规模化模具生产的关键技术与管理

模具不同于一般的制造业产品，其最大的特点是单件订单生产，每套模具从设计到制造都是一个新品开发的过程，基本上不存在重复制造一模一样模具的情况。因此，很多人都认为，由于模具的这些不可控特点，使得模具制造厂家的规模不可能很大，产能也不能做得太满。但是，随着一些先进技术在模具领域的应用，模具的开发过程发生了根本变化，尤其是技术进步促进了模具生产管理的进步，使得规模化模具生产成为可能。

规模化模具生产具有几个特征：产值较大；服务的客户多，项目多、标准杂；参与生产协作的企业多。冲压模具开发的一般流程是：冲压工艺设计－模具结构设计－泡沫型制作－铸件及标准件采购－机械加工－模具装配－模具调试。本文主要从汽车冲压模具生产的主要环节讨论支撑规模化模具生产的关键技术及管理。

冲压工艺知识库及智能化工艺设计

1．冲压工艺知识库

冲压工艺是冲压模具技术的核心内容，冲压工艺做得好坏直接影响到出件的质量和周期。长期以来，冲压工艺都依赖于经验，因此，即使是同一个零件在不同的人看来，都会有不同的工艺方案，而且在设计阶段往往还不好评价优劣，待到调试时已没有可比性。这种现象一方面说明工艺方案不具备惟一性，只有更好；另一方面说明这项内容缺乏可控的标准，质量没有保障。如何实现冲压工艺的控制和规范，在冲压模具技术中最为重要，要实现规模化生产首先要解决这个难题。

对于汽车覆盖件冲压模具来说，一个车型大致有300～400个冲压件，按制件的特征分类大概几十种，每个制件中能够影响工艺的难点或特征点一般只有几处，因此，可以根据这样的特征分类建立知识库，应用KBE技术加上人工交互功能，开发基于知识工程的智能冲压工艺分析系统，依靠软件技术保证优化的、标准的工艺结果。这项技术应用可以打破经验的障碍，让稍有一些冲压知识的人就可以完成这些工作。图1所示为冲压工艺知识库模板的界面。

图1 冲压工艺知识库模板

值得一提的是，对冲压工艺分析的影响除了工艺经验之外，还有车身零件本身的设计问题。一项好的产品设计除了满足功能、美观等要求外，还应该考虑产品的制造工艺性和成本。实力较强的汽车公司一般都有自己的车身冲压工艺部门，其作用就是在车身设计阶段进行产品制造工艺性分析，并提供改进建议，如果是变形车设计，还会将以前的一些问题反馈到本次更改中。这样的车身模具开发难度也大大降低。相比之下，国内一些汽车车身设计中遗留的冲压工艺问题较大，一旦数模封版，更改的流程复杂、难度很大，既影响开发周期，也会留下质量隐患。因此，现代车身模具开发中，车身设计阶段的冲压工艺性分析越来越重要，也是掌控模具开发的重要环节。冲压工艺作为模具开发的前端技术要逐渐融入到汽车车身设计过程中，这个需求将促进模具企业与汽车公司、设计公司的战略联盟。

2．冲压CAE辅助工艺分析

CAE技术在冲压模具领域的应用是模具行业的一项重大技术革命。现在的冲压CAE软件基本上都是基于有限元理论开发的，国际上比较流行的软件有 AUTOFORM、DYNAFORM和PAM-STAMP等。随着CAE软件在模具行业的推广，软件的功能也在不断完善和加强，目前的软件能够完成拉伸、修边、翻边、整型和回弹（见图2）等全过程仿真计算分析。

图2 回弹的计算分析结果

冲压CAE技术的应用效果要发挥好它的几个功能：

（1）建立基于CAE分析结果的冲压工艺评判标准体系，成为控制工艺的依据；
（2）融合冲压工艺经验，将CAE分析与知识工程结合，成为优化冲压工艺的工具；
（3）结合冲压调试的实际测量，为辅助调试提供参考依据；
（4）基于CAE分析的工艺控制要有充分的裕度，提高对实际冲压条件的适用性。

标准化、模板化的快速模具结构设计

随着CAD软件技术的发展，参数化三维设计在模具领域得到了广泛应用，目前在冲压模具领域应用的三维CAD软件有CATIA、UG和Pro-E等，这几种软件都具有较强的参数化功能。满足规模化模具生产的要求，提高模具结构设计速度、缩短设计周期是一个重要条件。依靠参数化设计软件，研究各类冲压模具的结构特征，开发模板化设计系统，可以减少重复的结构设计，显著提高设计速度。但是，由于模具结构设计的单一性，追求一个万能的模板化系统并不可行，但可以通过采用关联的标准化参数化局部典型结构，使模具的设计过程变成局部参数化结构的累积过程，通过软件布尔运算实现。模具模板化设计系统见图3。

