新型汽车模具公司技术准备与生产特点

吴云龙

工信部和国家发展改革委联合颁布的《汽车产业发展政策》(2004年颁布实施，2009年修订——编者注)中明确提出“支持设立专业化的模具设计制造中心，提高汽车模具设计制造能力”。在国家政策大力支持汽车产业发展的宏观背景下，笔者所在的合肥常青机械股份有限公司拟新建具备现代技术条件的汽车模具公司，主要方向为汽车冲压模具、检验夹具、汽车零部件、模具标准件等。规划投资约为1亿元，年产冷冲模具能力为3000 t、销售额约1亿元、厂房建筑面积1.5万m2，办公面积2500 m2，并为此制订了汽车冲压模具制造基本工艺流程与工厂工艺布局。

1 汽车冲压模具制造工艺流程与布局

1.1 汽车冲压模具制造工艺流程

汽车冲压模具占汽车模具总量的40%以上，具有工作型面复杂、技术标准较高等特点，属技术密集型产品。按冲压的汽车覆盖件类型，汽车冲压模具可分为外覆盖件模具、内覆盖件模具和结构件模具。车身覆盖件模具的设计与制造是整个汽车行业中最关键的部分，在冲压模具中具有很重要的代表性，也是衡量新型汽车模具公司技术与制造水平的关键要素。

天津、一汽、东风等汽车模具公司走在行业前沿，它们的水平已达到或接近国外(如日本丰田)模具公司的先进水平，模具制造技术与工艺流程较传统设计与制造方式有了质的变化，虽然这些大型模具企业管理、组织结构、承接模具业务等具体情况不尽相同，各企业制定的具体工艺流程也有差异，但目前汽车模具制造的基础工艺流程还是一致的。

笔者所在单位通过认真地分析并借鉴国内外汽车模具公司的成功经验，制定了汽车冲压模具制造工艺流程如(图1)。

1.2 现代技术条件的汽车模具公司工艺布局

笔者所在公司拟新建汽车模具公司的工厂工艺布局如(图2)

以先进的数控加工设备为主的汽车模具公司工艺平面布局，应充分考虑物流与非物流因素，根据各工作面区域，以及其综合关系的关联程度，确定相互间的位置，力求做到各功能区划分明确。工艺、物流路线应设计合理，减少工艺过程中的不必要的迂回往返，并有利于综合管理(汽车模具工厂范例参见图3)。

1.3 新建汽车模具公司设备及预算情况(见表1)。

表1 新建汽车模具公司设备及预算情况 万元

2 新型汽车模具公司技术准备

2.1 汽车冲压件模具设计标准化

2.1.1 模具设计标准化

为了提高模具设计效率和模具标准件的使用率，应制定模具结构的规范化、系列化和标准化法规文件，为技术设计人员提供设计的法规依据。

模具设计师、工艺师需准确使用主机厂提供的产品数模、产品图和专项技术要求，并以模具设计标准与模具验收标准等技术资料作为设计输入，充分运用模具设计标准数据库，包括单独零件的标准零件、含有装配结构的标准部件、模架结构数据库及典型模具结构数据库。推广使用模具标准件，包括中小模具模架、冲切装置、导向装置、限位装置、定位装置、压退料装置、斜楔侧冲装置、气动装置和氮气弹簧、弹簧回程装置等。

设计标准化的对缩短模具供货周期、提高设计效率、稳定模具质量都发挥着重要的作用。

2.2 计算机辅助4C集成技术应用

2.2.1 汽车模具制造业4C系统

汽车冲压模具属于工具产品，精度高、结构复杂、对材质要求高，其成形过程是封闭式的，不能直观地了解金属材料的微观机理变化与流动。在传统汽车模具开发过程中，模具设计制造带有很强的盲目性和经验性，设计科学性差，对经验的依赖性强，一般需要反复修改试制才能满足要求。因而模具试制周期长，再设计的可能性加大，从而使模具的总成本增加。国外曾在1条汽车装配线上对50多个案例进行实地分析，结果表明造成车身尺寸误差变动的诸多原因中，冲压件本身尺寸造成的累积误差占23%，其主要原因是基于经验和原有工艺基础和低技术水平而设计制造的传统汽车模具。

当今科学技术的进步，使汽车模具制造业摆脱了传统机械加工生产方式。汽车冲压件模具，特别是车身覆盖件模具设计与制造过程中，4C(即CAD/CAE/CAPP /CAM技术)系统已得到广泛运用，该系统以计算机与数控机床为主要设备，以覆盖件的数学、力学模型为依据，直接有效运用于模具设计与成形分析及制造技术的各个环节。

