孫宗弟 徐凱 李千千

（上汽通用五菱汽車股份有限公司 青島分公司，山東 青島 266555）

【摘 要】成本意識(shí)是工程技術(shù)人員應(yīng)具備的基本意識(shí)，合理的成本控制可以幫助企業(yè)提升競(jìng)爭(zhēng)力。沖壓工程作為汽車制造四大工藝之一，對(duì)整車制造成本有著重要的影響。文章基于上汽通用五菱汽車股份有限公司青島分公司某新型微客汽車沖壓項(xiàng)目的開發(fā)過程，從各階段的工藝性優(yōu)化研究、材料利用率提升和制造策略優(yōu)化等方面，對(duì)沖壓工程的產(chǎn)品開發(fā)降成本實(shí)例工作進(jìn)行了經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，幫助企業(yè)節(jié)約生產(chǎn)和采購(gòu)成本。

【關(guān)鍵詞】降成本；材料利用率；落料排樣；工藝優(yōu)化

【中圖分類號(hào)】U466 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2016）04-0055-04

0 前言

中國(guó)步入“十三五”規(guī)劃階段，經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)入新常態(tài)，制造行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)加劇。對(duì)汽車行業(yè)而言，成本控制壓力越來越大，在沒有革命性創(chuàng)新導(dǎo)入的前提下，保證產(chǎn)品的“低成本、高價(jià)值”是企業(yè)成功的根本，尤其在微客制造領(lǐng)域，較低的利潤(rùn)率對(duì)成本控制要求更高，如何合理地降低成本對(duì)每一位工程師都是一個(gè)挑戰(zhàn)。為了更加有效地降低整車制造成本，通常從人力、設(shè)備、工具、物料、設(shè)計(jì)工藝工法及工作周圍的條件等方面去研究對(duì)策。

1 汽車沖壓制造工程成本分析

汽車的生產(chǎn)成本包含人力成本、設(shè)備和產(chǎn)權(quán)均攤成本、零部件成本、技術(shù)研發(fā)成本4個(gè)方面的內(nèi)容。企業(yè)為了增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力，短期內(nèi)最直接有效的降成本方式則為降低汽車新產(chǎn)品的零部件的采購(gòu)和制造成本。

汽車零部件包含車身、底盤、發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、電子電器系統(tǒng)等大型零部件，也包含一些提升舒適度的汽車用品和通用件。通常，一臺(tái)白車身的鈑金重量在350～450 kg，如果按照50%的材料利用率計(jì)算，需要耗費(fèi)700～900 kg材料。對(duì)于微客而言，車身鈑金的零件材料利用率每提高1%，單車成本降低50～70元[1]。

從沖壓制造工程研究，白車身70%以上的鈑金件是通過沖壓工藝制造出來的，這70%的鈑金沖壓件主要為車架及車身覆蓋件，占據(jù)了白車身的主體重量，因此提升沖壓件的材料利用率是比較直接且有效的降成本方式。

2 提升材料利用率的方式

提升沖壓件材料利用率主要通過沖壓工藝的合理制定來實(shí)現(xiàn)。對(duì)于簡(jiǎn)單的小型沖壓件，因?yàn)楣に噧?nèi)容簡(jiǎn)單，少?gòu)U料甚至無廢料，所以利用合理的排樣即可實(shí)現(xiàn)提升材料利用率；對(duì)于大型沖壓件，如汽車車身覆蓋件、車架大梁、輪罩等，因工藝復(fù)雜，所以提升材料利用率的方式就需要從前期數(shù)據(jù)評(píng)審、拉延工藝、落料排樣、模具設(shè)計(jì)甚至工藝的生產(chǎn)一致性保障等進(jìn)行多方面的考量。

3 產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段的工藝性和經(jīng)濟(jì)性分析

系統(tǒng)同步工程（SE）已經(jīng)被廣泛運(yùn)用于新產(chǎn)品的開發(fā)過程，在新產(chǎn)品項(xiàng)目開發(fā)過程中，通過整合各部門的資源，開發(fā)初期，部門間要研討并制定出將會(huì)發(fā)生的所有風(fēng)險(xiǎn)問題的解決方案，以便完成質(zhì)量目標(biāo)。在項(xiàng)目前期對(duì)各部門提出的設(shè)計(jì)需求進(jìn)行充分的研討，形成一個(gè)相對(duì)理想的方案，使后期設(shè)計(jì)變更次數(shù)得以大大的降低，同時(shí)縮短了產(chǎn)品項(xiàng)目的開發(fā)周期，降低了量產(chǎn)時(shí)的問題數(shù)量，更降低了不可修復(fù)問題發(fā)生的概率，使產(chǎn)品質(zhì)量得到了大大的提升。