图3 模具模板化设计系统

模具结构设计是工艺的具体实现，传统模具设计流程中，同一制件的各序模具结构设计由不同的人完成，相互间的交流少，上一道工序的设计变更信息不能及时传递，而生产中由于工艺变更影响模具结构更改的情况时有发生，导致下一道工序实际上浪费大量时间在做无用功。对于一个确定的工艺，各工序之间是有相互联系的，如果将工艺间的联系在各序模具结构中也能联系起来，则可以实现模具设计中的各序并行。实现并行设计的关键技术是关联设计，现在一些软件的基于知识工程的模块系统已经能够帮助实现关联设计。通过关联设计，还可以实现近似零件的模具设计资源重复应用，缩短设计周期。

模具设计中的另一个难题是质量控制。单纯从模具开发的角度而言，基本不存在在现有模具上改进得到的可能性。那么应该经历“模具设计－实物验证－修改设计－正式制造”的过程，才可以保证产品的质量，但是，由于周期和成本的问题，“实物验证”与“正式制造”往往被合为一个环节，因此，实际生产中会出现各种各样的“异常”，这些“异常”影响了产品质量和周期，甚至搅乱整个生产计划，问题的根源在于缺少验证过程。应用先进的数字化手段，可以实现“数字验证 ”替代“实物验证”。具体方法是：

（1）建立规范的设计方法，避免不规范的个人设计习惯带来异常问题；

（2）建立严格的质量控制流程，把好审校关；

（3）利用先进数字化软件技术进行有针对性的校核，如：开发CAD软件功能模块，进行自动干涉检查；利用有限元软件进行结构强度分析；利用流铸分析软件进行铸件铸造性分析；利用机构运动仿真软件进行模具和冲压线动态运动分析；利用刀具运动仿真软件进行加工性分析等。图4为模具铸造过程仿真结果。

图4 模具铸造过程仿真

“数字验证”替代“实物验证”可以实现质量控制，但是如果每套模具都经过这样的流程，则会花费大量的时间，因此，依靠数字化仿真计算建立各种设计标准，通过软件的校对检查功能来实现各种质量参数的控制才是最为有效的方法。

高速、高精密数控加工

高性能数控铣削加工技术以其高的加工精度和高的切削进给速度二者的优良匹配，成为高品质汽车模具制造的核心技术之一。模具自由曲面的高性能数控加工可以大大地提高模具加工精度、缩短加工时间，从而提高模具的制造质量和生产效率。

刀具路径设计规划是自由曲面高性能数控加工的首要任务。传统的刀具路径设计规划以被加工零件的几何特性为依据，根据经验设计刀具路径和设置切削参数，然后将其转化为数控加工代码，由数控设备来实现其切削加工。这样的刀具路径要实现高速、高精度数控加工则需要数控系统具有非常好的程序预处理、监控等先进功能，这些功能可以在控制加工的同时扫描待加工的数控代码，并根据其计算方式相应地调节进给速度。一些数控系统还具有更好的针对高性能加工的智能误差补偿和轮廓控制功能。这些硬件上的先进功能，为保证零件加工精度起到了关键的作用。

模具加工中还需要考虑的问题是加工效率及可靠性。应用加工轨迹优化技术可提高加工效率，但由于设计或铸造失误可能引起加工实体与设计尺寸不符，造成加工撞刀的现象，因此，加工前对实体铸件要进行检测确认，应用仿真技术进行加工过程仿真（见图5），确保加工的可靠性并优化加工路径。

图5 加工过程仿真

高性能数控铣削加工和刀具路径优化设计解决了单品模具制造问题，但是要保证大量模具的制造效率，则要求各种加工设备能力匹配合理。模具结构根据加工特点可分为模具本体、凸凹模、修边镶块和整型镶块等类型，根据类型组织专业化加工，可以显著提高效率。由于模具订单及类型的波动性很难预测，采用适当的专门化外协加工，是提高效率、控制成本的最有效途径。

数字化模具调试

模具调试是模具开发过程中的重要环节，由于缺少了前期“实物验证”过程，调试阶段还担当了发现设计缺陷或失误并改正的任务。它的完成质量和周期主要取决于3个方面：模具工艺和设计的质量；钳工的调试经验和水平；调试的硬件设备条件。现在大部分模具企业在这3个方面都缺少保障，模具调试阶段也是最“ 失控”的阶段，钳工常常像救火队员，哪个项目将到交货期就去赶哪个项目。

