模具设计必备技能丨如何提高冲压件材料利用率？

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近几年随着人们生活水平的提高，汽车需求量也越来越大，各汽车厂的竞争日趋激烈，不断投入具备成本竞争力的新车型抢占市场，与此同时，用于生产汽车钢材所需的铁矿石与焦炭等自然资源却日趋紧张。提高材料利用率，不仅能降低汽车的制造成本，提高汽车品牌的竞争力，而且也符合节能降耗的环保理念。

工艺优化
落料排样优化，减少废料
针对一些异形的冲压件，可以对开卷落料模具内毛坯板料的排布方式进行优化，以减少废料，尽可能多的开卷出毛坯板料，提高材料利用率。
图1为T6车型的左右内纵梁落料模内毛坯板料的排样优化，将原先一步距产出一张板料，优化为一步距产出两张板料，减少了废料的重量，使得左右内纵梁的材料利用率从78.2%提升到87.6%。
材料规格合并，减少废料
为提高市场竞争力，丰富销售产品阵线，每年汽车厂都会有新车型的投入，新车型零件投入都会有新规格材料产生。当车型批量生产结束时，对应的专用钢材都会因消耗缓慢而占用库存，因此每增加一种新规格的钢材就会造成库存和管理成本的增加，汽车厂必须尽可能保证钢材的通用性，减少钢材的品种数量。




图2 T6车型的机罩外板排样优化过程图

图2为T6车型的机罩外板排样优化过程，T6车型的机罩外板卷宽为1330mm，开卷步距为1820mm，需要使用落料模；而X7车型的机罩外板的卷宽为1830mm，使用弧形摆剪剪切落料，无废料。
由于T6机罩的开卷步距与X7机罩卷料的料宽相近，通过现场验证，可以使用X7机罩的卷料，按步距1170mm的参数，用弧形摆剪生产T6机罩的板料。
通过工艺优化，材料利用率提高3.7%，同时减少原T6机罩外板专用的钢材规格，增加了材料的通用性，降低了库存与管理成本。
模具设计优化，一模多件
在一套模具上同时生产多个零件时，利用大零件孔洞处的废料生产一个或多个小零件，达到提高材料利用率的效果。
B5车型机罩内板和T7门内板的模具（图3），分别利用机罩内板和门内板零件孔洞处废料，冲压出机罩加强板零件和门锁加强板，避免了单独使用材料生产机罩加强板及门锁加强板。

图3 一模多件，套裁利用示意图

模具设计优化，板坯组合
模具设计时，将左右对称零件设计在一起冲压成形，通过工艺优化，将两张板料冲压出两个零件改为一张板料冲压出两个零件，减少工艺补充面积，提高材料利用率。
图4为MX3车型的左右后门外板零件模具设计与M44车型左右后门外板模具设计对比。MX3车型的左右后门外板一张板料冲压一个零件，零件的四个方向都需要工艺补充面；而M44车型左右后门外板为一张板料冲压出两个零件，相当于减少一个工艺补充面。通过对比，M44车型后门外板材料利用率比MX3后门外板材料利用率提高4.16%。

图4 模具设计对比图

材料尺寸优化
减小毛坯尺寸
通过调整毛坯板料在拉延模内的定位，减少拉延筋以外多余材料的工艺补充，从而减小零件所需的毛坯板料尺寸，提高材料的利用率。
图5为T/B车型前风窗下横梁零件，对拉延成形过渡件观察发现，拉延件的工艺补充区域还有很大一部分毛坯板料未被有效利用，通过测量，将此零件的开卷步距从原来的590mm减少到560mm，并对拉延模进行研合、对板料定位装置进行调整，经过外观检查和三坐标测量几何尺寸后确认：在板料步距减小30mm的情况下，零件成形正常，质量符合标准。

