汽车行业内卷式竞争愈演愈烈，各车企为生存掀起了价格战，整车利润进一步被压缩，车企面临巨大的成本压力。随着车型架构化开发，大部分车身结构件实现了不同车型之间的共用，这使车身结构件的模具投资成本大幅降低。车身覆盖件由于与造型关联性强，难以实现模具的共用，使其投资成本降低有限，因此如何降低覆盖件的模具投资成本已成为各车企降本研究的重要方向之一。

当前行业内覆盖件模具投资价格通常是按照 " 吨价模式 " 进行核算，与模具招标质量和模具单价有关，模具投资价格 = 模具招标质量 × 模具单价。

其中模具招标质量与模具外形尺寸和掏空系数有关，其满足如下关系：

其中，T 为模具招标质量，t；L、W、H 分别为模具长度、宽度、高度，mm；ρ 为铸铁密度，7.85 t/m3；n 为质量系数，与模具结构复杂程度有关。

模具单价主要由原材料、加工调试、标准件、设计、人工、运输、样件和管理组成，各费用占比如图 1 所示。其中原材料和加工调试费用占比最大，合计超过 60% [ 1-2 ] 。

图 1 模具单价构成因素

通过式（1）可知，降低模具投资成本的途径有 2 个方面：①通过轻量化设计降低模具招标质量；②通过轻量化制造影响价格构成因素，降低模具单价。

模具设计越复杂，不仅模具质量增加，原材料消耗加大，而且模具加工制造时间越长，整体开发成本越高。模具轻量化研究可以分为模具设计轻量化和模具制造轻量化 2 个方面。

1.1 模具设计轻量化

模具是为实现零件功能而开发，模具设计质量与零件的工艺布置和模具结构设计相关。因此模具设计轻量化包含零件工艺布置轻量化和模具结构设计轻量化。

1.1.1 零件工艺布置轻量化

零件工艺布置和复杂程度决定模具的副数和复杂程度，因此要实现设计轻量化，首先零件的工艺布置需要轻量化。零件工艺布置轻量化包含两部分：①零件工序最少化，即通过工艺改进、工序集成和合模布置使零件的工序最少化，最大化减少模具开发数量；②零件工艺简单化，即通过优化零件设计，减少复杂工艺的应用，减少模具结构的复杂程度，降低单副模具质量。

工序最少化目前在门盖类零件上应用效果明显，主要分为 3 个方面：①利用刺切取代落料工艺，减少落料模开发，代表零件为前 / 后侧门内板、尾门内板 [ 2 ] ；②利用工序集成设计减少工序数量，代表零件为前 / 后侧门外板、前 / 后侧门内板等 [ 3 ] ；③在满足零件成形力和生产设备尺寸要求的前提下，不同零件最大化的合模开发，减少工序数量，代表零件为发动机罩内 / 外板、尾门内 / 外板 [ 4-5 ] 。表 1 所示为某小型车车门类外覆盖件采用常规工艺与轻量化工艺工序数量与布置特点对比，通过工艺轻量化开发，总的工序（模具）数量由传统的 35 副减少到 19 副，降幅达到 46%，大幅减轻模具整体质量。

表 1 传统工艺与轻量化工艺对比

工艺简单化同样主要应用在外形简单的车门零件上，如前 / 后侧门外板，其主要方式包含：①通过零件结构优化，由正向工艺布置（正切边 / 正翻边）取代侧向工艺布置（侧切边 / 侧翻边），取消斜楔和互动回退部件等复杂的机构，实现模具结构简化及模具质量减轻；②通过提升零件回弹仿真能力，适时取消夹料翻边等复杂工艺，实现模具结构简化及模具质量降低。图 2 所示为遵循工艺简单化布置的模具结构，通过优化零件结构，实现正切边应用，取消了斜楔机构，简化了模具结构。通过优化工艺，零件采用关键区域夹料翻边替代全周夹料翻边，减少了夹料器数量，简化了模具结构。工艺简单化布置不仅使模具结构简化，模具质量减轻，还降低了后期加工制造复杂度和工作量。

侧切边（b）（a）正切边

正翻边（全周夹料）（d）（c）正翻边（部分夹料）

图 2 工艺简单化结构布置对比

1.1.2 模具结构设计轻量化

通过工艺布置简单化，可以降低模具结构复杂程度，实现结构设计轻量化。但是工艺布置与零件结构密切相关，当零件和工艺布置都无法调整时，需要从结构设计去考虑如何实现轻量化设计。模具结构设计轻量化目前主要从 2 个方面考虑：①模具外形随形和镂空设计；②模具部件紧凑化设计。

模具外形随形和镂空设计通常指模具前后端面随零件形状内收，最大化减少零件外的模具面积，同时上下模座、凸模和压料芯在满足强度前提下最大化掏空减轻质量。图 3 所示为前门外板切边模结构随形和镂空设计，模具前后端面内收明显，同时下模座和凸模采用镂空设计，通过该方式模具质量相比传统设计可以减轻 10% 以上，同时可以减少凸模的加工面积。

