隨著汽車行業競爭不斷加劇，現階段主要通過技術創新的手段提高產品質量，同時以工藝優化的方式，實現降本增效。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計優化中材料利用率提升的方案，運用其工藝方法，有效的提升整車材料利用率，從而降低了產品開發成本，提高產品的市場競爭力。隨著汽車行業競爭日益加劇，影響汽車競爭力的因素更加廣泛。除了汽車品牌、產品質量、售后服務等因素外，成本和利潤也是影響汽車在行業競爭力的一個重要指標。在車身成本中，白車身成本占據重要的地位。沖壓作為汽車生產的重要環節，在工藝設計階段，通過工藝設計優化和新技術的應用，可以提高沖壓材料利用率，提升產品的質量，從而控制整車成本，提高產品收益。目前沖壓材料利用率提升技術的研究是眾多主機廠在產品開發中重要工作內容之一。材料利用率提升可通過多種工藝方法實現，如圖1 所示。本文通過分析產品工藝性，在產品設計階段及模具工藝設計階段，制定應用新工藝技術，提高材料利用率。
零件形狀和分塊
在進行材料利用率分析之前需要了解沖壓件的初期工藝規劃，分析各工序的工作內容，對模面和坯料形狀有基礎的構思。在產品數據階段可以從產品零件的分塊、產品局部特征的優化修改和廢料再利用等角度考慮，如圖2(a)中所示沖壓件，檢查產品結構分塊是否有利于廢料的減少和材料利用率的提升。圖2(a)中結構分塊不合理，因形狀的特殊性，會產生較多的廢料。圖2(b)中修改零件的分塊特征，將圖2(a)的一個零件分為兩個零件，分件后兩種零件的形狀都相對比較規則，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，是通過模具凸凹模型面來獲得的。在沖壓工藝選擇時，需要考慮成形性是否滿足零件的表面質量并滿足車身結構的性能要求。工藝設計時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行壓料，成形時需要的工藝補充面較小，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、成形相對簡單的零件模具工藝設計。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，形狀復雜的情況下，若選擇成形工藝，因缺少工藝補充面，材料流動難以滿足零件特征面的成形要求，會在部分區域起皺，開裂等工藝缺陷，影響零件外觀或強度。成形工藝的另外一個缺點是成形狀態不穩定，零件批量生產時狀態不易控制，如果對零件尺寸和表面質量要求很高，如外板件和重要的內板件，在工藝設計時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。在拉延生產過程中，因零件的深度較大或者結構較為復雜，需要給平板毛坯料定位，設置壓邊圈和拉延筋，設計合理的工藝補充面，控制材料流動速度，防止出現起皺、開裂等缺陷。
在工藝設計時，應根據產品形狀，合理選取成形方式和工藝補充面。由于工藝補充面在后序修邊時會被裁剪掉，成為工藝廢料，不能轉化為產品，因此在質量滿足要求的前提下，將工藝補充的尺寸盡量減小，從而節約材料，提高材料利用率，降低成本。工藝設計
工藝設計階段，以提升材料利用率為出發點，優化零件結構和模具結構，工藝設計原則一般分為以下幾個方面。
調試后板料邊界離拉延筋距離最小化
經調試合格后的模具，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。
拉延筋設置最小化設計
在拉延過程中，由于零件的形狀和特征不是完全對稱的，板料在成形時在各個方向受到的拉力不同，流動速度也有差異，因此會局部產生多料或少料的情況，導致起皺、變薄或開裂。因此模具設計時，通常會設置拉延筋，增加進料的阻力，改善零件的成形性能。通過拉延筋參數的適當配置，達到均衡邊料流動的效果，如圖5 中B 段所示，拉延筋的尺寸可以根據經驗進行設定，并通過CAE 分析確定對板料流動的改善效果。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。
壓料面最小化設計
壓料面如圖5 中C 段所示，在零件的拉延中起著至關重要的作用，在凸模開始對板料進行拉延之前，壓邊圈將板料壓緊在凹模的壓料面上。拉延過程中，在凸模和壓料面上作用力的共同作用下，使板料產生塑性變形，完成零件的成形。壓料面屬于工藝補充面的一部分，因此在設計時，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。
