基于模具設(shè)計(jì)的降成本方法
——汽車沖壓模具設(shè)計(jì)的SSC(上)

文/葉夢(mèng)彬·廣州汽車集團(tuán)乘用車有限公司

本文介紹了沖壓模具設(shè)計(jì)SSC 這一可以實(shí)現(xiàn)降成本的技術(shù)管理方法。從工藝簡(jiǎn)單化、機(jī)構(gòu)緊湊化、模具小型化幾個(gè)方面重點(diǎn)、詳細(xì)的介紹了實(shí)現(xiàn)模具的SSC 的方法，并對(duì)SSC 的方法進(jìn)行了總結(jié)，對(duì)開展SSC 和沒有開展SSC 的效果進(jìn)行了對(duì)比，指出了這一套技術(shù)管理方法的優(yōu)點(diǎn)和意義。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)的汽車沖壓模具行業(yè)普遍處于利潤(rùn)率低甚至虧損的狀態(tài)，急需尋找到一些技術(shù)、管理方法降低模具成本，提升利潤(rùn)率。作為汽車整車廠，迫于市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)和降成本的需要，也希望在沖壓方面進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本。實(shí)現(xiàn)沖壓及模具的降成本，既需要技術(shù)的創(chuàng)新、進(jìn)步，也需要技術(shù)管理上的創(chuàng)新、發(fā)展。本文從日本的SSC 管理理念出發(fā)，基于汽車沖壓模具的設(shè)計(jì)談?wù)剬?shí)現(xiàn)降成本的管理方法——汽車沖壓模具的SSC，并結(jié)合當(dāng)前國(guó)內(nèi)汽車模具設(shè)計(jì)普遍存在的一些問題，介紹一些模具SSC的技術(shù)方法。

汽車沖壓模具設(shè)計(jì)的SSC

這里談的SSC 是來自于日本的一種成本控制理念，一般用于指導(dǎo)工廠的規(guī)劃和設(shè)計(jì)。SSC 是三個(gè)英語單詞Small、Simple、Compact 的首字母，Small、Simple、Compact 的意思分別是小型化、簡(jiǎn)單化、緊湊化。當(dāng)工廠、生產(chǎn)線做到小型化、簡(jiǎn)單化、緊湊化后，它就能更好地做到快速、順暢化(Smart)生產(chǎn)或運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)更少的投入、更低的成本、更高的效率、更多的產(chǎn)出。

SSC 理念被普遍應(yīng)用于日系企業(yè)的能擴(kuò)規(guī)劃和設(shè)計(jì)中。某日系汽車三廠，根據(jù)其主要承擔(dān)小型車生產(chǎn)的規(guī)劃，規(guī)劃設(shè)計(jì)結(jié)合小型車特點(diǎn)，導(dǎo)入先進(jìn)設(shè)備、技術(shù)，最大可能地活用現(xiàn)有廠房和設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了小型化、簡(jiǎn)單化生產(chǎn)線的目的。建成了世界面積最小、單位占地產(chǎn)能最高的涂裝車間，總裝成為世界范圍和中國(guó)乘用車行業(yè)最短、單位長(zhǎng)度產(chǎn)能最高的生產(chǎn)線。第三工廠占用的土地面積相比第二工廠下降了50%，投資減少25%，效率提升了25%。

汽車沖壓模具設(shè)計(jì)SSC

SSC 理念的應(yīng)用能降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率。模具設(shè)計(jì)是工裝設(shè)備的設(shè)計(jì)，新工廠規(guī)劃設(shè)計(jì)包含廠房和設(shè)備的設(shè)計(jì)。如果將SSC 理念引入模具設(shè)計(jì)，應(yīng)用于汽車沖壓模具行業(yè)，將對(duì)當(dāng)前汽車模具行業(yè)和汽車整車廠有重要的意義。將SSC套用到模具設(shè)計(jì)上，SSC 就是通過工藝的簡(jiǎn)單化(Simple)、機(jī)構(gòu)的緊湊化(Compact)、模具的小型化(Small)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的快速、順暢化(Smart)，如圖1 所示。

圖1 模具設(shè)計(jì)SSC 的含義

工藝簡(jiǎn)單化是指通過優(yōu)化工藝設(shè)計(jì)使工藝更合理，工序數(shù)更少。工藝簡(jiǎn)單化、合理化，可以減少模具數(shù)量，減少模具投資，減少模具存放面積，減少備件量及備件存放面積，減少生產(chǎn)設(shè)備降低能源費(fèi)、設(shè)備費(fèi)，減少模具故障和維保工作量，減少工裝和生產(chǎn)準(zhǔn)備費(fèi)用，降低模具故障率提高運(yùn)轉(zhuǎn)率。

