豐田模具:消滅了鉗工,好的模具依靠好的設計與製造!

2018年10月15日 公司新聞 114 views

近十年來,本人曾在日本多家模具製造廠進行過較為深入的學習和考察,先後累計時間達6個多月。對比以後發現,豐田的模具技術在日本的模具廠家中也是十分突出的,無論是能力、效率及技術都不愧為世界領先水平。

作者單位/天津汽車模具有限公司

通過對豐田的了解AG亞遊正規平台可以看到,世界汽車模具製造技術正在向這些方向發展:計算機前的操作逐步代替現場操作,以高精度加工代替人的手工勞動,模具的設計、製造高度標準化,單件生產方式向流水線式生產方式發展等等。結合AG亞遊正規平台國內的模具製造情況,豐田在以下一些地方與AG亞遊正規平台有很大的不同,值得AG亞遊正規平台很好的借鑒。

1. 精細模麵設計

AG亞遊正規平台常說的模具設計實際上分為三個部分:衝壓工藝設計、模麵設計和結構設計。這三種設計的內容和側重點是完全不同的,豐田的工作流程為先有衝壓工藝設計然後指導模麵設計和模具結構設計,分別由不同的人來做,專業分工很明確。傳統的衝壓工藝設計采用工序圖或是dl圖,它的模麵設計是非常粗略的,以這樣的圖紙指導下的工藝造型,必須在後序靠人工修整、製造工藝禰補,造成模具製造的人工鉗修量很大、周期延長。

豐田在設計階段通過計算機的曲麵造型,完成模麵的精細設計。比如:針對進料量不同設計各種拉延筋,同一套模不同部位的拉延筋截麵不同,防回彈、過拉延處理,最小壓料麵設計,凸凹模不等間隙設計等等。精細模麵設計的結果,可以極大的減少型麵加工,減少鉗修,減少試模工時,它的作用非同小可。

對比之下,國內的模具設計還停留在結構設計階段,模麵設計沒有受到很好的重視,模麵實際上是靠後天完成,模具設計的落後造成了製造的落後,也就毫不奇怪了。

2. 板料成型分析技術應用情況

豐田公司從5-6年前,開始應用有限元法做計算機模擬板料成型分析,主要應用的解算軟件為美國的dyna3d,他們經過了近三年的努力才達到實用水平。目前,豐田建立了一個整車身各種典型件的分析結果庫。對一個新車型的件,如果成型性沒有太大的變化,隻是參考原工藝不做分析,隻有特殊的新造型才做板料成型分析。豐田的新車要做樣車,對造型特殊的件除了做板料成型分析外一般還要做簡易模進行驗證。因此,豐田人認為目前板料成型分析還不是一件必需的、簡單的事,無論是周期還是成本都有很大代價。

本人認為,豐田的車型開發量很大,車型之間變化不大、類似件很多,又積累了豐富的人的經驗,板料成型分析確實用武之地不多,建立一個分析結果庫是一個好方法(日本富士模具公司也是這麽做的)。反觀國內現狀,一方麵模具廠專業分工很低,各種件都會遇到,難有現成經驗,似乎更需要板料成型技術。另一方麵,技術水平低支持環境差(如:板料參數、摩擦係數等難掌握),模具廠應用起來,要達到實用(不講效果、不計代價的研究不算)也是非常困難的。即使是成立專業分析公司,考慮用戶數量、周期、價格等因素,恐怕也曲高和寡。目前,這項技術在國內的實際應用效果還難有定論。

3. 模麵設計經驗積累機製

豐田的設計部門除手工勾畫草圖以外,設計已全部計算機化,一般設計人員除一台工作站外還有一台筆記本電腦。但,真正創造性的設計還是靠人腦,特別是靠人的經驗積累。豐田特別強調經驗積累機製:隻有集體的經驗不能有隻屬於個人的經驗,比如:資料的統一管理,草圖設計的小組討論,圖紙的多部門集體審核,設計標準、規範的經常性增改等等。

經驗積累機製是豐田能夠不斷提高模麵精細設計的主要手段。比如:模具加工完成之後,一般模具型麵不用研合,刃口不必對間隙,鉗工隻負責安裝,在初次試模時也不能隨便修調模具,調試模具有模麵設計人員在場,初次試模缺陷需要記錄下來。最後的休整結果,象拉延筋、拉延圓角變動、對稱件的不對稱現象等,還要進行現場測量。這些資料的積累、整理、分析、存檔,都是模麵設計的經驗積累,並隨時加入到下一次的設計中去。

