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摘 要：以侧围外板门洞废料回收再利用为载体，详细阐述了废料同步设计方案、废料依靠自身重力排出收集、堆垛、低成本柔性化自动剪裁的废料再利用方案。采用該方案不影响受益零件原材料保障，有利于提升利用废料再生产可实施性。同时通过低成本自动化废料剪裁，降低了废料加工成本，提升了废料利用的经济效益。通用化线侧回收及分剪工作站的应用，克服了多品种小批量车型再利用问题，提升了废料再利用的应用车型范围，取得了明显的经济及环境效益。
关键词：侧围外板 材料利用率 废料再利用 收集工装 柔性化剪裁
Research on Flexible Reutilization of Waste Materials in Side Enclosures and Outer Door Openings
Jiang Wenhai，Liao Yong，Tan Tianpang
Abstract：Taking the recycling and reuse of waste materials in the side wall outer door openings as the carrier， the waste materials synchronization design plan， waste materials relying on its own gravity discharge and collection， stacking， and low-cost flexible automatic cutting waste recycling plan are described in detail. The adoption of this scheme does not affect the guarantee of the raw materials of the benefited parts， and is beneficial to improve the feasibility of using waste materials to reproduce. At the same time， through low-cost automated waste cutting， the cost of waste processing is reduced， and the economic benefits of waste utilization are improved. The application of the universal line-side recycling and separation and shearing workstation overcomes the problem of multiple types of small-batch vehicle reuse， increases the scope of application vehicle types for waste reuse， and achieves obvious economic and environmental benefits.
Key words：side wall outer panel， material utilization rate， waste material reuse， collection tooling， flexible tailoring
1 引言
为了提高汽车覆盖件的材料利用率，降低材料成本，国内专家对冲压废料的回收利用进行了大量的分析与研究。韦荣发[1]等人研究了废料回收再利用及镶套工艺降低生产成本的方法。梁延焱[2]在冲压工艺的废料处理、模具设计时确保废料顺畅落料等方面详细阐述了冲压生产过程中废料的处理方法。周铁军[3]等人以某侧围外板为研究对象，对侧围外板的废料进行了合理分析设计，实现了9个制件共模开发方案。上述研究均取得了显著成果，但并未涉及开卷落料线废料在线收集、堆垛工装、废料分剪方法的研究。本文以侧围外板门洞废料为例，研究了开卷落料线废料线侧收集、堆垛与低成本柔性化剪裁废料回收再利用方案，并进行实际工程验证，以期为冲压废料的回收与再利用提供参考。
2 侧围外板废料利用同步设计
为满足侧围外板成型性能，落料冲裁的门洞废料外轮廓仿形车门框，因此废料轮廓为不规则形状。在白车身同步设计阶段，应用板料成形CAE模拟手段获取侧围废料初始尺寸，然后筛选可利用废料生产的小零件制定受益零件清单，再借助CAE模拟软件进行小零件的成形模拟及废料尺寸调整模拟[4]。受益零件清单选取的一般原则包括（1）受益零件的下料尺寸一般要小于废料;（2）受益零件的材料牌号及厚度与侧围一致（3）冲压分析时确保受益零件的成型性（4）设计模具时考虑模面尺寸及定位的兼容性。根据以上原则，某车型制定的废料再利用如表1。