前后端面平齐设计（b）（a）前后端面随形设计

模座和凸模未掏空（d）计（c）模座和凸模镂空设

图 3 随形和镂空设计对比

模具部件紧凑化设计是在满足使用要求的前提下进行紧凑化设计，缩小模具部件甚至模具外形尺寸。常用的紧凑化设计包含模具导向紧凑化、夹料器紧凑化和斜楔互动机构紧凑化。导向紧凑化是根据模具结构特点，模具端头适时采用 " 四角导向 " 替代 " 中间导向 "，可以缩小模具尺寸。图 4 所示为前门外板侧翻边模，采用四角导向可以使模具长度缩短 300~400 mm。夹料器紧凑化是针对采用夹料翻边的模具，对夹料器部件紧凑化设计，如图 5 所示，夹料器外形与零件随形且紧凑。斜楔互动机构紧凑化是指适时采用结构更紧凑的旋转斜楔代替结构尺寸更大的平动斜楔，缩小模具尺寸 [ 6 ] ，如图 6 所示。

（a）端头中间导向（b）端头四角导向

图 4 端头紧凑化设计

（a）夹料器厚实（b）夹料器紧凑

图 5 夹料器紧凑化设计

（a）发罩大灯转角侧翻平动斜楔（b）发罩大灯转角旋转斜楔

图 6 斜楔互动机构紧凑化设计

在模具结构轻量化设计的同时，利用 NX 软件有限元分析功能，对模具的工作区域和关键位置进行受力分析，对比轻量化设计前后的应力应变状态，并及时调整设计，确保轻量化对模具的强度和刚度不产生影响 [ 7-8 ] 。图 7 所示为某车型前门外板拉深模轻量化设计前后的结构对比，轻量化前模具整体质量为 21 t，轻量化后模具整体质量为 18 t，减轻质量 14%。在成形力 9 000 kN 条件下，对比 2 种结构下模具的受力状态，其最大应力值（见图 8）和最大应变值（见图 9）相差不大，满足使用要求。

（a）轻量化前上模 （b）轻量化前下模

（c）轻量化后上模 （d）轻量化后下模

图 7 模具轻量化前后设计对比

图 8 前门外板轻量化前后最大应力对比

（a）轻量化前上模（b）轻量化前下模

（c）轻量化后上模（d）轻量化后下模

图 9 前门外板轻量化前后最大应变对比

1.2 模具制造轻量化

模具制造环节包含了从原材料的制作、加工装配及后期的研合调试整个过程，每个环节的难易程度都会影响模具单价。因此要实现降低投资成本，需要从模具制造的各个环节进行轻量化研究。模具制造轻量化包含模具材料选择轻量化、加工装配轻量化和研合调试轻量化，每个方面都与设计相关。

模具材料轻量化是从模具材质等级和用量 2 个方面降低原材料的成本，以用量最大的铸铁为例，一方面根据车型开发寿命和使用条件来适当降低球墨铸铁的牌号，降低原材料成本，如利用 QT600-3A 替代合金铸铁 GM246/GM338；另一方面采用结构随形和镂空设计，减少铸铁和铸钢的用量，降低原材料成本。另外对于用量较大的标准件，可以通过降低标准件选择等级、减少标准件选择种类来实现批量集中采购等方式降低标准件成本。

加工装配轻量化是指在模具加工装配阶段，通过前期优化设计实现少加工和少组装，降低加工设备使用成本和人工成本，同时可以缩短制造周期。如通过优化模具符型面积来减少凸模加工面积和加工时间；通过优化零件工艺布置，减少模具的斜楔互动机构等复杂结构设计来减少模具组装工作量和时间等。

研合调试轻量化则是在模具调试阶段，通过优化设计实现模具少研合、少调试和少整改，减少调试时间和钳工工作量，降低调试设备使用成本和人工成本，同时缩短模具调试周期。如通过优化模面间隙处理以减少模具型面研合时间 [ 9-10 ] ；通过提高零件成形仿真精确度以提高零件成形质量和尺寸精度，缩短模具调试时间和零件尺寸精度整改时间。

基于轻量化的开发要求，相同架构相近车身尺寸的车型覆盖件模具开发数量、设计质量和模具单价相比以往均有明显改善。某架构平台下车型 A 和车型 B 的门盖类模具开发数量和设计质量对比分别如图 10 和图 11 所示，其中车型 A 为传统开发，车型 B 为轻量化开发。从图 10 可以看出，通过工艺轻量化设计，后侧门外板、内板和尾门内板模具均减少 1 副，模具总数量相比原来少 3 副，降幅 10%；在此基础上结合模具结构轻量化设计，这些零件模具的设计质量降幅为 3%~35%，整体质量降幅 11%。图 12 所示为车型 A 和车型 B 模具平均单价对比，通过执行制造轻量化开发要求，实现模具单价降幅 11%。

图 10 轻量化开发前后模具副数对比（单位：副）

图 11 轻量化开发前后模具设计质量对比（单位：吨）

图 12 轻量化开发前后模具单价对比（单位：万元 / 吨）

▍原文作者：曹彪，阳学，覃策，曾世耀，李开文，杨欢

▍作者单位：上汽通用五菱汽车股份有限公司