新型汽車模具公司技術(shù)準(zhǔn)備與生產(chǎn)特點

吳云龍

工信部和國家發(fā)展改革委聯(lián)合頒布的《汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策》(2004年頒布實施，2009年修訂——編者注)中明確提出“支持設(shè)立專業(yè)化的模具設(shè)計制造中心，提高汽車模具設(shè)計制造能力”。在國家政策大力支持汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的宏觀背景下，筆者所在的合肥常青機械股份有限公司擬新建具備現(xiàn)代技術(shù)條件的汽車模具公司，主要方向為汽車沖壓模具、檢驗夾具、汽車零部件、模具標(biāo)準(zhǔn)件等。規(guī)劃投資約為1億元，年產(chǎn)冷沖模具能力為3000 t、銷售額約1億元、廠房建筑面積1.5萬m2，辦公面積2500 m2，并為此制訂了汽車沖壓模具制造基本工藝流程與工廠工藝布局。

1 汽車沖壓模具制造工藝流程與布局

1.1 汽車沖壓模具制造工藝流程

汽車沖壓模具占汽車模具總量的40%以上，具有工作型面復(fù)雜、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)較高等特點，屬技術(shù)密集型產(chǎn)品。按沖壓的汽車覆蓋件類型，汽車沖壓模具可分為外覆蓋件模具、內(nèi)覆蓋件模具和結(jié)構(gòu)件模具。車身覆蓋件模具的設(shè)計與制造是整個汽車行業(yè)中最關(guān)鍵的部分，在沖壓模具中具有很重要的代表性，也是衡量新型汽車模具公司技術(shù)與制造水平的關(guān)鍵要素。

天津、一汽、東風(fēng)等汽車模具公司走在行業(yè)前沿，它們的水平已達(dá)到或接近國外(如日本豐田)模具公司的先進(jìn)水平，模具制造技術(shù)與工藝流程較傳統(tǒng)設(shè)計與制造方式有了質(zhì)的變化，雖然這些大型模具企業(yè)管理、組織結(jié)構(gòu)、承接模具業(yè)務(wù)等具體情況不盡相同，各企業(yè)制定的具體工藝流程也有差異，但目前汽車模具制造的基礎(chǔ)工藝流程還是一致的。

筆者所在單位通過認(rèn)真地分析并借鑒國內(nèi)外汽車模具公司的成功經(jīng)驗，制定了汽車沖壓模具制造工藝流程如(圖1)。

1.2 現(xiàn)代技術(shù)條件的汽車模具公司工藝布局

筆者所在公司擬新建汽車模具公司的工廠工藝布局如(圖2)

以先進(jìn)的數(shù)控加工設(shè)備為主的汽車模具公司工藝平面布局，應(yīng)充分考慮物流與非物流因素，根據(jù)各工作面區(qū)域，以及其綜合關(guān)系的關(guān)聯(lián)程度，確定相互間的位置，力求做到各功能區(qū)劃分明確。工藝、物流路線應(yīng)設(shè)計合理，減少工藝過程中的不必要的迂回往返，并有利于綜合管理(汽車模具工廠范例參見圖3)。

1.3 新建汽車模具公司設(shè)備及預(yù)算情況(見表1)。

表1 新建汽車模具公司設(shè)備及預(yù)算情況 萬元

2 新型汽車模具公司技術(shù)準(zhǔn)備

2.1 汽車沖壓件模具設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化

2.1.1 模具設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化

為了提高模具設(shè)計效率和模具標(biāo)準(zhǔn)件的使用率，應(yīng)制定模具結(jié)構(gòu)的規(guī)范化、系列化和標(biāo)準(zhǔn)化法規(guī)文件，為技術(shù)設(shè)計人員提供設(shè)計的法規(guī)依據(jù)。