豐田的模具設計和調試過程,真正做到了是一個閉環製造係統,借助於這種自我完善的經驗積累機製,模具的設計越來越精細,越來越準確。

4. 間隙圖設計

在豐田,模麵設計實際上是由曲麵造型和nc編程兩部分共同完成的,為了傳達和描述模麵設計思想,就產生了除dl圖、模具圖之外的第三種圖---間隙圖也叫質量保證圖。

間隙圖本人在以前還沒有見識過,這可能是豐田的一種創造。模具的設計不是單純為了設計出一種機器,能夠完成它一定的動作就完了(這隻能叫作結構設計),模具設計的最終目的是為了保證它所壓出的產品件是合格的高質量的,間隙圖就是這樣一種專為保證產品件質量的圖。質量保證圖中,主要包括這樣幾項內容:模具實際符型麵區域、各個符型區域的間隙值、工藝要求的模麵變化情況、拉延圓角的變化、各種模麵的挖空等等。凡是無法通過曲麵造型實現的模麵設計,都通過間隙圖的傳達,依靠nc編程的設計來實現,在這裏nc編程也不再是單純的實現模具結構的加工,它實際上也參與到模麵設計中來了。因此,間隙圖的應用也是精細模麵設計的一種必然。

5. 如何適應大規模生產的要求

提高材料利用率:對於大批量汽車生產來說,提高板料的利用率是模具設計的第一大事。隻要把材料利用率提高幾個百分點,模具的成本就可乎略不計了。如果一套模具40萬人民幣,隻相當於100噸鋼板的價格,以壽命50萬件計算,平均每件節約0.2kg鋼板,就足可節約出這套模具費用了。

減少衝壓工序:模具設計的趨勢是,零件的合並,左右對稱件合模,前後順序件合模等等,原來幾個件合成一個件,不同的件合在一套模,模具越來越大,單件工序大大減少,整車模具數量越來越少,這對降低衝壓的成本起關鍵作用。例如:豐田把整車製件的模具係數,由過去的3點幾降到2左右。

衝壓自動化:為適應衝壓線完全自動化,模具必須考慮機械手上下料,廢料的自動排出,氣動、自動和傳感裝置普遍采用等等。

模具的快速裝換:衝壓線的換模時間,也成為一個模具設計必須考慮的問題。如:拉延模完全以單動代替雙動,模具自動卡緊,換模不換氣頂杆等等。

6. 模具結構的設計和加工

設計有兩種目的:一個是麵向設計本身,一個是麵向製造。設計者在畫圖過程中逐步完善自己的設計思路,圖畫完了,自己也清楚了,因此圖紙首先要設計者自己看得方便,並使設計的工作效率高。另一方麵,設計要麵向製造,以提高生產效率為最終目的。

AG亞遊正規平台應當認識到不同的生產工藝流程決定了圖紙的表達形式。傳統的模具總裝圖加零件圖的形式,適應的是非框架結構的模具生產。采用大型數控銑加工以後,模具總成圖成為更好的形式。在全麵應用cad設計之後,如果生產方式沒變,那麽二維設計和總圖設計也不會變,隻是把圖板換成了屏幕和鍵盤。我公司在97年曾一度改二維設計為三維實體設計,然而效果並不好,設計效率降低、生產上也沒有得多少實惠。

豐田在cad三維實體設計與製造緊密相配合方麵為AG亞遊正規平台提供了比較成功的經驗。

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實體設計

豐田的模具設計已全部采用三維實體設計,應用的軟件為enginner。

模麵設計與結構設計的分開:豐田把模具結構設計與模麵設計完全分開的,前者是實體設計,後者仍然是曲麵設計。在結構設計中模麵部分隻是示意性的,可用於實型加工,不能用於模具加工。這種分工大大簡化了模具實體設計,這種簡化對三維實體設計的成敗很重要。

