汽车冲压模具开发短周期化探讨

2023-08-25田灿腾广汽乘用车有限公司

锻造与冲压 2023年16期

文/田灿腾·广汽乘用车有限公司

汽车消费按传统属于大宗消费，汽车的使用寿命正常也能达到十年以上数十万公里的里程。但是，今天正处于汽车工业飞速发展的时代，智能代、电气化是当今汽车发展的趋势，推动汽车产品快速更新迭代，智能辅助驾驶、车机系统像手机系统一样快速更新升级，更快、更智能的需求又推动硬件(芯片、传感器等)不断更新提供性能支持。所以，在某种层面上，汽车正在向快速消费品转变，汽车传统的机械属性弱化，电子属性不断加强。

快速的更新换代催生激烈的市场竞争，最近几年汽车换代的周期一般是五年，整车开发的周期一般是36 个月以上。在激烈的市场竞争环境下，汽车换代周期三年也不足为奇，那相应的整车开发周期也会大幅缩短，未来24 个月的周期可能会成为常态化。

冲压作为整车传统四大工艺之一，新车型模具的开发周期是最长的，是整车开发的关键路径之一。在新的行业需求条件下，必将逐渐缩短开发周期。本文将对如何缩短汽车冲压模具开发周期展开探讨。

冲压模具开发过程

冲压模具开发过程，一般划分为设计、制造、调试等三个阶段。设计阶段包含两大部分，第一部分为早期的同步工程(SE)，与造型开发、车身开发同步推进，基于质量、成本、日程(一般称QCD)综合最优原则，分析产品的工艺性，提出产品改善问题点；第二部分为产品样车数据发布后的模具工艺和结构设计。设计完成后进入制造阶段，首先进行模具铸造，铸件完成后根据图纸进行加工和装配，装配完成上机动作排除干涉后交付调试。模具调试一般分为厂外调试(模具供应商处)和厂内调试(主机厂厂内)。厂外调试主要完成模具研配以及零件品质全面提升工作；厂内调试主要是生产线匹配，整车问题解决，生产问题(刃口碎屑、卡废料等)解决。

开发周期影响因素及对策探讨

设计阶段

高品质是设计出来的，不是制造出来的，设计是整个产品开发链条中最重要的一环。冲压模具的开发涉及2 个方面，产品层面的同步工程以及模具自身的工艺结构设计。

方案1：某车型发动机盖外板(图1)在产品开发阶段未充分识别到刚性不足风险，进入量产车试制阶段后，在主生产试制时发现零件搬运极易产生变形报废(图2)。做成总成后，刚性也不足，按压相比以往车型明显较易下塌。

图1 某车型发动机盖外板

问题产生的主要原因是产品的造型曲率较小(图3 为该发盖的曲率半径，曲率半径大，相应曲率较小)，最终的解决方案是工艺、产品设计部门联合对产品造型进行设计调整，增加产品曲率。完成后对模具全工序型面重新机加工，加强产品刚性。整个刚性课题整改的时长历时2 个多月，对模具的品培造成了较大的影响。

图3 曲率半径分析

方案2：某车型前地板(图4)的翻边为90°，工艺设计冲压方向也是90°，未预设置回弹角(一般设定3°)。试模阶段翻边出现明显的回弹(回弹量1mm 以上，基准0.5mm 以内)，采取的对策是将翻边间隙做小0.15 ～0.2mm，单机试冲无异常，翻边回弹也得到很好的控制，精度符合要求。回到母线批量连动生产，只生产30 台左右，翻边开始拉伤拉裂(图5)，大批量生产无法维持。

图4 地板翻边90°

图5 地板翻边拉伤

该问题产生的主要原因就是工艺设定上未设置回弹角度，零件的回弹无法完全消除。另外，该零件使用的板材是裸板，材质较脆，抗拉伤性较差，加剧了该问题。最后的解决方案是更改拉延工艺，翻边面拉延预成形，最后将回弹量控制在0.8mm 以内，不影响整车焊接。模具回母线后，仅仅拉伤课题的解决，就耗时约2 个月，最后更改拉延模具，对于地板类简单零件，代价很大。

通过以上案例看出，产品设计、模具设计的质量对后期产品制造的品质有相当大的决定作用，对调试周期的长短也有显著的影响。设计工作并不是以完成节点来评价，而是以最终产品的品质和量产的耐久性来评价。工艺与产品需要有良好的合作与互动，产品设计要考虑工艺与制造的客观现实条件和一般规律，工艺设计需要注重案例积累、过往不良问题检证和标准体系的建立和维护，定期总结更新。对于新产品特征和新工艺的使用，要有储备方案，在问题无法解决的情况下启用。车型结束后要尽快形成课题的书面总结资料，更新标准文件。图纸评审邀请车间和现场调试、维保经验丰富的同事参与，贴近生产制造现场。