模具設(shè)計師、工藝師需準(zhǔn)確使用主機廠提供的產(chǎn)品數(shù)模、產(chǎn)品圖和專項技術(shù)要求，并以模具設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)與模具驗收標(biāo)準(zhǔn)等技術(shù)資料作為設(shè)計輸入，充分運用模具設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫，包括單獨零件的標(biāo)準(zhǔn)零件、含有裝配結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)部件、模架結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫及典型模具結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫。推廣使用模具標(biāo)準(zhǔn)件，包括中小模具模架、沖切裝置、導(dǎo)向裝置、限位裝置、定位裝置、壓退料裝置、斜楔側(cè)沖裝置、氣動裝置和氮氣彈簧、彈簧回程裝置等。

設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化的對縮短模具供貨周期、提高設(shè)計效率、穩(wěn)定模具質(zhì)量都發(fā)揮著重要的作用。

2.2 計算機輔助4C集成技術(shù)應(yīng)用

2.2.1 汽車模具制造業(yè)4C系統(tǒng)

汽車沖壓模具屬于工具產(chǎn)品，精度高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、對材質(zhì)要求高，其成形過程是封閉式的，不能直觀地了解金屬材料的微觀機理變化與流動。在傳統(tǒng)汽車模具開發(fā)過程中，模具設(shè)計制造帶有很強的盲目性和經(jīng)驗性，設(shè)計科學(xué)性差，對經(jīng)驗的依賴性強，一般需要反復(fù)修改試制才能滿足要求。因而模具試制周期長，再設(shè)計的可能性加大，從而使模具的總成本增加。國外曾在1條汽車裝配線上對50多個案例進(jìn)行實地分析，結(jié)果表明造成車身尺寸誤差變動的諸多原因中，沖壓件本身尺寸造成的累積誤差占23%，其主要原因是基于經(jīng)驗和原有工藝基礎(chǔ)和低技術(shù)水平而設(shè)計制造的傳統(tǒng)汽車模具。

當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，使汽車模具制造業(yè)擺脫了傳統(tǒng)機械加工生產(chǎn)方式。汽車沖壓件模具，特別是車身覆蓋件模具設(shè)計與制造過程中，4C(即CAD/CAE/CAPP /CAM技術(shù))系統(tǒng)已得到廣泛運用，該系統(tǒng)以計算機與數(shù)控機床為主要設(shè)備，以覆蓋件的數(shù)學(xué)、力學(xué)模型為依據(jù)，直接有效運用于模具設(shè)計與成形分析及制造技術(shù)的各個環(huán)節(jié)。

2.2.2 汽車沖壓模具虛擬制造技術(shù)

模具制造業(yè)的虛擬制造技術(shù)是近幾年新興的一種軟件技術(shù)，是CAD/CAPP/CAE/CAM和仿真技術(shù)的高級階段，4C集成技術(shù)是現(xiàn)代化汽車模具企業(yè)生產(chǎn)管理的發(fā)展方向。

在傳統(tǒng)汽車模具開發(fā)過程中，當(dāng)模具設(shè)計及制造完成后，需要經(jīng)過反復(fù)的調(diào)試及修模，才能得到滿意的零件。在調(diào)試過程中，一些已經(jīng)形成的缺陷，如沖壓件的破裂、起趨、回彈等問題，主要憑借鉗工的經(jīng)驗進(jìn)行反復(fù)的試模修模的循環(huán)過程，這種方法不僅降低了生產(chǎn)效率，而且生產(chǎn)出的模具精度往往達(dá)不到預(yù)期要求。

虛擬制造技術(shù)的引入，使這些問題得以解決。在虛擬現(xiàn)實環(huán)境下，4C技術(shù)可以應(yīng)用于模具的設(shè)計、分析、制造，技術(shù)人員利用虛擬的仿真環(huán)境，將產(chǎn)品及其對應(yīng)模具的結(jié)構(gòu)分析、虛擬設(shè)計、部件裝配和性能優(yōu)化等融合在計算機虛擬制造系統(tǒng)中進(jìn)行，并對模具結(jié)構(gòu)、模具幾何尺寸、分型面確定、成形機噸位的選定、加式工藝、生產(chǎn)制造等進(jìn)行交互式的快速建模及仿真分析，從而避免了反復(fù)修模。生成的仿真模型可直接操縱和修改，數(shù)據(jù)可反復(fù)利用，從而大大縮短模具的工發(fā)周期。有數(shù)據(jù)表明，采用虛擬技術(shù)模具開發(fā)周期平均縮短30%～40%，開發(fā)成本降低30%～40%。