取消二維圖紙:尺寸標注大約占繪圖工作量的40%,豐田不繪製傳統意義上的二維圖紙,也就完全省去了這一部分的工作量。取而代之的是根據各工序需要,給出必須的三維立體簡圖,和標注必要尺寸的平麵簡圖。如果從三維設計出發,最終得二維圖的結果,那把一個三維實體轉變成符合人看圖習慣的二維圖,將是非常費時、費事的,設計出的實體變得毫無價值,這顯然違背了實體設計的初衷,豐田的成功之處就是沒有這麽做。

搭積木和編輯式設計:三維實體設計采用搭積木式設計,依靠三維標準件和典型結構庫,使模具結構極大的標準化,變二維繪圖構思為三維立體布置。同時大量借用已有的相似模具結構,經過簡單編輯、修改,完成新模設計。這對設計者來說,是觀念上的一場革命,如果還墨守成規,先畫平麵圖再生成立體型,那三維設計的優勢就成了負擔,效率太低了。

幹涉檢查:在二維設計中,往往設計者並沒有真正的建立起三維的模具形象,對複雜的空間問題隻能靠斷麵圖,一旦經驗不足,考慮不周,空間幹涉就再所難免。三維實體設計最直接的好處,就是非常直觀方便的幹涉檢查,甚至可以作運動幹涉分析。以往二維圖設計時的一個老大難問題,在實體設計麵前迎刃而解。

實體設計中的刪繁就簡:實體設計直接麵向製造,它所設計的繁簡因加工需要而定,完全不必考慮人的看圖習慣。比如:鑄件的倒角,在加工中凹角靠刀具完成,凸角靠人工修整,所以,設計中就不必做了;又如:標準件,完全是采購件,在設計中也可以變成示意性的簡單幾何體等等。還有許多設計工作,實際上是靠後序的工藝規範完成的,如螺釘孔位置,鑲塊形狀等。因加工需要而設計是最經濟的設計。

半自動設計:豐田在實體設計的基礎上,對拉延模等一些結構典型而標準化比較高的模具,已經開發出具有一定功能的輔助程序,做到半自動設計。比如:拉延模結構設計一般都交給,新手、女職員來完成,設計一套模全部工作也用不了一周時間。

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實型數控加工

實體設計的第一個用途,就是鑄件泡沫實型完全采用數控加工。豐田的實型模是用一整塊矩形泡沫數控加工出來的。實型的數控化加工生產,就是通過對實體模型的工藝編輯(如:加工麵貼加工餘量,模型分層編輯等),再經過數控編程,泡沫毛坯下料,數控加工,人工粘接和修整等幾道工序完成的。在豐田,實型的生產員工,已完全從手工製作轉變到大量的數控編程上來了,現場的簡單人工粘接和修整工作,由臨時工所充當。實型的數控化生產直接得利於實體設計,而又提高了鑄件的精度,為後序的精細加工帶來極大的優勢。

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構造麵數控加工

模具構造麵就是模具型麵以外的機加工麵,如:導向麵、鑲塊安裝麵、螺釘孔、其他需加工麵等等。這些在豐田也都是靠編程,數控加工出來的。實體設計為模具的構造麵數控編程加工帶來了可能。構造麵加工編程化,可以大大提高機加工效率,減少現場的人為操作失誤,提高加工的自動化程度。當然要做到這一點,除實體設計之外,還要作許多工作,如:自動對刀、刀具管理、加工參數、編程經驗等等,這方麵AG亞遊正規平台與豐田的差距就更大,沒有這些基礎,構造麵的編程加工是不可能的。

豐田通過實體設計真正做到在模具結構上的cad/cam一體化,也隻有一體化,取消繪製二維圖的束縛,實體設計才顯示出的它的價值,兩者應該同步發展相宜得彰,這就是豐田為AG亞遊正規平台提供的經驗。

7. 大力發展高精度模麵加工技術

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型麵的高精度加工

型麵高精度加工主要體現在這樣幾個方麵:提高模麵加工精度、提高加工到位程度、實現模麵的精細設計。高精度加工除機床精度和刀具的管理外,主要是靠編程技術的改進來實現的。