2.2.2 汽车冲压模具虚拟制造技术

模具制造业的虚拟制造技术是近几年新兴的一种软件技术，是CAD/CAPP/CAE/CAM和仿真技术的高级阶段，4C集成技术是现代化汽车模具企业生产管理的发展方向。

在传统汽车模具开发过程中，当模具设计及制造完成后，需要经过反复的调试及修模，才能得到满意的零件。在调试过程中，一些已经形成的缺陷，如冲压件的破裂、起趋、回弹等问题，主要凭借钳工的经验进行反复的试模修模的循环过程，这种方法不仅降低了生产效率，而且生产出的模具精度往往达不到预期要求。

虚拟制造技术的引入，使这些问题得以解决。在虚拟现实环境下，4C技术可以应用于模具的设计、分析、制造，技术人员利用虚拟的仿真环境，将产品及其对应模具的结构分析、虚拟设计、部件装配和性能优化等融合在计算机虚拟制造系统中进行，并对模具结构、模具几何尺寸、分型面确定、成形机吨位的选定、加式工艺、生产制造等进行交互式的快速建模及仿真分析，从而避免了反复修模。生成的仿真模型可直接操纵和修改，数据可反复利用，从而大大缩短模具的工发周期。有数据表明，采用虚拟技术模具开发周期平均缩短30%～40%，开发成本降低30%～40%。

虚拟制造技术，是汽车模具开发过程中最具潜力与实用有效的技术之一。模具制造企业对该技术的掌握并高效应用，将保持其在行业技术领先优势，为企业带来良好的经济效益和市场效益。

2.2.3 计算机辅助4C技术的应用软件

目前，国内大中型汽车模具制造企业已广泛采用了CAD/CAM/CAPP/CAE数字化制造技术，从以依赖建造实物主模型为加工依据的传统加工方式，转变为以数字化模型为加工依据的现代化汽车模具加工方式，极大地提高了汽车模具的设计效率和加工精度。

其中CAE计算机辅助工程技术是基于产品数字建模，对结构进行分析与优化的重要工具，主流软件有AutoForm、DynaForm、Pam-Stamp等。该技术在汽车模具，尤其是在车身覆盖件模具冲压成形中的应用卓有成效，通过对拉延工序进行冲压成形模拟分析，利用有限元分析技术预测和解决模具调试阶段可能出现的诸如起皱、拉裂、回弹、暗坑、冲击线、滚线等缺陷，提前预知成形缺陷，并根据理论上的模拟分析结果，采取有效措施进行工艺参数的调整与优化，分析评估汽车覆盖件冲压成形的可行性，减少模具实际调试次数，提高模具调试成功率。

2.2.4 主流仿真分析软件AutoForm和DynaForm的比较

(1)主流分析软件背景

用于各工程领域的CAE技术软件有很多，然而在汽车模具制造领域，CAE冲压软件中3大冲压分析仿真软件分别是瑞士A-F公司的AutoForm系统；美国ETA公司的DynaForm系统和法国ESI集团的Pam-Stamp系统。

在这3款主流软件中，Pam-Stamp系统设置比较繁复，经常需要手动修订，自动化程度低；在回弹补偿方面，从计算结果与实际状况上看，容易出现破裂，失效风险大，应用不广泛。因此，本文主要对AutoForm和DynaForm进行分析和比较。

(2)AutoForm和DynaForm介绍

汽车模具制造业较早引入的是AutoForm软件系统。用户界面友好、运算速度快是AutoForm最显著的特点，该系统软件流程清晰，比较容易学习、操作简便易上手，在国内制造行业拥有众多用户。但是AutoForm系统的计算精度稍差，其膜单元(Membrane)算法不容易从结果中判断起皱(折叠太严重，不能计算)、回弹等问题，在4.0版本中加入壳单元(Shell，仍没有弯曲)后，计算速度降低并且计算不是很准。

DynaForm系统计算速度相对较慢，参数繁多，不易上手，通常非专业工程人员很难掌握，然而DynaForm系统在成形分析方面的优越性，是专业汽车模具制造中不能忽视的。

Dynaform 软件基于有限元方法建立，被用于模拟钣金成形工艺，主要包含BSE、DFE、Formability3大模块，几乎涵盖冲压模模面设计的所有要素，包括：最佳冲压方向、坯料的设计、工艺补充面的设计、拉延筋的设计、凸凹模圆角设计、冲压速度的设置、压边力的设计、摩擦系数、切边线的求解、压力机吨位等；析精度与自动化程度高，非常方便并稳定地对全工序的冲压过程进行模拟分析；拥有强大的后处理功能，能够提供包括FLD曲线图、变薄率、最大最小主应变、材料边界流动、板料位移等指导性参数，进行产品的优化设计。

(3)运用分析软件需要理论与实际经验支持

冲压过程的分析需要经验积累，不同零件及工况需要不同的设置参数，分析结果的准确度不能仅仅靠软件，材料数据的积累、分析工程师的实践经验都很重要。使用DynaForm等分析系统还需要具备相应的有限元理论、弹性力学、塑性力学等专业理论知识，分析工程师使用分析软件时，应集理论、软件运用、实践经验于一体。