虛擬制造技術(shù)，是汽車模具開發(fā)過程中最具潛力與實用有效的技術(shù)之一。模具制造企業(yè)對該技術(shù)的掌握并高效應(yīng)用，將保持其在行業(yè)技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢，為企業(yè)帶來良好的經(jīng)濟效益和市場效益。

2.2.3 計算機輔助4C技術(shù)的應(yīng)用軟件

目前，國內(nèi)大中型汽車模具制造企業(yè)已廣泛采用了CAD/CAM/CAPP/CAE數(shù)字化制造技術(shù)，從以依賴建造實物主模型為加工依據(jù)的傳統(tǒng)加工方式，轉(zhuǎn)變?yōu)橐詳?shù)字化模型為加工依據(jù)的現(xiàn)代化汽車模具加工方式，極大地提高了汽車模具的設(shè)計效率和加工精度。

其中CAE計算機輔助工程技術(shù)是基于產(chǎn)品數(shù)字建模，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析與優(yōu)化的重要工具，主流軟件有AutoForm、DynaForm、Pam-Stamp等。該技術(shù)在汽車模具，尤其是在車身覆蓋件模具沖壓成形中的應(yīng)用卓有成效，通過對拉延工序進(jìn)行沖壓成形模擬分析，利用有限元分析技術(shù)預(yù)測和解決模具調(diào)試階段可能出現(xiàn)的諸如起皺、拉裂、回彈、暗坑、沖擊線、滾線等缺陷，提前預(yù)知成形缺陷，并根據(jù)理論上的模擬分析結(jié)果，采取有效措施進(jìn)行工藝參數(shù)的調(diào)整與優(yōu)化，分析評估汽車覆蓋件沖壓成形的可行性，減少模具實際調(diào)試次數(shù)，提高模具調(diào)試成功率。

2.2.4 主流仿真分析軟件AutoForm和DynaForm的比較

(1)主流分析軟件背景

用于各工程領(lǐng)域的CAE技術(shù)軟件有很多，然而在汽車模具制造領(lǐng)域，CAE沖壓軟件中3大沖壓分析仿真軟件分別是瑞士A-F公司的AutoForm系統(tǒng)；美國ETA公司的DynaForm系統(tǒng)和法國ESI集團的Pam-Stamp系統(tǒng)。

在這3款主流軟件中，Pam-Stamp系統(tǒng)設(shè)置比較繁復(fù)，經(jīng)常需要手動修訂，自動化程度低；在回彈補償方面，從計算結(jié)果與實際狀況上看，容易出現(xiàn)破裂，失效風(fēng)險大，應(yīng)用不廣泛。因此，本文主要對AutoForm和DynaForm進(jìn)行分析和比較。

(2)AutoForm和DynaForm介紹

汽車模具制造業(yè)較早引入的是AutoForm軟件系統(tǒng)。用戶界面友好、運算速度快是AutoForm最顯著的特點，該系統(tǒng)軟件流程清晰，比較容易學(xué)習(xí)、操作簡便易上手，在國內(nèi)制造行業(yè)擁有眾多用戶。但是AutoForm系統(tǒng)的計算精度稍差，其膜單元(Membrane)算法不容易從結(jié)果中判斷起皺(折疊太嚴(yán)重，不能計算)、回彈等問題，在4.0版本中加入殼單元(Shell，仍沒有彎曲)后，計算速度降低并且計算不是很準(zhǔn)。

DynaForm系統(tǒng)計算速度相對較慢，參數(shù)繁多，不易上手，通常非專業(yè)工程人員很難掌握，然而DynaForm系統(tǒng)在成形分析方面的優(yōu)越性，是專業(yè)汽車模具制造中不能忽視的。

