汽車車身鋼板材料利用率的高低，是汽車制造成本的重要部分之一。材料利用率是材料數量與生產該產品的材料總消耗量的比值。它是反映材料有效利用程度的指標之一。利用率越高，說明材料利用得越好，反之，則越差。本文主要研究如何使材料利用率最大化，在產品設計和模具設計階段通過比較，找出差距和原因，并制定措施加以改進。

產品特性分析

如圖1所示，產品的材質為HC180Y無間隙原子高強度冷軋鋼，厚度為1.5mm，零件重量為6.14kg。根據產品的造型，周圈為產品形狀，中間為全空狀態，整個產品呈長“回”字狀。此種形狀的產品，在模具成形的原材料選用上，沒有合適的符形毛坯材料可直接使用，需要采用輔助加工得以實現，為確保材料利用率的最大化，通過對產品的CAE分析計算，模擬算出不同方案下模具成形需要的鋼板毛坯規格，并對幾種方案進行分析，擇優選擇最佳方案實施。

圖1 沖壓件產品與成形需要的毛坯

此種形狀的產品，在模具成形上需選用落料工藝料片實現，從而導致中間的浪費較多，材料利用率較低，經濟效益較低。

模具成形方案和材料利用率(成本)分析

模具成形工藝方案

結合產品形狀，為確保材料利用率的最大化，通過對產品成形的CAE分析計算，模擬算出不同方案下模具成形需要的鋼板毛坯規格，并對幾種方案進行分析，擇優選擇最佳方案實施。具體見表1。

表1 沖壓件成形的3種方案設計

⑴方案1，落料片+模具拉延。

如圖2所示，由CAE模擬分析得知，模具成形所需的鋼板是外部最大輪廓規格為1220mm×1800mm、內部輪廓規格為640mm×1100mm工藝板料。

圖2 方案1需求的毛坯規格及應用

結合上述鋼板的最大外部輪廓尺寸和已知的產品料厚，計算出此工藝料片消耗的原毛坯重量為25.86kg。根據產品零件重量6.14kg計算，此方案的材料利用率為23.74%。假設1.5mm料厚的HC180Y無間隙原子高強度冷軋鋼每千克為5元，單件消耗材料25.86×5=129.3元。

⑵方案2，落料片+模具拉延+廢料再利用。

如圖3所示，根據方案1的結論，并對規格為640mm×1100mm廢料進行計算，得出廢料重量為8.29kg。隨后在同一車型中尋找與其相同料厚、材質的零件進行分析，并加以應用。通過查找、篩選、CAE分析，確定零件A和零件B可用；零件A和零件B重量均為1.21kg,兩件合計2.42kg。根據CAE分析，零件A和零件B采用一模兩件模具工藝生產，需要的板料規格為1.5mm×970mm×450mm，重量為5.14kg，對比方案1中規格為640mm×1100mm的廢料尺寸，滿足廢料再利用需求。

圖3 方案2需求的毛坯規格及廢料再利用方案

采用此廢料再利用方案后，零件A和零件B原需采購的板料可以節省，無需再采購，而且是在同一車型中利用，簡單方便，最后計算得出材料利用率為33.10%((6.14+2.42)/25.86=33.10%)，比 方 案1材料利用率提升了9.36%。同樣假設1.5 mm料厚的HC180Y無間隙原子高強度冷軋鋼每千克為5元，單件消耗材料(25.86-2.42)×5=117.2元。

⑶方案3，激光拼焊工藝料片+模具拉延。

如圖4所示，由CAE模擬分析得知，模具成形所需的激光拼焊板外輪廓尺寸為1200mm×1755mm、內輪廓為660mm×1265mm。激光拼焊工藝料片由4塊長方形鋼板采用激光拼焊焊接組成，4塊長方形的鋼板采用橫豎切提前加工好，分別為2塊規格為1755mm×270mm和2塊660mm×245mm的長方形鋼板，然后進行焊接，合計重量14.97kg。此方案沒有廢料，材料利用率極高，但是增加了激光焊接的費用。

圖4 方案3需求的毛坯規格及應用

同樣假設1.5 mm料厚的HC180Y無間隙原子高強度冷軋鋼每千克為5元，單件消耗材料14.97×5=74.85元；激光拼焊價格假設每米按10元計算，由圖4得知4條拼焊縫長(245×4)=0.98m，價格為0.98×10=9.8元，結合原材料價格74.85元，兩項合計84.65元。

⑷材料利用率(成本)方案對比。

通過分析對比，上述三個方案中，方案1單件成本最高，方案2對比方案1節省12.1元，方案3對比方案2節省32.55元，方案3對比方案1節省44.65元，由此判定方案3(激光拼焊工藝料片+模具拉延)最優，單件消耗的材料成本最低，選為最終方案。如表2所示。

表2 沖壓件成形的3種方案對比

具體實施

⑴根據(方案3，激光拼焊工藝料片+模具拉延)最優方案對比結論，選用激光拼焊廠家實施。激光拼焊廠家首先采用橫豎切開卷加工好2塊規格分別為1755mm×270mm和2塊660mm×245mm的長方形鋼板，然后進行激光拼焊焊接，最終形成模具成形需要的激光拼焊板，其外輪廓尺寸為1200mm×1755mm、內輪廓為660mm×1265mm。

⑵按照單車年銷量10萬輛計算，采用方案3后，對比方案2每年可節省材料成本325.5萬元，對比方案1每年可節省材料成本446.5萬元。

結束語

本文以通過如何提升汽車后縱梁的材料利用率為主線來分析，通過SE分析模擬，各個方案的材料利用率計算、對比，系統地闡述了常用的方案，并對方案所達到的材料利用率進行實例介紹。此方案同時適用于整車開發中其他類似工藝的沖壓零件，從而提高整車制造的材料利用率，降低生產成本。