機(jī)構(gòu)緊湊化是指減少不必要的功能設(shè)計(jì)(如氣缸+插刀兩套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來驅(qū)動(dòng)CAM)，優(yōu)化不合理的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)(如一些設(shè)計(jì)不良、經(jīng)常損壞的旋轉(zhuǎn)CAM、滑動(dòng)CAM 設(shè)計(jì)方式)，優(yōu)化不合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(如開裂多發(fā)的壓料板設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)等)，使機(jī)構(gòu)功能完備，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、科學(xué)，可靠性高、故障率低，減少模具開裂、損壞，提高生產(chǎn)安全性，降低維保工作量，降低模具維保成本；減少標(biāo)件用量，減小模具重量等目的。

模具小型化是指減小模具設(shè)計(jì)尺寸，減小模具重量，提高鑄造工藝性等。通過模具小型化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)減少生產(chǎn)能源費(fèi)，提高生產(chǎn)安全性，減小模具投資，減少模具存放面積，減少鑄造缺陷等目的。

通過工藝簡(jiǎn)單化(Simple)、機(jī)構(gòu)緊湊化(Compact)、模具小型化設(shè)計(jì)(Small)，使模具工藝合理、功能完備、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單科學(xué)，實(shí)現(xiàn)成本低，故障率低，可靠性高，最終達(dá)成快速、順暢化(Smart)生產(chǎn)的目的。

工藝簡(jiǎn)單化(Simple)

實(shí)現(xiàn)工藝簡(jiǎn)單化，包括優(yōu)化工藝設(shè)計(jì)、開展生產(chǎn)組合；優(yōu)化、組合工藝，減少工序數(shù)；優(yōu)化拉延工藝，減少坯料尺寸等幾個(gè)方面。

⑴優(yōu)化工藝設(shè)計(jì)、開展生產(chǎn)組合，設(shè)計(jì)更科學(xué)、更簡(jiǎn)單的工藝方式。不同件的并模生產(chǎn)方式、左右件組合生產(chǎn)方式(圖2)、不同件的一出多組合生產(chǎn)方式(圖3)，可以極大降低生產(chǎn)成本和提高生產(chǎn)效率，工藝設(shè)計(jì)要有意識(shí)地進(jìn)行這方面的分析、嘗試。

圖2 左右件組合生產(chǎn)方式

圖3 不同件的一出多組合生產(chǎn)方式

盡量避免使用刺破工藝。尾門、前后門拉延經(jīng)常用到的刺破工藝，基本都會(huì)帶來掉鐵屑的問題，造成零件壓傷，需要停線抹模，嚴(yán)重影響品質(zhì)和生產(chǎn)效率。這種工藝存在無法完全消除掉鐵屑問題的先天缺陷，工藝設(shè)計(jì)應(yīng)避免采用，應(yīng)設(shè)計(jì)出更科學(xué)的工藝。

盡量避免坯料需要落料。很多尾門內(nèi)、外板可以設(shè)計(jì)成不需要落料的工藝，設(shè)計(jì)時(shí)要有意識(shí)地開展無落料工藝分析。

⑵產(chǎn)品設(shè)計(jì)有先天缺陷的要提前修改產(chǎn)品設(shè)計(jì)。一些產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)如果在兩個(gè)以上有類似設(shè)計(jì)的車型出現(xiàn)了問題，就要分析這種造型設(shè)計(jì)是否有先天的缺陷，如果確定是的要提前修改產(chǎn)品設(shè)計(jì)，不要一次次的把問題帶入模具調(diào)試階段，帶來調(diào)試的困難和多做很多無用功。

要分析CAE 失真風(fēng)險(xiǎn)。CAE 失真是一個(gè)很大的工藝風(fēng)險(xiǎn)，失真的分析使問題沒有在工藝分析階段暴露出來，到了模具調(diào)試階段才被發(fā)現(xiàn)，由于要保證整個(gè)新車型計(jì)劃的推進(jìn)及受各種因素的影響，這些問題可能將無法解決。工藝分析階段要注意分析是否存在CAE 失真的風(fēng)險(xiǎn)，要認(rèn)真、反復(fù)確認(rèn)，盡最大努力避免判斷失誤。

工藝分析要消除所有工藝風(fēng)險(xiǎn)。在工藝分析階段要力求在這一階段解決掉所有分析出來的問題，不能把問題留到模具調(diào)試期，給模具的制造、調(diào)試帶來困難。