Dynaform 軟件基于有限元方法建立，被用于模擬鈑金成形工藝，主要包含BSE、DFE、Formability3大模塊，幾乎涵蓋沖壓模模面設(shè)計的所有要素，包括：最佳沖壓方向、坯料的設(shè)計、工藝補充面的設(shè)計、拉延筋的設(shè)計、凸凹模圓角設(shè)計、沖壓速度的設(shè)置、壓邊力的設(shè)計、摩擦系數(shù)、切邊線的求解、壓力機噸位等；析精度與自動化程度高，非常方便并穩(wěn)定地對全工序的沖壓過程進(jìn)行模擬分析；擁有強大的后處理功能，能夠提供包括FLD曲線圖、變薄率、最大最小主應(yīng)變、材料邊界流動、板料位移等指導(dǎo)性參數(shù)，進(jìn)行產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計。

(3)運用分析軟件需要理論與實際經(jīng)驗支持

沖壓過程的分析需要經(jīng)驗積累，不同零件及工況需要不同的設(shè)置參數(shù)，分析結(jié)果的準(zhǔn)確度不能僅僅靠軟件，材料數(shù)據(jù)的積累、分析工程師的實踐經(jīng)驗都很重要。使用DynaForm等分析系統(tǒng)還需要具備相應(yīng)的有限元理論、彈性力學(xué)、塑性力學(xué)等專業(yè)理論知識，分析工程師使用分析軟件時，應(yīng)集理論、軟件運用、實踐經(jīng)驗于一體。

3 新型汽車沖壓模具公司生產(chǎn)特點

3.1 新型汽車模具公司的大規(guī)模生產(chǎn)關(guān)鍵要素

(1)提高材料利用率。對于大批量汽車生產(chǎn)來說，提高板料的利用率是模具設(shè)計的第一要素，只要能把材料利用率提高幾個百分點，模具的成本就可忽略不計。

(2)減少沖壓工序。模具設(shè)計的趨勢是零件的合并、左右對稱件合模、前后順序件合模等等，原來幾個件合成一個件，不同的件合在一套模，單件工序大大減少，整車模具數(shù)量也會越來越少，這對降低沖壓的成本起關(guān)鍵作用。

(3)沖壓自動化。為適應(yīng)沖壓線完全自動化，模具必須考慮機械手上下料，廢料的自動排出，氣動、自動和傳感裝置的普遍采用等；

(4)模具材料的選用。不同主機廠對模具材料的選用都有不同的要求，目前拉延模材料主要采用球墨鑄鐵，而不是國內(nèi)以前大多用的合金鑄鐵。球墨鑄鐵焊接性能及可加工性能好、耐磨性能和表面淬火硬度都比較理想，而成本也比合金鑄鐵要低得多。

3.2 汽車沖壓模具結(jié)構(gòu)設(shè)計與數(shù)控加工

3.2.1 實體設(shè)計

模面設(shè)計與結(jié)構(gòu)設(shè)計分開進(jìn)行，模具結(jié)構(gòu)設(shè)計是實體設(shè)計，而模面設(shè)計是曲面設(shè)計。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中模面部分只是示意性的，可用于實型加工，不能用于模具加工。這種分工大大簡化了模具實體設(shè)計。

實體設(shè)計直接面向制造，其設(shè)計的繁簡程度因加工需要而定。在實體設(shè)計的基礎(chǔ)上，對拉延模等一些結(jié)構(gòu)典型而標(biāo)準(zhǔn)化較高的模具，可以進(jìn)行設(shè)計軟件的二次開發(fā)，配備具有一定功能的輔助程序，做到半自動設(shè)計。這使得普通技術(shù)員都可以完成結(jié)構(gòu)典型的拉延模結(jié)構(gòu)設(shè)計，從而降低人力成本。