技术创新也是必不可少的，大的创新且制造阶段无备用方案的，建议还是开试验模具。小的创新，只要有储备方案，应该大胆尝试，推动产品力提升。一个工艺成熟的产品，投产周期短。一个销量很好的产品，产品力很强。工艺性又好，产品力又高，这是永恒的课题。

厂外阶段

本文将模具开始投入铸造到回母线这段时期定义为厂外阶段。这个阶段主要涉及模具加工、装配、研配、验收、模具整改、零件整改等工作。对模具厂资源的需求量大。对于模具加工装配环节而言，所需周期完全由模具厂拥有的加工设备数量和装配工段的产能决定。诸如车门内外板一般8 个零件16 套模具，加工装配的周期一般是75 ～90 天，如果项目的周期短，需要压缩时间，在招标商务阶段就要明确需求，模具厂在制造阶段要短期集中投入更多资源应对。

研配阶段的时间长短主要取决于研合量及压机工时的投入。近年来，精细化模面补偿技术的应用，通过零件变薄补偿、压机挠度补偿、收缩补偿等综合手段，模具加工完成首次研合率均有较大提升，多次情况能达到70%以上的水平，缩短了调试的周期。

根据过往项目的经验，由于压机管理和维保方面的差距以及压机规格方面的差异，多数模具厂家压机精度相较主机厂家要差，导致模具回母线后的研合状态、生产出零件的成形性、面品精度均发生较大的变化。深拉延零件回厂匹配压机后，成形开裂与出件精度大幅度下滑是常见的问题。近几次项目，对供应商设备的精度，包含滑块平行度、垂直度、拉深垫顶杆高度一致性，顶杆重复顶出精度，提出了明确的要求，需达到母线设备的精度要求。对要使用的设备，派员进行现场精度测量，记录设备精度问题，整改合格后才进行模具调试。同时，应注意拉深垫的顶杆布局要与母线设备一致，拉延模调试不要偏载安装，否则压边圈的研合状态回母线后会有明显变化。执行供应商调试设备精度管理要求之后，模具回母线后的状态基本与厂外阶段一致，尤其深拉延件模具，大大减少了重新研合模具的工时。

随着制造周期的不断缩短，传统模式下的多项目资源争夺无法消除，依靠商务上短周期的要求也无法长久持续(行业内友商同样有需求)。解决这一问题的方案，笔者认为未来模具制造分工会进一步精细化和专业化。比如会有专业做高精度镶块的供应商，专业做高精度斜楔的供应商，专业做高精度加工的供应商等，模具供应商起整合作用，工作重心逐渐在设计和调试上，极度专业化的配套厂为模具厂服务。模具制造的精度大大提高，首次打件就能获得较高的零件品质，模具本身的检查验收、研配的工作量显著减少，制造周期较大幅缩短。

厂外模具调试策略方面，笔者认为应该先解决3类问题：一是拉延产生的整体性扭曲回弹(首轮出件确认)；二是产品/工艺性面品课题识别，需要改产品尤其外观造型的要尽快决策，课题不要遗留到模具回厂(首轮验收前)；三是确认有无重大的模具结构问题，尤其需要涉及结构大改的(首轮验收前)。

零件达到支持整改的条件后，对零件进行扫描，然后评估零件的回弹情况，如果发生整体的扭曲回弹，就要考虑从拉延模面开始进行补偿，进行其他的整改都是无意义的。笔者经历过一个项目的背门内板，首次研合件扫描发现零件有明显的扭曲回弹。通过全工序件扫描，已经确定拉延件存在回弹扭曲。首轮的方案是整形工序模面补偿，但最终没能把拉延产生的回弹补救回来，且零件的回弹状态变得更加复杂。最终方案是拉延型面重新补偿加工，回弹得到解决。但多消耗了1 个月的整改时间，所以拉延产生的整体性回弹，一般还是要在拉延根治，周期反而是最短的，出现此类问题要敏感，提前去判断。

以上几类重大问题被排除之后，以精度整改为主线，同时将面品、减薄率、模具验收问题点穿插其中，分阶段开展模具整改。在周期不够的情况下，除了争取更多的资源，加快整改进程之外，应对问题进行分类，建议厂内外差异小的问题(如精度类)，涉及机加工的问题，优先应对。一般的面品类问题，可以遗留到母线再适配解决。

厂内阶段

厂内调试阶段，笔者经历的项目，一般遵循以下步骤：参数匹配并实现整线自动化；厂内外差异对比并消除差异延续回厂前状态；模具良品条件、零件品质课题穿插分阶段推进；模具镀铬实施；量产前夕生产提速并做一轮模具点检，剩余课题推进。