⑶開展工藝優(yōu)化、組合，減少工序數(shù)。在確保工藝合理和產(chǎn)品品質(zhì)的前提下應(yīng)盡量減少工序數(shù)。實(shí)現(xiàn)4 序減成3 序，3 序減成2 序生產(chǎn)，每減少一序就減少一套模具，生產(chǎn)就減少一序的能源消耗，模具存放面積和模具維保工作量也相應(yīng)減小，對(duì)減少投入、降低成本有重要意義。部分頂蓬、門外板、前后蓋是可以實(shí)現(xiàn)3 序生產(chǎn)的、部分前地板還可以實(shí)現(xiàn)2 序生產(chǎn)，工藝設(shè)計(jì)要充分開展分析優(yōu)化。

⑷優(yōu)化拉延工藝，減小坯料尺寸。減小坯料尺寸可以提高材料利用率，降低生產(chǎn)成本?？梢酝ㄟ^直接優(yōu)化工藝設(shè)計(jì)減小坯料尺寸，也可以通過淺拉延、開口拉延、二次成形等一些工藝技術(shù)來減小坯料尺寸。優(yōu)化拉延筋設(shè)計(jì)是直接優(yōu)化工藝減小坯料尺寸最常見的手段，如外板能方筋拉出來的用方筋，地板等成形難度不大的零件能用S 形筋的就用S 形筋。淺拉延、開口拉延和二次成形對(duì)于減小坯料尺寸效果顯著，側(cè)圍翼子板等能采用淺拉延設(shè)計(jì)的應(yīng)多用淺拉延(圖4)，發(fā)蓋、尾蓋等能開口拉延的要采用開口拉延設(shè)計(jì)(圖5)，門內(nèi)板應(yīng)多采用二次成形(圖6)。

圖4 側(cè)圍的淺拉延工藝

圖5 發(fā)蓋的開口拉延工藝

圖6 門內(nèi)板二次成形工藝

機(jī)構(gòu)緊湊化(Compact)

實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)緊湊化，要減少不必要功能設(shè)計(jì)，優(yōu)化不合理機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，優(yōu)化不合理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

⑴減少不必要功能設(shè)計(jì)。要減少數(shù)量過多的、面積過大的、功能重復(fù)的設(shè)計(jì)。如過多的、面積過大的靠背、支撐設(shè)計(jì)，功能重復(fù)的插刀和氣缸兩套驅(qū)動(dòng)的斜沖機(jī)構(gòu)，多余的沒有任何實(shí)際意義的夾料翻邊設(shè)計(jì)等。

除了翻邊、整形鑲塊由于側(cè)向力大需要設(shè)計(jì)支撐，一般的切邊鑲塊有銷釘就足夠了，沒有太大必要設(shè)計(jì)支撐。本田的模具切邊鑲塊一般不設(shè)計(jì)支撐，僅僅依靠銷釘定位螺釘鎖緊。在有銷釘定位的前提下，設(shè)計(jì)過多、過大的靠背、支撐沒有必要，要減少不必要的支撐(圖7)。水平安裝或接近水平安裝的導(dǎo)板(CAM 用)不需要設(shè)計(jì)支撐，水平布置的頂升導(dǎo)板和豎向、傾斜安裝的導(dǎo)板要設(shè)計(jì)支撐(圖8)。支撐面不必設(shè)計(jì)太大，太大增加裝配難度，容易影響裝配質(zhì)量。一般一個(gè)鑲塊有兩個(gè)支撐面，每個(gè)支撐面有30mm×20mm 左右就足夠大。導(dǎo)板支撐不要設(shè)計(jì)太高，10mm高就足夠了，寬度10～20m，太高反而不好。翻邊、整形的支撐位置可設(shè)計(jì)高一些，盡量與翻邊、整形工作面同一水平，有利于改善受力。斜楔斷裂多發(fā)，必須盡可能設(shè)計(jì)較大支撐以加強(qiáng)斜楔的強(qiáng)度，防止疲勞損壞。

圖7 不必要的支撐

圖8 必須有的支撐

設(shè)計(jì)必須的、足夠強(qiáng)度的支撐(圖9)使強(qiáng)度更好，防止斷裂。要優(yōu)化斜沖機(jī)構(gòu)有插刀和氣缸兩套重復(fù)驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)，取消受力不合理，容易發(fā)生斷裂的插刀設(shè)計(jì)，避免動(dòng)作的不良和機(jī)構(gòu)的損壞。要取消沒意義的夾料翻邊設(shè)計(jì)。