3 废料收集方案分析
侧围外板一般采用开卷落料线进行生产，冲压废料在重力作用下落入废料通道后由输送带运到物流卡车，需要把废料直接滑出床台收集再利用[5]。回收装置可以分为重力自由滑落、动力驱动型，其中动力驱动型可选择传送带传输装置和水平搬送机器人两种形式，三种形式方案各有优缺点和适用范围。考虑设备用于回收废料的附加值较低，平衡需求和现实成本，一般在侧围落料模具上增加废料回收滑轨装置，并在滑轨下方放置废料回收箱[6]。废料通过重力作用滑落到落料回收箱时，存在料片堆置不整齐的问题[7]，而开卷落料线运行速度非常高，侧围外板开卷落料时可达25冲次/分，废料排出不畅会影响开卷落料线运行效率，导致侧围落料成本及故障率提升。
4 改进型废料收集工装
如图1针对常规线侧简易重力滑落工装回收方案存在的不足，提出了改进型在线废料收集堆垛工装。回收装置位于落料线侧面，滑道可以推出至模具废料槽下方，在落料模具运行时，废料会经由模具废料槽滑出至回收装置滑道之上。依靠废料排出时的初速度及自重，沿着带一定倾角的滑道进入堆垛箱体。该方案无需打开开卷落料线安全门，仅需要开启安全门中间通道，可以保障员工操作安全性。堆垛箱使用废料储存的工位器具增加了限位装置、滚轮机构改造而成，废料滑入工位器具后可实现整齐堆放。通过滚轮承托机构可实现人力推动快速切换空箱，并整体通过牵引车、行吊放入仓库立体式存储。 5 废料剪裁方案分析
根据图2废料不剪裁及剪裁后冲压CAE分析結果。废料直接用作利废零件的毛坯、无需二次剪裁的方案[8]，由于未裁切的废料局部尺寸大幅超出零件分模线，导致零件局部侧壁拉延开裂。废料尺寸与受益零件匹配性会限制受益零件选择范围，模具设计难以兼顾废料与常规方料两种状态同时生产，存在保供风险。
废料剪裁数量一般在1-4次以内，对废料进行剪裁后形成二次废料及可用材，使用可用材进行拉延成型分析成型性能良好。如果受益零件本身第一序为落料工序的，则可以直接利用原来的落料模具冲裁出所需要的形状，设计时一般只需要考虑定位兼容性，避免模具结构如导柱等干涉。对于受益零件第一序无落料模时，常规方案需要增加落料模具，这导致零件模具投资成本上升，对于年产量较低的车型，则不具备经济效益而无法实施。
6 废料柔性化剪裁方案
废料再利用本身经济增加值较少，常规废料剪裁涉及模具投资、加工费用等多个成本增项，直接影响废料再利用的可实施性。为了解决废料剪裁投资及成本问题，通过机械手+剪板机联动控制设计了一种废料剪裁通用工作站。基于改进型在线废料收集、堆垛工装实现了废料整齐堆垛，为工作站自动化剪裁提供了有利保障。通过机械手抓持余料，至多分四步对废料影响成型的边逐一裁剪。相比常规人工剪裁或开发落料模冲裁，该工作站可实现柔性化废料自动剪裁，降低了废料处理成本，可适用于多品种小批量车型，拓展了废料再利用的应用车型范围，取得明显的经济效益。
7 废料再利用效益
侧围外板门洞废料总重量6.7KG/台，其中有效利用重量总计为4.3KG/台，再利用效率高达64.2%。每回收1KG材料，可产生经济效益2.8元，单台材料成本降低12.9元。该项目现已实施近9万台约回收利用387吨钢材废料，实现经济效益超过108万元。每生产一吨钢材会产生1.5吨二氧化碳[9]，通过废料再利用，实现节能减排580吨二氧化碳。
8 结语
①改进型在线废料收集、堆垛工装，可以实现开卷落料线在线废料收集、自动堆垛，不影响开卷落料线运行效率，有利于废料低成本自动化剪裁;②通过机械手+剪板机联动控制组建废料剪裁通用工作站可以实现低成本柔性化废料剪裁，降低了废料加工成本，取消二次落料模开发，扩大了多品种小批量车型应用范围，提升了废料利用的经济效益;③通过实施侧围外板门洞废料再利用同步设计方案，有效利用废料重量总计为4.3KG/台，现已实施近9万台约回收利用387吨钢材废料，可以节约材料成本近108万元，同时节约二氧化碳排放580吨。
参考文献：
[1]韦荣发.汽车覆盖件冲压废料回收利用研究与实践[J].模具工业，2018，44（5）：34-38.
[2]梁延焱.冲压过程中废料的处理[J].模具工业，1999，25（9）：25-28.
[3]周铁军.侧围外板废料利用及一模多件技术的相关研究[J].模具制造，2018，10：10-13.
[4]林科.汽车覆盖件冲压废料再利用研究[J].模具技术，2018，01：55-59.
[5]冯浩.侧围外板冲压废料再利用的设计分析及应用[J].上海汽车，2016（8）：58-61.
[6]刘佳宁.某车型侧围落料回收利用方案优化设计[J].北京汽车，2019（2）：27-29.
[7]曹江怀.冲压工艺废料向上收集的研究应用[J].模具技术，2020（4）：43-45.