钳工的工作量主要体现在两个方面，即着色研合和出件调试。这两个方面也相互关联，提高研合率也是为了保证出件调试的质量。着色研合是为了保证上下模与工件均匀贴合，尤其对于外板件面品质量影响很大，这项工作一般靠钳工手工推模逐渐改善，有时工作量很大。上下模间隙分布情况，经着色研合后色料的厚度分布反映出来，通过“试着色研合－精密照相测量分析－二次精加工”，可以显著减少钳工研合量甚至无需研合，实现的关键要依照相色料的颜色深浅反映到厚度值，并对应到模具型面的加工修正，要由特殊的曲面处理软件来完成。制件着色研合见图6。

图6 制件着色研合

钳工的调试类似冲压工艺的阶段，可以依靠数字化手段，打破对经验的依赖，实现调试的标准化，其数字化手段主要依靠硬件。其实调试阶段冲压结果已非常客观，只要有精密的仪器进行测量，应用材料变形理论知识完全可以找到解决问题的方法，根本不需依赖经验。

调试也可以建立制件分类知识库，以这些测量数据为基础，开发基于知识工程的智能化调试分析系统，实现依靠软件系统的数字化调试技术。

数据的流程控制及规模数据管理

模具的生产过程包括：工艺－设计－实型制作－铸造、标准件采购－机械加工－调试，每个环节由不同的部门负责，大量的模具信息数据要在各部门间流动，而且来自上游的产品数据更改非常频繁，没有一个很好的流程控制和数据版本管理，结果不堪设想。PDM系统就是具有这样功能的信息系统（见图7）。

图7 PDM的数据管理

PDM技术最早出现于20世纪80年代初期，目的是为了解决大量工程图纸、技术文档以及CAD文件的计算机化的管理问题，后来逐渐扩展到产品开发中的3个主要领域：设计图纸和电子文档的管理、材料报表（BOM）的管理以及与工程文档的集成、工程变更请求／指令的跟踪与管理。利用PDM框架软件，底层以大型工程数据库为支撑，采用信息与功能适配器技术，分别开发与CAD/CAE/CAPP/CAM等软件系统的集成接口，实现多种信息的顺畅流转和平滑转换，实现统一数据源和各类数据的共享应用。PDM的流程管理见图8。

图8 PDM的流程管理

利用PDM系统还可以有效控制项目流程，监控项目管理，解决规模化模具生产的项目管理困难。在PDM系统中，数据流在规定的流程中传递，每个流程处理的节点都设有明确的责任人和督办人，当项目进程受阻时，很容易找到问题的症结进行协调处理。

产业链信息化管理

汽车模具产业链（见图9）的四大主体包括：汽车整车厂或委托冲压件协作厂；汽车模具龙头企业；汽车模具中小企业；铸造厂、标准件厂等供应商。目前产业链中的各主体企业基本处于各自为政状态，缺乏有效的联盟和协作，不能满足规模化模具生产的需要。面向产业链3个层次的业务需要开发相应的服务系统：客户协同系统、协同制造系统和供应协同系统，并集成统一的网络化平台，实现支持规模化模具生产的网络化协作是未来模具产业发展的重要形式。汽车整车厂或委托冲压件协作厂作为产业链的重要节点，可以通过平台实现订单的发布、项目跟踪和质量管理；汽车模具龙头企业作为产业链的主体，可利用平台寻求商机，分解订单、外协或采购，控制项目过程并实现基于业务的企业内外应用系统集成；汽车模具中小企业作为产业链主体的延伸，利用平台可获得订单、融入制造链、执行项目以及技术服务等，通过租赁或购买平台提供的软构件，实现企业轻量型的信息化；铸造厂、标准件厂等供应商，可获得供需信息、发布信息并完成交易。

图9 汽车模具产业链

网络化公共平台还可以解决资源重复浪费问题，实现汽车模具行业资源优化配置。目前整个行业现在的制造资源不能充分发挥作用，利用率较低，而公共服务平台正是实现行业跨越企业、优化利用企业资源的有效手段。通过建立网络化协同设计制造环境，利用遍布全球的信息网络，企业可以在广泛的地域范围内寻求合作伙伴，构成网上虚拟企业联盟，该联盟以市场为驱动，以共同利益为纽带，将不同企业和机构的制造资源动态连接起来，进而实现资源优化重组，并提高资源的利用率。

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