材料技术在商用车冲压成本控制中的应用

2020-02-26 14:18:11 来源：汽车工艺与材料

导读： 商用车冲压成本控制可从设计、工艺方面入手，如设计的造型优化、零件合理布置等；工艺的浅拉延、套裁冲压、辊压应用等。实际上，材料成本在冲压成本中占比较大，约 60% 左右。通过材料技术手段进行冲压成本控制，具有很大空间。本文从材料技术方面介绍商用车冲压成本控制方案，包括材料种类优化、“热代冷”技术应用、锌层优化、材料供货尺寸控制等。

文：徐明琦王彦闫丽红谢文才（一汽解放汽车有限公司，长春 130011；一汽轿车股份有限公司）

1 前言

2017年中国商用车，产销量分别为368.27万辆和363.34万辆，同比均增长16.9% [1]。销量增长的同时，主机厂越来越重视制造成本控制。冲压作为四大工艺之一，也成为主机厂关注的重点。冲压成本主要包括：材料费、加工费、设备工装摊销费、人工费、运输费等，其中材料费占冲压成本的60%以上。在钢材市场回暖、材料价格上涨的今天，冲压材料降成本带来的利润提升是很可观的。

商用车冲压材料集中于驾驶室和车架部分（动力总成部分独立计算）。其中：驾驶室部分约占总质量的20-30%，其余为车架部分。

由于驾驶室与车架功能性的差异，产品设计要求并不一致，冲压所用材料也不相同。驾驶室冲压主要采用镀锌钢板、冷轧钢板，抗拉强度基本处于 590 MPa 及以下；车架则主要采用热轧钢板、酸洗钢板，屈服强度等级通常大于370 MPa。商用车冲压用主要材料种类及牌号情况如表1所示。

目前，商用车冲压成本控制主要从设计、工艺方面入手。实际上，通过材料技术手段进行冲压成本控制，也具有很大空间。

2 材料技术

材料技术在商用车冲压成本控制的总体原则是：综合利用材料性能、成本优势，为整车不同位置的零部件选择材料，在满足产品设计需求的同时，实现零件材料成本控制。

2.1 材料种类优化

2.1.1 材料优选次序

冲压零件的材料应尽量选择有成本优势的钢材种类。按生产方式分类，优选顺序应依次为热轧钢板、热轧酸洗钢板、冷轧钢板、镀锌钢板；普通冷轧钢板生产的冲压件，可采用低延伸率钢种等强替代，按钢材牌号分类，优选顺序应依次为 DC01、DC03、DC04、DC05、DC06；高强度钢板优选顺序应依次为高强度低合金钢、双相钢、Trip钢、第三代高强钢。

2.1.2 材料合并统一

单一车型中，材料牌号、规格组合建议控制在 50 种以下，并且越少越好，以降低库存，避免造成成本积压。对于工艺消耗定额≤1 kg的零件，不建议新增材料牌号、规格，而应联合设计师进行材料合并统一。如现生产较少采用且易锈蚀的

SAPH440热轧酸洗板可用车架常见的370 L替代。

同时，材料的选择应尽量为钢材供应商的成熟种类、牌号、规格。如钢铁厂较少生产的 500 L/ 7.5 mm 热轧板可用 500 L/8 mm 热轧板替代等。

这样可缩短钢材供应商供货周期，降低采购价格。

同时，在产品设计、工艺优化阶段，应尽量结合生产现状，采用与现生产相同的钢材种类,便于后期管理，且避免少量采购造成价格过高、余料浪费或成本积压。

近年来被广泛提及的同步工程，力求设计与工艺的同步化开发，减少后期设计变更、工艺问题。而为达到更好的成本控制，同步工程应向后延伸，实现设计、工艺、生产的三者同步，专业衔接、资源互补。

2.1.3 高强钢代低强度级别钢

商用车对整车载重性能要求较高，这就对车架提出更高的强度及疲劳要求。大梁用钢屈服强度高，且具有一定的冷弯性能，在车架纵梁件或横梁件中应用广泛。在 20 世纪，车架设计还普遍采用屈服强度较低的 16Mn 钢。21 世纪开始采用屈服强度500 MPa/8 mm厚度的大梁钢，与16Mn钢相比，屈服强度提高 40%以上，疲劳强度也有较大提升。日本在车架生产方面，已普遍采用780 MPa级别钢板。国内的宝钢、鞍钢通过近几年的开发，也已具备700 MPa级别大梁钢生产能力[2]。东风商用车、集瑞联合重卡等已将 600-700 MPa、单层梁应用于整车生产，如图1所示。从材料消耗定额的角度考虑，通过高强钢代低强度级别钢，实现冲压材料成本降低。