图5 T/B车型前风窗下横梁零件

T/B车型前风窗下横梁零件通过毛坯尺寸优化后，材料利用率提高2.4%。
控制卷料公差，增加毛坯数量
钢厂在生产钢卷和钢板时，对产品的厚度公差有一定的控制范围，表1为卷料尺寸控制标准。如果钢卷的厚度是按正公差交付到汽车厂，则开卷出来的毛坯板料厚度会在合格范围内偏厚，会造成毛坯板料和冲压零件的实际重量高于工艺定额重量，另一方面，会造成钢卷开卷出的实际板料数量少于理论数量，造成成材率降低。
例如R33顶盖零件，毛坯板料规格为0.8mm×1150mm×1680mm，材料牌号为DX54D+Z，其材料有三家供应商，三家供应商材料的公差尺寸均在合格范围内，但通过跟踪，其中一家材料每次开卷后的实际板料数量均少于理论数量，而另外两家钢卷材料开卷后的实际板料数量均略高于理论数量。
R33顶盖零件的工艺消耗定额为11.993kg。一个10t重的钢卷理论上可以开卷出R33顶盖板料为10000kg/11.993kg=834张。按照表1标准，R33顶盖零件使用的DX54D+Z材料的屈服强度小于280MPa，卷料宽度为1150mm，小于1200mm，因此最薄与最厚的板料厚度差异为0.06mm，则一个10t的钢卷最多和最少可以开卷出的板料张数分别为996张和771张，差异为125张，在采用负公差交货的情况下，相比正公差交货提高了15%的材料利用率。因此要求钢厂对钢卷采用负公差交货，可以显著增加毛坯数量，提高材料利用率。
废料收集再利用
部分零件在开卷落料时，会产生未利用的面积较大的废料，将这些废料用于汽车车身上其他小零件的生产，可以避免小零件所用材料的单独采购，节约了成本，同时也提高了整车的材料利用率。
表1 卷料尺寸控制标准


图6 R33后翼子板内板板料

通过类似方法收集R33侧围外板废料，其卷料规格为0.85mm×1450mm，材料牌号为DX56D+Z。R33左右后轮罩前部零件，尺寸为0.8mm×930mm×254mm，材料牌号为DX56D+Z。
通过收集R33侧围开卷时产生的废料，并对废料进行人工修剪，得到的矩形板料可用于生产R33左右后轮罩零件，材料利用率提高8%。
挺高卷料重量，减少头尾浪费
冲压工艺流程为材料供应商以带包装的卷料供货，卷料拆包后通过开卷设备剪切成冲压所需的各种形状板料，然后冲压出各种零件。开卷时需要对卷料外圈、内圈剪切处理，同时卷料头尾需要穿过开卷设备，每卷材料头尾约15米左右为生产正常损耗。因此开卷批量越大，卷料平均重量越重，开卷效率越高，卷料的平均损耗越少。
某车型整体侧围外板材料单车消耗60kg左右，冲压开卷线批量大，跟踪其侧围材料卷料重量，卷重分布范围为7t至15t，平均重量约10t，经过测算分析，如果将卷料重量提高到18吨，开卷线每批次将少生产一个卷料，即少一个卷料的料头料尾处理，侧围材料利用率可以提高约1%，开卷效率提高5%左右。结合设备能力，运输条件，向钢厂提出卷料重量要求，目前此侧围材料平均卷重18.5t，卷料转化为板料的利用率由原来的98.2%提高至99.2%（板料转化率=卷料净重/消耗定额×100%）。
结论
对冲压件而言，同一零件的材料利用率反映出工艺水平和技术水平的高低，本文结合冲压现场实际应用，从工艺优化、材料尺寸优化、废料再利用、卷料重量提高等方面介绍了提高汽车冲压件材料利用率的方法，通过上述方法的实际应用，提高了工艺、技术水平，为后续项目的工艺设计提供了参考依据。
提高材料利用率的方法很多，更多的方法需要通过实践验证，例如冲压覆盖件下料时，将现有的直线刀或圆弧刀改为波浪刀，通过改变板坯的形状，缩短板坯长度，从而提高材料利用率，此方法需要核算模具的投资、维修成本与提高材料利用率后的收益关系。总之，提高材料利用率是为了降低整车的完全成本，在做提高材料利用率方案时需要结合车型产量，考虑投资成本与收益的关系。

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