SE工作對(duì)降成本工作的推動(dòng)作用也比較顯著，主要通過縮短開發(fā)周期、減少變更次數(shù)和提升有效性3個(gè)方面影響整車開發(fā)過程的成本變化。

（1）縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。減少試制時(shí)間和初期計(jì)劃波動(dòng)管理時(shí)間，使產(chǎn)品可以快速進(jìn)入量產(chǎn)，盡早上市獲得收益。經(jīng)過統(tǒng)計(jì)，使用了SE活動(dòng)的產(chǎn)品開發(fā)周期由原來的36～48個(gè)月，提升到了現(xiàn)在的12～24個(gè)月[2]。

（2）減少設(shè)計(jì)變更次數(shù)?？s短了工時(shí)，減少項(xiàng)目各階段對(duì)樣車需求的數(shù)量，使試制設(shè)備可以快速投入下一個(gè)新項(xiàng)目的資源準(zhǔn)備中。據(jù)研究統(tǒng)計(jì)，經(jīng)過SE工作可使產(chǎn)能提升約50%，交替時(shí)間減少約75%，項(xiàng)目中斷時(shí)間降低約70%[3]。

（3）對(duì)項(xiàng)目有效的性提升有明顯的幫助。可以減少反復(fù)操作，實(shí)現(xiàn)信息的實(shí)時(shí)共享，避免了產(chǎn)品設(shè)計(jì)師和制造工程師之間的產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)性的矛盾，減少設(shè)計(jì)變更費(fèi)用，制造工程師也可將制造需求在前期就輸入產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，例如增加材料利用率評(píng)審，與產(chǎn)品工程師共同實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品制造的經(jīng)濟(jì)性。

以某微客側(cè)圍外板產(chǎn)品的開發(fā)為例，在產(chǎn)品初版數(shù)據(jù)中，產(chǎn)品工程師對(duì)側(cè)圍與頂蓋后橫梁的搭接部位的設(shè)計(jì)如圖1（a）所示，產(chǎn)品特征沒有成型性和功能上的問題，但是材料利用率方面表現(xiàn)不佳，經(jīng)過SE工作，沖壓制造工程師對(duì)側(cè)圍外板的局部特征提出了優(yōu)化方案，材料利用率明顯優(yōu)于以前，起到降成本的效果。

4 優(yōu)化落料工藝

沖壓件產(chǎn)品形狀各異，為了更好地實(shí)現(xiàn)沖壓工藝，拉延坯料的排樣方式、送料方向等都會(huì)經(jīng)過設(shè)計(jì)模擬以求減少工藝廢料比例。傳統(tǒng)工藝使用開卷后落料的方式得出需求的料片形狀，為了提升材料利用率和降低成本，近年來擺剪、連續(xù)落料等工藝的使用已在行業(yè)內(nèi)推廣。

為了在不影響質(zhì)量的前提下，最大化地優(yōu)化拉延坯料的形狀，追求材料高利用率，需要從沖壓工程的角度系統(tǒng)地考慮落料排樣、坯料邊角尺寸及沖壓成型性分析之間的最優(yōu)平衡點(diǎn)。

表1為微客開發(fā)項(xiàng)目中后側(cè)圍外板模具開發(fā)2種拉延坯料工藝排樣對(duì)比，老車型項(xiàng)目側(cè)圍外板采用單體落料的工藝，為提升材料利用率，新項(xiàng)目中采用了連續(xù)落料排樣的工藝。對(duì)2種連續(xù)落料排樣做了詳細(xì)的對(duì)比，明顯經(jīng)過簡(jiǎn)單的排樣后，材料利用率由53.45%提升到了56.33%。

繼續(xù)對(duì)此側(cè)圍的拉延坯料尺寸的邊角進(jìn)行仔細(xì)分析發(fā)現(xiàn)，連續(xù)落料最小步長(zhǎng)為1 580 mm，非最優(yōu)步長(zhǎng)，落料坯料主體步長(zhǎng)尺寸為1 560 mm，A、B 2處的邊角處板料工藝尺寸的優(yōu)化可行性分析成為縮短步長(zhǎng)的關(guān)鍵。

通過對(duì)后側(cè)圍外板拉延工藝進(jìn)行分析，前部門檻位置有起皺風(fēng)險(xiǎn)，縮小料邊尺寸后起皺有滑移到零件表面上的高風(fēng)險(xiǎn)，因此A方案不適用。后部尾燈和D柱搭接邊區(qū)域主要為工藝補(bǔ)充面和筋條，存在優(yōu)化的可行性。