3.2.2 實型數(shù)控加工

目前各模具制造廠家已基本都在使用實型制作工藝。實型的數(shù)控化加工生產(chǎn)，是通過對實體模型的工藝編輯、數(shù)控編程、泡沫毛坯下料、數(shù)控加工、人工粘接和修整等幾道工序完成的。該工藝將實型的生產(chǎn)員工從手工制作轉(zhuǎn)變到大量的數(shù)控編程上來，數(shù)控化生產(chǎn)直接提高了鑄件的精度，為后序的精細(xì)加工帶來極大的便利。

3.2.3 構(gòu)造面數(shù)控加工

模具構(gòu)造面就是模具型面以外的機加工面，有導(dǎo)向面、鑲塊安裝面、螺釘孔等，這些也都依靠編程和數(shù)控加工。構(gòu)造面加工的編程化，可以大大提高機加工效率，減少現(xiàn)場的人為操作失誤，提高加工的自動化程度。該工藝需要有自動對刀、刀具管理、加工參數(shù)、編程經(jīng)驗等基礎(chǔ)。

3.2.4 機械加工中粗精加工分開進(jìn)行

汽車模具企業(yè)的加工設(shè)備主要有3軸以上的數(shù)控銑床、研配壓床、試模壓力機、5軸數(shù)控激光切割機、3坐標(biāo)測量機等。隨著汽車制造水平的提高，汽車沖壓件分塊越來越大，也使得沖壓模具更大、更復(fù)雜。因此，加工設(shè)備的工作面一般在2000×4000 mm2以上。模具加工設(shè)備必須具備精度高、功能多等特點，如5軸聯(lián)動數(shù)控銑床及高速精密數(shù)控銑。

通過調(diào)整生產(chǎn)組織方式和加工流程，能夠緩解企業(yè)的投資壓力、降低模具開發(fā)成本。采用粗加工和精加工分開進(jìn)行可滿足這一要求，一般由4臺粗加工設(shè)備和1臺精加工設(shè)備組成一個加工單元，即一個模具企業(yè)要達(dá)到合理的規(guī)模和一定的水平，數(shù)控銑床應(yīng)不小于5臺，并根據(jù)數(shù)控銑床的加工能力來配置其他設(shè)備。

3.2.5 并行工程與先行供件

當(dāng)前汽車模具公司的生產(chǎn)組織中，并行工程的運用廣泛。模具開發(fā)過程中的技術(shù)準(zhǔn)備、生產(chǎn)準(zhǔn)備、模具加工和調(diào)試等各工序之間應(yīng)盡可能地實行并行，即生產(chǎn)準(zhǔn)備、加工工藝及數(shù)控程序設(shè)計并行。首先安排拉延、成型類模具，其次是翻邊整型類模具，然后是修邊沖孔類模具，最后是落料沖孔類模具。這樣才能做到均衡生產(chǎn)，提前為主機廠提供樣件。

為進(jìn)一步縮短模具開發(fā)周期，一般在拉延、成型、翻邊整型類模具完成之后，都利用5軸數(shù)控激光切割機完成落料、修邊、沖孔等工序，先提供沖壓樣件，讓主機廠先進(jìn)行組裝車身、試裝車、可靠性實驗、驗證設(shè)計、調(diào)試裝焊線等，模具制造公司則可以利用這段時間完成修邊、沖孔、落料類模具的開發(fā)。

我國汽車工業(yè)的快速發(fā)展，拉動了汽車模具制造業(yè)的繁榮，該領(lǐng)域商機潛力巨大、市場前景良好。國務(wù)院頒布的《裝備制造業(yè)調(diào)整和振興規(guī)劃》也提出“重點發(fā)展大型精密型腔模具、精密沖壓模具、高檔模具標(biāo)準(zhǔn)件”。本文針對新型汽車模具公司的技術(shù)與工藝準(zhǔn)備等方面進(jìn)行介紹，期待為同行在優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、擴大生產(chǎn)規(guī)模、完善產(chǎn)品鏈條進(jìn)程中，提供經(jīng)驗借鑒。