数字化技术在冲压模具设计与制造的应用

2024-05-13黄湘兰广汽本田汽车有限公司

锻造与冲压 2024年8期

文/黄湘兰·广汽本田汽车有限公司

智能化的生产模式，依赖于最新的信息通讯科技和尖端的制造科技的深入结合，涵盖了从设计到生产、从管理到服务的所有制作过程，并且拥有自我认识、自我学习、自我决定、自我实施、自我调整的特性。

汽车行业作为中国最大的制造业之一，已经形成了一条庞大的产业链，对于现代国民经济起着至关重要的作用。而汽车行业数字化转型不仅可以提高汽车制造业的效率和产出质量，还有利于实现汽车产业的可持续发展，实现经济结构转型升级。笔者在汽车车身领域工作多年，主要从车身模具制造方面阐述数字化、智能制造在冲压模具设计制造环节的应用。

数字化转型升级对汽车制造有重大推进作用

数字化转型为汽车制造带来了很大改变。在生产效率、质量控制、工艺升级、产品设计等方面带来了更全面的升级与优化。

⑴生产效率。工厂数字化、供应链数字化、自动化制造等技术，可以大力提升汽车的生产效率和质量。

⑵质量控制。通过智能化和数字化监控，可以减小生产误差率、减少产品不合格率，更好地保证生产过程和产品质量的一致性。

⑶工艺升级。汽车工艺在汽车制造中极其重要，数字化转型可以提升汽车工艺更高级的自动化与信息化。智能化和数据化的工厂将成为未来汽车工业的主流，数字化车间突破传统生产的困境，让每个人都可以参与质量的管理。

⑷产品设计。汽车工厂依据用户需求进行更加个性化的产品设计和生产，实现量身定制。

车身模具设计制造转型对汽车工业转型升级有重大推动作用

车身模具设计制造周期长的瓶颈

随着我国社会的不断发展，技术的不断创新，汽车工业的快速发展，冲压模具每年以20%的增速快速发展。冲压件生产效率和成本与车身模具的制造有直接关系。车身零件模具的开发约占汽车开发周期一半以上，在整车开发周期中占比很大。将数字化技术运用至冲压模具设计与制造之中，可以大幅提高生产效率，所以利用数字化技术提升模具制造效率，缩短设计制造周期有重要作用。

传统模具制造流程如图1 所示，从工艺流程中可见，传统模具制造主要是利用软件进行建模，然后根据三维模型制造铸件，经过机械加工、钳工调试，从而达到零件精度要求。该期间短则18 个月，长则24个月，甚至更长。

图1 传统模具制造流程

我们对此痛点进行分析发现：由于冲压模具CAE的软件技术目前还无法全面、准确发现模具设计中出现的问题，严重依赖设计人员的经验。大幅增加了整体设计人员的设计难度，不利于缩短冲压模具的设计工期。虽然为实现模块化设计目标提供有利条件，但是因为不具备智能化AI 等技术，无法达到智能决策的要求，对于实际应用还存在较大的差距。

合理运用数字孪生技术，将模具的结构利用软件在三维空间中进行相应的加工与生产模拟。充分考虑到后期调试过程中存在的反弹、变形等问题，从而减少模具的反复人工调试。相当于将人工的物理调试搬移至软件分析过程，大大缩短模具设计制造的周期，同时也大幅减少后期调试期间的人财物的成本投入。

数字孪生技术在模具设计制造的应用

模具设计中的具体应用主要包括以下几个方面。

第一，优化模具的结构设计。对模具的不同设计方案进行模拟和比较分析，从而找出最优的方案并进行优化调整。

第二，预测模具的工作状态及运行情况。通过建立数字孪生模型，预测模具在使用过程中的运行情况和工作状态，减少实物试制的次数和试制周期。

第三，进行多工况的仿真试验。在虚拟环境中对模具进行多工况的仿真试验，对工作状态和性能进行准确评估和测试。

第四，保障模具的安全性和可靠性。在模具设计过程中，对成形力的计算及冲压工艺严重依赖设计人员的经验和知识储备。如果利用计算机孪生技术，可对模具的结构和性能提前进行模拟和分析，在设计过程中发现并解决问题，保障模具的安全性和可靠性。

针对该课题，创建一个物理汽车模具生产与设计仿真的、匹配的数字孪生模型，包括伺服调试压力机、设备性能、模具模型、运动仿真、材料力学性能等方面的模型，如图2 所示。通过对数字孪生模型进行模拟和分析，设计部门已可以提前发现潜在的设计缺陷，并进行优化。此外，数字孪生还可以实时监测冲压模具生产的工作状态。使用数字孪生技术后，模具上线调试时间大幅缩短，模具设计周期缩短至12 ～18 个月内。

图2 汽车模具调试的数字孪生模型

车身模具制造成本投入大

车身模具设计制造过程中有较大的成本投入，利用数字化手段可以打造最优的QCD 优势，主要可从以下几个方面进行展开升级。

第一，优化工艺。利用数字化技术，可对坯料尺寸、余料进行优化，提高坯料的利用率，优化冲压成形的过程，比如减少冲压工序数。减少模具投资、降低存储场地(租赁费)等。比如将4 工序零件优化成3 工序，可减少1 套模具的投资。图3 为某车型前门外板冲压工艺优化。

图3 某车型前门外板冲压工艺

第二，优化结构。除了优化工艺和材料的合理选用，对模具结构进行优化也是降低成本的重要方法。比如：利用数字孪生技术(可解决不平衡问题)，在单套模具上实现多件零件的生产(图4)，提高单次零件成形数量，从而降低成本。

图4 一模多件

车身模具制造过程的数字化升级

为了满足当前市场对汽车换代的需求，最近几年模具的需求量急剧增加。在模具制造阶段，为满足日程要求，需要实现高速加工。高速加工技术主要是运用小切深的、高速进给的方式，不仅能够降低加工表面的粗糙度，更能保证产品的质量。再者无需钳工对模面进行反复打磨与加工，大大降低了员工的工作量。

同时在实现高速加工后，还可利用机器视觉、人工智能AI 技术，实现刀具状态监测、加工质量监测。

数字化技术在生产管理中的应用

数字化管理体系的构建

数字化改变了传统模具制造的模式。从QCDMES各个方面实现数据的数字化采集、实现各领域的数据共享，充分挖掘数据的潜力，产生最大的价值，从而提升QCD 市场竞争力。

数据管理、经验管理中的应用

在冲压模具设计与制造中，数字化技术还可应用于数据管理、经验管理。在模具设计过程中，将设计、制造的过程数据利用数字化手段予以采集和分析，利用AI 大模型进行分析，进而优化工作流程和步骤，提高效能。另外在数据管理上，也相对于传统纸质版数据有质的提升。总之，数字化可实现各环节信息数据的实时采集、分析、使用，提升模具设计、制造的品质、成本、生产周期等优势。