按方案B，對(duì)后側(cè)圍外板尾部料邊進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化邊角尺寸后的排樣如圖2所示。

對(duì)優(yōu)化邊角后的零件重新進(jìn)行CAE分析，進(jìn)行坯料減薄率驗(yàn)證、主副應(yīng)變驗(yàn)證，結(jié)果顯示，除優(yōu)化邊角位置的工藝補(bǔ)充“余肉”存在開裂風(fēng)險(xiǎn)外，其余部位性能與優(yōu)化前一致。對(duì)于尾部工藝補(bǔ)充“余肉”開裂問題，分析原工藝補(bǔ)充面（如圖3所示），嘗試將標(biāo)識(shí)區(qū)域的工藝補(bǔ)充“余肉”高度降低1.55 mm，然后重新進(jìn)行CAE分析，分析結(jié)果顯示開裂風(fēng)險(xiǎn)消除。在完成步長(zhǎng)工藝尺寸優(yōu)化后，材料利用率由56.33%提升到了57.05%，且因后側(cè)圍外板為左右對(duì)稱工藝零件，所以此優(yōu)化同時(shí)提升了2個(gè)零件的材料利用率。

5 選擇合適的工藝設(shè)計(jì)方案

在進(jìn)行沖壓工藝設(shè)計(jì)時(shí)，控制材料流動(dòng)是保證制件成型性質(zhì)量的關(guān)鍵，而控制材料流動(dòng)的均勻性是保證尺寸精度（回彈）的關(guān)鍵。成型時(shí)，依靠對(duì)零件工藝的筋條和工藝補(bǔ)充余肉的合理設(shè)計(jì)可以得到理想的效果。對(duì)“余肉”的高度的設(shè)計(jì)要求主要取決以下幾個(gè)因素：拉延過程產(chǎn)生波紋的時(shí)間；用戶所能接受表面質(zhì)量的狀態(tài)；材料利用率的要求。

總結(jié)來說，存在這樣一個(gè)矛盾關(guān)系，即要求表面質(zhì)量高的則材料利用率就會(huì)降低，要求材料利用率高的則提升表面質(zhì)量方面就會(huì)有所降低。例如，對(duì)頂蓋兩側(cè)工藝補(bǔ)充面的設(shè)計(jì)，常規(guī)就有“日系”和“德系”2種不同的設(shè)計(jì)理念，（如圖4所示）?！叭障怠弊⒅夭牧侠寐?，采用了“無余肉”的設(shè)計(jì)方案，而“德系”則專注于制件質(zhì)量，采用“余肉設(shè)計(jì)”。

為了保持產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力，沖壓制造工程應(yīng)守住“質(zhì)量和成本”2個(gè)底線，學(xué)習(xí)上述2種方案的精華意圖，在進(jìn)行“局部”工藝設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)CAE分析結(jié)果，按需選擇合適的設(shè)計(jì)方案，在質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，努力找到一個(gè)質(zhì)量和成本的平衡點(diǎn)。

6 選擇合適的生產(chǎn)策略

車身產(chǎn)品零件具有高度的對(duì)稱性，一般左、右件在工藝主體上是進(jìn)行對(duì)稱設(shè)計(jì)的，因此只需進(jìn)行一些細(xì)節(jié)差異化的處理。模具主體尺寸和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也具備高度的對(duì)稱性，因此可以利用這種特征，考慮左、右件合模生產(chǎn)。對(duì)大多數(shù)零件的沖壓制造，這種方式可以降低模具成本，減少?zèng)_壓生產(chǎn)的模具線數(shù)量。此外，對(duì)一些工藝特征簡(jiǎn)單的零件，如車門外板、輪罩、座椅框側(cè)板等，可以實(shí)現(xiàn)2個(gè)零件一片料的制造工藝，這樣可以大大提升材料的利用率。

例如，本項(xiàng)目沖壓件產(chǎn)品開發(fā)過程中，根據(jù)“左右前門外板”“左右側(cè)門外板”等零件周圈只需“拉延、切邊、翻邊”的簡(jiǎn)單工藝，進(jìn)行“一模兩件同腔”生產(chǎn)模式，提升了單片生產(chǎn)的材料利用率，同時(shí)減少模具線數(shù)量。

而對(duì)一些內(nèi)板零件，周圈需要“拉延、切邊、整形、正側(cè)沖孔”的工藝，不利于實(shí)現(xiàn)“一模兩件同腔”的工藝，但是也可以充分利用其側(cè)沖孔斜鍥體積小、占用空間有限等產(chǎn)品模具結(jié)構(gòu)特征和工藝的對(duì)稱性的特征，進(jìn)行“一模兩件雙腔”的生產(chǎn)模式，減少模具線數(shù)量，提升沖壓生產(chǎn)效率。