[8]金键.冲压自动线车门外板废料利用工艺分析及应用[J].锻造与冲压，2021，04：46-50.
[9]吴凡.低碳约束下的中国钢铁行业能耗情景分析[J].现代化工，2019，01：12-17.
关键词：侧围外板 材料利用率 废料再利用 收集工装 柔性化剪裁
Research on Flexible Reutilization of Waste Materials in Side Enclosures and Outer Door Openings
Jiang Wenhai，Liao Yong，Tan Tianpang
Abstract：Taking the recycling and reuse of waste materials in the side wall outer door openings as the carrier， the waste materials synchronization design plan， waste materials relying on its own gravity discharge and collection， stacking， and low-cost flexible automatic cutting waste recycling plan are described in detail. The adoption of this scheme does not affect the guarantee of the raw materials of the benefited parts， and is beneficial to improve the feasibility of using waste materials to reproduce. At the same time， through low-cost automated waste cutting， the cost of waste processing is reduced， and the economic benefits of waste utilization are improved. The application of the universal line-side recycling and separation and shearing workstation overcomes the problem of multiple types of small-batch vehicle reuse， increases the scope of application vehicle types for waste reuse， and achieves obvious economic and environmental benefits.
Key words：side wall outer panel， material utilization rate， waste material reuse， collection tooling， flexible tailoring
1 引言
为了提高汽车覆盖件的材料利用率，降低材料成本，国内专家对冲压废料的回收利用进行了大量的分析与研究。韦荣发[1]等人研究了废料回收再利用及镶套工艺降低生产成本的方法。梁延焱[2]在冲压工艺的废料处理、模具设计时确保废料顺畅落料等方面详细阐述了冲压生产过程中废料的处理方法。周铁军[3]等人以某侧围外板为研究对象，对侧围外板的废料进行了合理分析设计，实现了9个制件共模开发方案。上述研究均取得了显著成果，但并未涉及开卷落料线废料在线收集、堆垛工装、废料分剪方法的研究。本文以侧围外板门洞废料为例，研究了开卷落料线废料线侧收集、堆垛与低成本柔性化剪裁废料回收再利用方案，并进行实际工程验证，以期为冲压废料的回收与再利用提供参考。
2 侧围外板废料利用同步设计
为满足侧围外板成型性能，落料冲裁的门洞废料外轮廓仿形车门框，因此废料轮廓为不规则形状。在白车身同步设计阶段，应用板料成形CAE模拟手段获取侧围废料初始尺寸，然后筛选可利用废料生产的小零件制定受益零件清单，再借助CAE模拟软件进行小零件的成形模拟及废料尺寸调整模拟[4]。受益零件清单选取的一般原则包括（1）受益零件的下料尺寸一般要小于废料;（2）受益零件的材料牌号及厚度与侧围一致（3）冲压分析时确保受益零件的成型性（4）设计模具时考虑模面尺寸及定位的兼容性。根据以上原则，某车型制定的废料再利用如表1。
3 废料收集方案分析