2.2 “热代冷”技术应用

受益于日本钢铁行业的先进技术，日本商用车企业常用热轧钢替代冷轧钢，降低冲压材料成本。日本新日铁可生产 1 mm 以下的热轧钢板，表面质量与冷轧钢板一致，优级可替代商用车驾驶室外覆盖件使用。

国内自上世纪90年代开始研究薄板连铸连轧技术，即通过将连铸、加热、轧制有序结合，以期实现短流程生产薄钢板。武钢毛新平院士自2004年开始，研究超薄规格热轧带钢；日照钢铁通过带钢无头连铸连轧技术（ESP），可批量生产0.8 mm超薄热轧钢卷；河北钢铁开发出 1780 生产线，所生产 SPHD 屈服强度高于冷轧钢板、成型性能略差于 SPCD[3]。国内薄板坯生产及供货能力见表 3，可部分替代冷轧钢板进行冲压材料成本控制。

“热代冷”技术也对模具的供应商、模具的后期调试及批量生产中的质量，带来较大挑战。

2017年，国内某汽车联盟机构组织其专家委员，对 “热代冷”技术可行性、瓶颈及未来发展趋势进行了研讨。

2.3 锌层优化

在满足产品性能及防腐要求的情况下，可对镀锌钢板进行优化。如采用相对价格较低的普通镀锌钢板替代合金化镀锌钢板；采用热镀锌钢板替代电镀锌钢板；采用 Z 60 锌层的钢板替代 Z 80 锌层钢板。对于等厚锌层的不同锌层重量价格差异情况见表4。

2.4 材料供货尺寸控制

2.4.1 卷重选择

对于生产批量较大且工艺消耗定额较高的零件，建议提高钢材卷重，可提高开卷下料加工的工作效率，减少损耗的单个毛坯公摊，进而降低工艺消耗定额。

2.4.2 厚度选择

设计师应充分考虑钢材供应商对不同钢种的厚度可供范围。可供材料范围可参考供应商产品手册及供应商设备、供货情况。

2.4.3 卷宽选择

在工艺设计前期，应考虑采购的原材料卷宽价格优势，尽量采用钢铁厂批量生产的钢板宽度。目前钢铁厂生产的汽车用钢宽度集中处于1 200-1 500 mm 之间，因此，在钢卷选择时，应优选该范围内的宽度。

在选择车架部分纵梁、横梁生产的钢卷时，应对倍尺关系进行计算；倍尺越多，则钢卷头尾损耗的越大；倍尺越少，则生产效率越低。

此外，热轧钢卷切边量也应进行一定控制，在保证圆角全部切除及钢板边缘质量的前提下，控制在1-1.5倍板厚即可。

2.5 尺寸允许偏差控制

2.5.1 厚度允许偏差

在钢材采购时，可要求钢材供应商对厚度允许偏差向负控制，而接近有一定减薄的目标值。这样，每个钢卷的切板数量增加。日本部分商用车企采取厚度允许偏差向负差控制的方式，进一步降低板材厚度，提高每个钢卷出板数量。

某主机厂将钢材厚度偏差要求明确写入企业标准：针对厚度大于0.5 mm、抗拉强度小于590 MPa 的冷轧钢材，目标厚度应

是标准厚度的0.97倍，而允许偏差应以目标厚度为中值。表5为某主机厂厚度允许偏差执行标准。

2.5.2 宽度允许偏差

钢材采购及工艺计算材料消耗定额时，钢板宽度允许偏差应以国标或以下为准。切边冷轧钢板及不切边热轧钢板的宽度允许偏差建议如表6、表7所示。

2.5.3 长度允许偏差

针对长度允许偏差，应在供应商供货技术协议中进行规定。尽量控制在供应商成材率最高，且长度允许偏差最佳的合理范围内。以公称长度在2 000-4 000 mm的热轧单轧钢板为例，通常情况下，最优长度允许偏差在 20 mm 左右，使公差最小，且成本最优。

2.6 材料多样化

在欧洲，曼恩、斯堪尼亚、沃尔沃公司等，通过先进的设计理念及制造工艺，实现多元化材料生产。如图 2 所示，曼恩保险杠、顶盖等部分外覆盖件利用 SMC 代替钢材实现减重降成本；沃尔沃车架以型材替代板材冲压提高强度降成本等。既达到降成本的目标，又实现整车轻量化。

3 材料定额

汽车材料通过材料定额体现在整车生产制造过程中。建立科学合理的材料定额管理运行机制，有助于成本控制。

材料定额管理属材料技术范畴，通常涉及设计部门、制造部门、生产部门、采购部门及财务部门等。合理的定额流转方式通常如下：设计部门发布材料清单；制造部门制定材料定额，并发布至生产部门、财务部门、采购部门；生产部门利用材料定额组织生产；财务部门利用材料定额进行成本核算；采购部门结合材料定额及生产计划，订购原材料。具体流程见图3。