7 回收有價(jià)值的廢料

沖壓廢料是一種可回用資源，對(duì)其進(jìn)行合理的分類能體現(xiàn)其回用的最大價(jià)值。常規(guī)沖壓廢料根據(jù)特征，分為沖壓碎料、沖壓輕碎料、沖壓異形料、沖壓平整料、窗框料、落料廢料，其回用價(jià)值與回用廢料的尺寸、厚度、變形量都有著較大的關(guān)系。其中，窗框料因其大尺寸、較平整、減薄率低等特性具有較高的直接回用價(jià)值和回用空間，提升窗框料的回用尺寸和質(zhì)量是此種降低成本方式的關(guān)鍵。

受模具尺寸和切邊廢料易排出的要求影響，常規(guī)窗框料都會(huì)進(jìn)行分切，分切后的窗框料作為混合廢料進(jìn)行處理，再利用價(jià)值較低。如果設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)收集整塊窗框廢料，則它的再利用價(jià)值就很大。

如在此微客項(xiàng)目開發(fā)中，為了實(shí)現(xiàn)整收窗框料的目標(biāo)，對(duì)沖壓工藝和模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行了特殊的設(shè)計(jì)，即為了保證廢料的最大化殘值，窗框廢料不再進(jìn)行分切。如圖5所示，為了實(shí)現(xiàn)窗框料的整塊自動(dòng)化回收，考慮模具強(qiáng)度和回收便利性，需要改變廢料的滑出方向，即由原前后側(cè)滑出更改為從模具側(cè)面通過傳送結(jié)構(gòu)撤出，需要同時(shí)對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行改造。此種廢料回收方案可以同時(shí)實(shí)施在所有門外板和側(cè)圍外板的零件生產(chǎn)工藝過程，最大限度地提升整車廢料殘值。

8 提高工藝穩(wěn)定性，降低報(bào)廢率

制造質(zhì)量的一致性的保障是降低廢品率和制造成本的重要途徑。常見的沖壓缺陷主要有開裂、起皺、尺寸差異、毛刺、變形、拉伸不足、面品不良、劃傷等，這些缺陷是造成廢料率高的直接因素。如果報(bào)廢率過高，則會(huì)導(dǎo)致實(shí)際材料利用率與理論材料利用率相比有較大差距，造成成本浪費(fèi)。

為了保障制造的一致性，在沖壓項(xiàng)目開發(fā)過程中，需要針對(duì)沖壓工藝參數(shù)、模具工藝性、鋼板質(zhì)量、設(shè)備性能和環(huán)境因素等關(guān)鍵工藝影響因素進(jìn)行控制。產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，進(jìn)行充分的CAE分析，保證各項(xiàng)成型性能的安全余量，模具設(shè)計(jì)保證零件的定位準(zhǔn)確性，試模階段進(jìn)行板料屈服強(qiáng)度、斷面延展率等關(guān)鍵參數(shù)的驗(yàn)證，正式量產(chǎn)工藝參數(shù)設(shè)定則應(yīng)按±10%波動(dòng)安全區(qū)間標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)定。

9 結(jié)語

綜上所述，在沖壓項(xiàng)目開發(fā)過程中，工程技術(shù)人員應(yīng)對(duì)過程工藝性進(jìn)行詳盡的分析，挖掘可降成本的空間，形成經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，并在新的項(xiàng)目中進(jìn)行完善，使降成本工作在項(xiàng)目開發(fā)過程中成為一門系統(tǒng)的工作，為企業(yè)提升競(jìng)爭(zhēng)力作出貢獻(xiàn)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]徐凱，孫宗弟.某微車翼子板實(shí)現(xiàn)梯形料生產(chǎn)研究[J].企業(yè)科技與發(fā)展，2013（14）：38-40.

[2]wall street journal & U. of Michigan.ManagementBriefing Seminar[Z].2012.

[3]McKinsey Survey.Insight Manufacturing[Z].2014.

[責(zé)任編輯：陳澤琦]

【作者簡(jiǎn)介】孫宗弟，男，山東青島人，碩士，上汽通用五菱汽車股份有限公司青島分公司制造工程經(jīng)理，從事整車工藝開發(fā)、技術(shù)質(zhì)量提升工作；徐凱，男，江蘇邳州人，本科，上汽通用五菱汽車股份有限公司青島分公司工程師，從事整車沖壓工程研發(fā)和技術(shù)質(zhì)量提升；李千千，女，山東沂水人，本科，上汽通用五菱汽車股份有限公司青島分公司助理工程師，從事整車新產(chǎn)品開發(fā)項(xiàng)目管理工作。