3 新型汽车冲压模具公司生产特点

3.1 新型汽车模具公司的大规模生产关键要素

(1)提高材料利用率。对于大批量汽车生产来说，提高板料的利用率是模具设计的第一要素，只要能把材料利用率提高几个百分点，模具的成本就可忽略不计。

(2)减少冲压工序。模具设计的趋势是零件的合并、左右对称件合模、前后顺序件合模等等，原来几个件合成一个件，不同的件合在一套模，单件工序大大减少，整车模具数量也会越来越少，这对降低冲压的成本起关键作用。

(3)冲压自动化。为适应冲压线完全自动化，模具必须考虑机械手上下料，废料的自动排出，气动、自动和传感装置的普遍采用等；

(4)模具材料的选用。不同主机厂对模具材料的选用都有不同的要求，目前拉延模材料主要采用球墨铸铁，而不是国内以前大多用的合金铸铁。球墨铸铁焊接性能及可加工性能好、耐磨性能和表面淬火硬度都比较理想，而成本也比合金铸铁要低得多。

3.2 汽车冲压模具结构设计与数控加工

3.2.1 实体设计

模面设计与结构设计分开进行，模具结构设计是实体设计，而模面设计是曲面设计。在结构设计中模面部分只是示意性的，可用于实型加工，不能用于模具加工。这种分工大大简化了模具实体设计。

实体设计直接面向制造，其设计的繁简程度因加工需要而定。在实体设计的基础上，对拉延模等一些结构典型而标准化较高的模具，可以进行设计软件的二次开发，配备具有一定功能的辅助程序，做到半自动设计。这使得普通技术员都可以完成结构典型的拉延模结构设计，从而降低人力成本。

3.2.2 实型数控加工

目前各模具制造厂家已基本都在使用实型制作工艺。实型的数控化加工生产，是通过对实体模型的工艺编辑、数控编程、泡沫毛坯下料、数控加工、人工粘接和修整等几道工序完成的。该工艺将实型的生产员工从手工制作转变到大量的数控编程上来，数控化生产直接提高了铸件的精度，为后序的精细加工带来极大的便利。

3.2.3 构造面数控加工

模具构造面就是模具型面以外的机加工面，有导向面、镶块安装面、螺钉孔等，这些也都依靠编程和数控加工。构造面加工的编程化，可以大大提高机加工效率，减少现场的人为操作失误，提高加工的自动化程度。该工艺需要有自动对刀、刀具管理、加工参数、编程经验等基础。

3.2.4 机械加工中粗精加工分开进行

汽车模具企业的加工设备主要有3轴以上的数控铣床、研配压床、试模压力机、5轴数控激光切割机、3坐标测量机等。随着汽车制造水平的提高，汽车冲压件分块越来越大，也使得冲压模具更大、更复杂。因此，加工设备的工作面一般在2000×4000 mm2以上。模具加工设备必须具备精度高、功能多等特点，如5轴联动数控铣床及高速精密数控铣。

通过调整生产组织方式和加工流程，能够缓解企业的投资压力、降低模具开发成本。采用粗加工和精加工分开进行可满足这一要求，一般由4台粗加工设备和1台精加工设备组成一个加工单元，即一个模具企业要达到合理的规模和一定的水平，数控铣床应不小于5台，并根据数控铣床的加工能力来配置其他设备。

3.2.5 并行工程与先行供件

当前汽车模具公司的生产组织中，并行工程的运用广泛。模具开发过程中的技术准备、生产准备、模具加工和调试等各工序之间应尽可能地实行并行，即生产准备、加工工艺及数控程序设计并行。首先安排拉延、成型类模具，其次是翻边整型类模具，然后是修边冲孔类模具，最后是落料冲孔类模具。这样才能做到均衡生产，提前为主机厂提供样件。

为进一步缩短模具开发周期，一般在拉延、成型、翻边整型类模具完成之后，都利用5轴数控激光切割机完成落料、修边、冲孔等工序，先提供冲压样件，让主机厂先进行组装车身、试装车、可靠性实验、验证设计、调试装焊线等，模具制造公司则可以利用这段时间完成修边、冲孔、落料类模具的开发。

我国汽车工业的快速发展，拉动了汽车模具制造业的繁荣，该领域商机潜力巨大、市场前景良好。国务院颁布的《装备制造业调整和振兴规划》也提出“重点发展大型精密型腔模具、精密冲压模具、高档模具标准件”。本文针对新型汽车模具公司的技术与工艺准备等方面进行介绍，期待为同行在优化产品结构、扩大生产规模、完善产品链条进程中，提供经验借鉴。