拉延深度最小化
拉延深度與零件的形狀有關，在拉延深度較大的情況下，零件成形相對困難，對拉延筋設置、工藝補充設置的要求更高，材料利用率降低。因此可以通過零件結構優化或調整沖壓方向，設置合理的拉延深度，如圖5 中D 段所示。
工藝補充面最小化
工藝補充面是為保證得到合格的零件，在沖壓零件的基礎上增加的部分材料，如圖5 中E 段所示，它不是零件自身結構的一部分，因此需要在后續的工序中進行切除。因此作為輔助成形的結構，工藝補充面的尺寸越小，越有利于材料利用率的優化。模具設計時應綜合考慮零件的成形要求和材料利用率的提升，選擇合適的工藝補充面尺寸。
落料排樣
汽車沖壓件生產中最常用的材料是普通冷軋板。沖壓板材的供應方式一般為卷料或者是一定規格的板料。在實際沖壓生產之前，需要根據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格和形狀的坯料。合理的排樣設計，可以大大提高材料利用率，降低生產成本。在不規則零件的模具設計中，一般需要進行排樣設計(圖6)；在大型外板覆蓋件的生產中，通常會用到開卷落料線。
以汽車上安裝的某支架加強板零件設計為例，因零件形狀具有一定弧度，如果采用條形板料，對材料的浪費較多，可在設計階段，開發一副落料模具，對原始的板料進行裁剪，形成連續的弧形板料。落料模具的結構圖和刀塊排布平面圖如圖7、圖8 所示，通過模具刀塊的作用，形成所需的板料形狀。開卷落料線是一種適用于汽車行業表面覆蓋件卷板的開卷、清洗涂油、校平、落料和碼垛的板材加工設備，在汽車行業的沖壓生產中已普遍采用。通過開卷落料線的應用，提高生產效率和材料利用率，同時也提高產品質量。(1)提高外板零件的質量，減少在落料過程中的零件劃傷、避免影響外板的生產品質。減少后期的調試難度。
(2)由于開卷落料的機械化生產，可以大大降低工人勞動強度，提高落料的生產效率。汽車大的覆蓋件如側圍外板，需要采取落料的工序，在未應用開卷落料線之前，通常采取人工落料的方式，送件取件都需要工人操作，勞動強度非常大且生產效率低下，開卷、落料一體化的開卷落料線的應用，大幅度地提高了生產效率與產品質量。(3)減少操作者在送料和取料過程中的工傷事故，大大改善了生產環境。
合模設計
合模設計的方式有一模多件、左右件合模(圖9)的方式，目的是通過多個零件共用模具，減少工藝補充面，提高材料利用率。此外，零件合模后，從整體上計算，可以降低模具的重量，減少生產沖次，從而降低工裝開發費用和生產成本。
合模工藝除了應用于內板零件的模具設計外，也可應用于外板模具開發中，如左右車門外板模具。在整車開發中，零件的數量和種類眾多，在滿足生產條件的情況下，盡可能選擇合模工藝。廢料利用
在整車開發中，識別存在較大區域廢料的零件，在開卷落料或沖壓工藝設計時，考慮廢料的二次利用。如汽車側圍零件和帶天窗的頂蓋，存在較為規則和相對完整的廢料，可以對廢料進行回收，用于其他零件的生產(圖10)；或者采用套件生產工藝，即在拉延模具設計時，在廢料部位設計小型的零件進行套件生產，在分切時進行零件分切，同時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強度，厚度等性能要求不同，在一些零件生產中可以采用激光拼焊板。激光拼焊板可以同時滿足零件對耐腐蝕性能的要求及不同部位強度等級的要求，此外激光拼焊板在沖壓生產時可以一次沖壓成形，達到減少焊接及零件減重的目的。激光拼焊板在車門內板的生產中應用較為廣泛。
輥壓成形
輥壓成形是通過輥壓設備，利用材料的塑性將材料加工成特定形狀的零件的工藝。和傳統的成形工藝和切削工藝相比，輥壓具有生產效率高、節約材料等優點，并且生產出的零件強度較高、質量穩定。在產品生產批量較大時，可以采用此種生產工藝。
結論
(1)在產品設計階段，通過零件形狀的優化，盡量減少不規則的形狀，規避不合理的產品結構，改善零件分塊布局。通過產品結構優化，可以降低工裝開發的難度，提高材料利用率。(2)模具工藝設計階段，在滿足零件成形要求的前提下，盡量選擇適當的成形方式、設置合理的工藝補充面、采用合模工藝、充分利用大型零件的邊角料和輪廓內部余料，全面提高整車材料利用率。(3)制定新工藝技術應用的投入產出平衡點，充分利用新的生產工藝和技術。