建立厂内调试体制

新车型模具调试由工艺和制造两个领域的人员合作推进，主责为工艺领域，但使用的调试资源基本在制造领域。所以，车间也需要有明确的新车型职责，并有相应的激励，才能驱使体制敏捷运转。同时，由于车间的主任务是生产，在资源使用上会倾向于量产维持和保养，所以车间的新车型负责人需具备一定的职级，能协调全领域的部分资源为新车型服务。

在具体的分工上，综合岗位、工作擅长以及新车型职责，工艺方面的人员在工作上倾向于整体项目的进度把控，整车问题的解决推进，冲压领域与其他领域的沟通协作，重难点技术问题的解决方案和推进。车间方面的人员在工作上倾向于模具研合类面品课题的解决，生产类问题(刀口铁屑、卡废料、毛刺等)的解决，模具良品条件的推进，与供应商交模人员现场协作解决问题。

流程梳理，明确各阶段目标和工作重心

根据项目厂内调试的周期，分配各阶段的时间。对于短周期项目，各阶段的时间势必要压缩，才能实现整体的缩短。

参数匹配和实现自动化环节，工作量基本明确，主要是人员和机时的合理安排和投入，其中在线制作端拾器的工时较多，如果主线的机时不够，可以制作简易支架，再利用工序件离线制做端拾器，可以较多地节约主线的调试工时。

厂内外差异分析对比是在同等冲压参数的情况下(成形力、压边力等)，对比各工序的研合率、拉延的材料流入量和零件的面品、精度、减薄率。通过对比和调整，恢复模具厂外的状态，使之得以延续并因此节约整体的调试周期。为了对比的真实性，厂外各工序的研合件会打包带回厂内，最终的精度件也会随模检具发回厂内，而不是仅仅依靠纸质的文件报告。完成参数匹配后，时间允许的话就能当班压出各工序研合件，次日就可全工序对比(组织相关人员参与评审)。结合零件的品质状态，即能快速形成结论，正常在10 天内即完成对比工作。但有些情形，并不能形成明确的对比结论(比如拉延着色状态变化大，导致零件品质也发生较大差异)，也要在20 天内形成决策，以当前状态决策下一步行动，短周期要给每一步设定期限，周期一到就往下走，部分落后的工作后面要想办法追回。

模具良品条件是模具能高效生产出合格零件的要素集。涉及压痕、卡废料、拉伤、零件开暗裂、顶料结构、旋转斜楔机构异常防止等方面。良品条件检证一般需持续2 ～3 月时间，直面如何维持量产稳定性的问题。零件面品、精度、减薄率课题，穿插其中同步解决。经过多个车型的经验，良品条件由有钳工经验的人员推进，效果较好，具体措施方能较好落实到位，取得预期成效。相比传统模具动静检的检查方案，良品条件更有针对性，且工作是分摊到一个较长的时期内去完成，模具调试工作并没有因为模具的检查而停滞。可以节省半个月以上的模具拆装时间，同时收获更好的调试效果。

模具镀铬和量产前的提速，由于镀铬需要一定的批量验证，可以结合着开展。镀铬的目的也是提高量产稳定性(尤其是拉延模)，减少停机工时，所以量产前要完成。一般的推进顺序是拉延凸模、拉延凹模、拉延压边圈和翻边镶块3 大步骤。能够执行镀铬的条件是零件品质基本锁定，且模具型面没有缺陷(或缺陷得到解决)。模具镀铬的工作量很大，一般跨度达到3～4 个月时间，所以模具一回厂，就需要将此事提上日程，提前策划。简单的零件，只要一达到条件，就安排实施。这样到量产前2 个月，就只剩下几个难点的模具还没有实施，只需要集中解决，可减轻此阶段的压力。在压边圈完成镀铬后，由于上下模均增加了镀层，材料的流动状态会发生一定变化，需进行较大批量的验证，一般是120 件/批次以上的试生产。此次试生产可以同时进行连线提速，为量产做准备。

具体项目的推进

整体的大计划是整个项目的行动方针，在执行过程中会分解为周计划和每天具体执行的日计划。根据阶段的目标及当前的工作完成情况，每周一召开项目周会，写出每个零件当周的工作内容并明确完成节点。比如解决具体的哪个精度问题，完成哪一工序的良品条件。每日根据周计划安排当天具体工作，下班前总结，工作未完成且下一天无法挽回的，要加班应对，才能保证工作按时按量推进。

关键零件管理

面向短周期的项目，大概率会出现日程极度紧张的零件，一般会是侧围，因为零件大、模具大则工作量最大。在量产前2 个月，要识别此类零件，对剩下的工作和周期进行重新计划，细化到每一套模具，排出工作的优先级，死磕一定要在量产前完成的工作，时间实在不够的，制定临时应对措施后在量产后的品质效率提升阶段再实施追回。面对短周期，即要全力以赴地按部就班(标准流程)来保证最终品质，也要面对现实进行及时灵活的调整(建议每过一个月就系统思考一次，目前在调试的零件有没有风险)，有策略地进行一定的取舍。