格为640mm×1100mm的废料尺寸，满足废料再利用需求。





图3 方案2需求的毛坯规格及废料再利用方案



采用此废料再利用方案后，零件A和零件B原需采购的板料可以节省，无需再采购，而且是在同一车型中利用，简单方便，最后计算得出材料利用率为33.10%((6.14+2.42)/25.86=33.10%)，比 方 案1材料利用率提升了9.36%。同样假设1.5 mm料厚的HC180Y无间隙原子高强度冷轧钢每千克为5元，单件消耗材料(25.86-2.42)×5=117.2元。



⑶方案3，激光拼焊工艺料片+模具拉延。

如图4所示，由CAE模拟分析得知，模具成形所需的激光拼焊板外轮廓尺寸为1200mm×1755mm、内轮廓为660mm×1265mm。激光拼焊工艺料片由4块长方形钢板采用激光拼焊焊接组成，4块长方形的钢板采用横竖切提前加工好，分别为2块规格为1755mm×270mm和2块660mm×245mm的长方形钢板，然后进行焊接，合计重量14.97kg。此方案没有废料，材料利用率极高，但是增加了激光焊接的费用。




图4 方案3需求的毛坯规格及应用



同样假设1.5 mm料厚的HC180Y无间隙原子高强度冷轧钢每千克为5元，单件消耗材料14.97×5=74.85元；激光拼焊价格假设每米按10元计算，由图4得知4条拼焊缝长(245×4)=0.98m，价格为0.98×10=9.8元，结合原材料价格74.85元，两项合计84.65元。



⑷材料利用率(成本)方案对比。

通过分析对比，上述三个方案中，方案1单件成本最高，方案2对比方案1节省12.1元，方案3对比方案2节省32.55元，方案3对比方案1节省44.65元，由此判定方案3(激光拼焊工艺料片+模具拉延)最优，单件消耗的材料成本最低，选为最终方案。如表2所示。



表2 冲压件成形的3种方案对比




具体实施
⑴根据(方案3，激光拼焊工艺料片+模具拉延)最优方案对比结论，选用激光拼焊厂家实施。激光拼焊厂家首先采用横竖切开卷加工好2块规格分别为1755mm×270mm和2块660mm×245mm的长方形钢板，然后进行激光拼焊焊接，最终形成模具成形需要的激光拼焊板，其外轮廓尺寸为1200mm×1755mm、内轮廓为660mm×1265mm。



⑵按照单车年销量10万辆计算，采用方案3后，对比方案2每年可节省材料成本325.5万元，对比方案1每年可节省材料成本446.5万元。



结束语
本文以通过如何提升汽车后纵梁的材料利用率为主线来分析，通过SE分析模拟，各个方案的材料利用率计算、对比，系统地阐述了常用的方案，并对方案所达到的材料利用率进行实例介绍。此方案同时适用于整车开发中其他类似工艺的冲压零件，从而提高整车制造的材料利用率，降低生产成本。