侧围外板一般采用开卷落料线进行生产，冲压废料在重力作用下落入废料通道后由输送带运到物流卡车，需要把废料直接滑出床台收集再利用[5]。回收装置可以分为重力自由滑落、动力驱动型，其中动力驱动型可选择传送带传输装置和水平搬送机器人两种形式，三种形式方案各有优缺点和适用范围。考虑设备用于回收废料的附加值较低，平衡需求和现实成本，一般在侧围落料模具上增加废料回收滑轨装置，并在滑轨下方放置废料回收箱[6]。废料通过重力作用滑落到落料回收箱时，存在料片堆置不整齐的问题[7]，而开卷落料线运行速度非常高，侧围外板开卷落料时可达25冲次/分，废料排出不畅会影响开卷落料线运行效率，导致侧围落料成本及故障率提升。
4 改进型废料收集工装
如图1针对常规线侧简易重力滑落工装回收方案存在的不足，提出了改进型在线废料收集堆垛工装。回收装置位于落料线侧面，滑道可以推出至模具废料槽下方，在落料模具运行时，废料会经由模具废料槽滑出至回收装置滑道之上。依靠废料排出时的初速度及自重，沿着带一定倾角的滑道进入堆垛箱体。该方案无需打开开卷落料线安全门，仅需要开启安全门中间通道，可以保障员工操作安全性。堆垛箱使用废料储存的工位器具增加了限位装置、滚轮机构改造而成，废料滑入工位器具后可实现整齐堆放。通过滚轮承托机构可实现人力推动快速切换空箱，并整体通过牵引车、行吊放入仓库立体式存储。 5 废料剪裁方案分析
根据图2废料不剪裁及剪裁后冲压CAE分析結果。废料直接用作利废零件的毛坯、无需二次剪裁的方案[8]，由于未裁切的废料局部尺寸大幅超出零件分模线，导致零件局部侧壁拉延开裂。废料尺寸与受益零件匹配性会限制受益零件选择范围，模具设计难以兼顾废料与常规方料两种状态同时生产，存在保供风险。
废料剪裁数量一般在1-4次以内，对废料进行剪裁后形成二次废料及可用材，使用可用材进行拉延成型分析成型性能良好。如果受益零件本身第一序为落料工序的，则可以直接利用原来的落料模具冲裁出所需要的形状，设计时一般只需要考虑定位兼容性，避免模具结构如导柱等干涉。对于受益零件第一序无落料模时，常规方案需要增加落料模具，这导致零件模具投资成本上升，对于年产量较低的车型，则不具备经济效益而无法实施。
6 废料柔性化剪裁方案
废料再利用本身经济增加值较少，常规废料剪裁涉及模具投资、加工费用等多个成本增项，直接影响废料再利用的可实施性。为了解决废料剪裁投资及成本问题，通过机械手+剪板机联动控制设计了一种废料剪裁通用工作站。基于改进型在线废料收集、堆垛工装实现了废料整齐堆垛，为工作站自动化剪裁提供了有利保障。通过机械手抓持余料，至多分四步对废料影响成型的边逐一裁剪。相比常规人工剪裁或开发落料模冲裁，该工作站可实现柔性化废料自动剪裁，降低了废料处理成本，可适用于多品种小批量车型，拓展了废料再利用的应用车型范围，取得明显的经济效益。
7 废料再利用效益
侧围外板门洞废料总重量6.7KG/台，其中有效利用重量总计为4.3KG/台，再利用效率高达64.2%。每回收1KG材料，可产生经济效益2.8元，单台材料成本降低12.9元。该项目现已实施近9万台约回收利用387吨钢材废料，实现经济效益超过108万元。每生产一吨钢材会产生1.5吨二氧化碳[9]，通过废料再利用，实现节能减排580吨二氧化碳。
8 结语
①改进型在线废料收集、堆垛工装，可以实现开卷落料线在线废料收集、自动堆垛，不影响开卷落料线运行效率，有利于废料低成本自动化剪裁;②通过机械手+剪板机联动控制组建废料剪裁通用工作站可以实现低成本柔性化废料剪裁，降低了废料加工成本，取消二次落料模开发，扩大了多品种小批量车型应用范围，提升了废料利用的经济效益;③通过实施侧围外板门洞废料再利用同步设计方案，有效利用废料重量总计为4.3KG/台，现已实施近9万台约回收利用387吨钢材废料，可以节约材料成本近108万元，同时节约二氧化碳排放580吨。
参考文献：
[1]韦荣发.汽车覆盖件冲压废料回收利用研究与实践[J].模具工业，2018，44（5）：34-38.
[2]梁延焱.冲压过程中废料的处理[J].模具工业，1999，25（9）：25-28.
[3]周铁军.侧围外板废料利用及一模多件技术的相关研究[J].模具制造，2018，10：10-13.
[4]林科.汽车覆盖件冲压废料再利用研究[J].模具技术，2018，01：55-59.
[5]冯浩.侧围外板冲压废料再利用的设计分析及应用[J].上海汽车，2016（8）：58-61.
[6]刘佳宁.某车型侧围落料回收利用方案优化设计[J].北京汽车，2019（2）：27-29.
[7]曹江怀.冲压工艺废料向上收集的研究应用[J].模具技术，2020（4）：43-45.
[8]金键.冲压自动线车门外板废料利用工艺分析及应用[J].锻造与冲压，2021，04：46-50.
[9]吴凡.低碳约束下的中国钢铁行业能耗情景分析[J].现代化工，2019，01：12-17.