圖9 兩套驅(qū)動(dòng)的CAM

⑵要優(yōu)化不合理的CAM 設(shè)計(jì)，以滑動(dòng)CAM 和旋轉(zhuǎn)CAM 為代表的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，較多存在結(jié)構(gòu)不合理，受力上設(shè)計(jì)不科學(xué)，動(dòng)作上存在竄動(dòng)、干涉等問題，要進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，改善受力，消除干涉，防止損壞。CAM 的常見不良有：①受力偏載，包括非標(biāo)CAM 使用受側(cè)向力且未設(shè)計(jì)支撐進(jìn)行力平衡(圖10a)，標(biāo)準(zhǔn)CAM 被用于翻邊、整形等產(chǎn)生了側(cè)向力場(chǎng)合未設(shè)計(jì)支撐。②設(shè)計(jì)不良。包括非標(biāo)CAM 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不符合技術(shù)要求造成偏載(圖10b)，非標(biāo)CAM 的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足，非標(biāo)CAM 設(shè)計(jì)動(dòng)作不符合技術(shù)要求，非標(biāo)CAM 的設(shè)計(jì)導(dǎo)向不良，非標(biāo)CAM 的設(shè)計(jì)約束不良等。最常見的造成CAM 損壞的設(shè)計(jì)問題是偏載和約束不良、動(dòng)作存在竄動(dòng)(點(diǎn)頭效應(yīng))。如果不是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題，偏載可以通過加個(gè)支撐進(jìn)行平衡。要減少竄動(dòng)發(fā)生，CAM 滑塊支承面與驅(qū)動(dòng)力交叉點(diǎn)到支承面末端距離必須不小于10mm(圖11)。對(duì)于復(fù)雜的非標(biāo)CAM，其可能承擔(dān)切邊、沖孔、翻邊、整形等多種工藝，受力復(fù)雜，左右導(dǎo)向不平齊。要防止出現(xiàn)竄動(dòng)，要求CAM 承受的沖壓力的合力線與CAM導(dǎo)向線的交點(diǎn)必須盡量在導(dǎo)向面范圍內(nèi)且距離導(dǎo)向端點(diǎn)不小于10mm，如圖12 所示。

圖10 偏載損壞的非標(biāo)CAM 和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就偏載的CAM

圖11 CAM 受力與支承面的技術(shù)要求示意圖

圖12 復(fù)雜、非標(biāo)CAM 的受力與支承要求示意圖

要盡量避免使用旋轉(zhuǎn)CAM。旋轉(zhuǎn)CAM 存在一些先天的不足，如存在間隙導(dǎo)致壓料不緊、零件變形等，旋轉(zhuǎn)CAM 還特別容易損壞(圖13)，損壞后維修困難、更換麻煩，要盡量避免使用旋轉(zhuǎn)CAM。如果不能不使用旋轉(zhuǎn)CAM，要盡可能對(duì)旋轉(zhuǎn)斜楔進(jìn)行優(yōu)化，消除隱患或降低影響。特別要加強(qiáng)受力分析和運(yùn)動(dòng)分析，盡可能地避免發(fā)生損壞。如果能用DOUBLE CAM 代替旋轉(zhuǎn)CAM 要盡量選用DOUBLE CAM 的形式。

圖13 損壞的旋轉(zhuǎn)CAM

⑶要優(yōu)化力學(xué)上不合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。如側(cè)圍后翼子板后下部壓料連接設(shè)計(jì)、翼子板壓料板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(圖14)。要優(yōu)化以側(cè)圍、翼子板等的壓料板不符合力學(xué)要求容易損壞的設(shè)計(jì)(圖15)。類似結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在力學(xué)上存在嚴(yán)重不合理，極易損壞。強(qiáng)度上存在不足，結(jié)構(gòu)上存在應(yīng)力集中。優(yōu)化設(shè)計(jì)能改善受力提高強(qiáng)度，還能壓縮模具尺寸。

圖14 側(cè)圍、翼子板不良結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)導(dǎo)致的損壞

圖15 側(cè)圍、翼子板結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

要優(yōu)化以側(cè)圍、翼子板模具為主的一些小壓料塊不合理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)防止損壞(圖16)。以側(cè)圍、翼子板為代表的模具存在非常多這類小壓料塊，開裂損壞多發(fā)，主要問題在導(dǎo)向設(shè)計(jì)不良、限位設(shè)計(jì)不良、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不良等方面，必須進(jìn)行優(yōu)化。

圖16 小壓料塊的損壞

要盡量避免門內(nèi)、外板等一模兩件的模具兩壓料板連接設(shè)計(jì)。類似連接筋設(shè)計(jì)力學(xué)結(jié)構(gòu)上存在嚴(yán)重隱患，強(qiáng)度也無法設(shè)計(jì)達(dá)到要求(圖17)，要避免類似結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。如果不能避免也要最大限度進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。

圖17 不良連接筋設(shè)計(jì)