加工方法包括等高線加工、最大長度順向走刀加工,精加工走刀移行密度達到0.3mm,同時改垂直刀為30度角的高速加工等等方法,以提高加工精度。

同時在凹角清根、凸圓角加工到位、控製模具配合的不等距間隙、最大可能的縮小符型麵方麵都要加工到位,以實現模麵的精細加工。

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二維刃口的高精度加工

豐田的二維刃口鑲塊加工,采用在專用的鑲塊加工流水線上,單塊加工成活,加工精度可以達到按銷定位裝配,合模無須對間隙的程度。當二維刃口整體加工時,也采用在線測量的方法來保證凸凹模的合模間隙,二維刃口的高精度最大的好處是能保證製件的修邊毛刺得到很好的控製。

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高精度加工的效果

豐田通過高精度加工,使模具精度達到了模麵的少鉗工、無鉗工化的目標。豐田的標準計劃中,由機加工完成之後到第一次試模之間,隻有七個鉗工工作日,它基本是鉗工裝配時間,而沒有鉗工修磨工時。在豐田,模具一經加工完成,基本上不用修圓角、不用開間隙、不用修清根,不對刃口,不研合,甚至拉延模的型麵都不用去刀痕、不推磨,唯一的鉗修就是用油石推磨拉延凸圓角和壓料拉延麵。而且第一次試模,無須修模的試壓製件合格率都達到80%以上。如果不是親眼所見難以讓人置信,這就是精細模麵設計和高精度加工的威力。

8. 其他技術

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模具材料

豐田的拉延模材料主要采用球墨鑄鐵而不是目前國內流行的合金鑄鐵。球墨鑄鐵焊接性能、可加工性能好、耐磨性能和表麵淬火硬度都比較理想,而成本比合金鑄鐵要低得多了。修邊刃口材料,選用型材鑲塊而不是符型的鑄鋼,主要是因為鑄鋼成本要高得多。最值得注意的是,豐田現已經大量采用基體與刃口一體化的特殊鑄鐵材料作修邊模,使模具的機加工成本大為降低。請注意這裏的刃口既不堆焊,也不是鋼材,鑄鐵整體刃口隻經表麵火焰淬火,直接用於幾十萬次壽命的薄板料修邊模。而且這種鑄件的成本還不高。

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表麵處理

豐田的拉延模型麵的表麵處理,要求較高的采用電鍍,其它模,翻邊、修邊刃口鑲塊基本上采用火焰淬火。日本目前沒有采用離子滲氮技術,據豐田人講,也有試用的考慮。對厚板料長壽命的刃口材料,豐田采用具有自己專利的特殊鋼材,也是火焰淬火。而先加工成型,後整體淬火的方法,由於淬火帶來的變形隻能靠人工修整,在豐田沒有見到使用。

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模具生產中的檢驗

模具是單件生產,保證質量是一件非常困難的事,國內的模具廠大都配備大量的專職工序質檢人員,這嚴重影響生產效率,但質量把關效果還不佳。豐田是怎麽做的呢?

工序檢驗:豐田人認為產品的質量在源頭,設計、工藝、編程、機床、刀具才是質量真正的保證,質量是生產出來的而不是檢查出來的,因此,模具各序之間沒有專職檢驗,隻有自檢和互檢,質量的把關靠得是每一個生產者。

型麵檢測:模具的型麵也基本沒有測量檢驗。大量的型麵檢測,如測拉延圓角,拉延筋的修正量,曲麵的光順度等主要是為了模麵設計積累經驗,而不是為了檢驗模具質量是否合格。

製件檢測:豐田的產品件檢查,主要靠三維測量機進行自動數值檢測,但他們也做驗具,驗具隻起產品件定位支撐的作用。因此驗具結構簡單,沒有強製卡緊裝置,他們的產品件檢測幾乎是處於自由狀態下的檢測,這對產品件的符型性是一個非常嚴格的要求。

9. 技術發展動向

前幾年AG亞遊正規平台看到發達國家的汽車模具行業似乎在萎縮。因為,當時認為模具生產離不開人的手工勞動,發達國家具有工資成本高、沒有人願意幹這一行等因素,模具行業大有向第三世界轉移的趨勢。通過豐田的發展,AG亞遊正規平台有了一些新的認識,模具生產越來越依賴高科技,完全可以把人工勞動降到很低,汽車對模具生產的需求最重要的是高質量和短周期,在大規模汽車生產中,模具本身的成本遠遠不如模具的使用成本更重要。

從這一點上看,目前AG亞遊正規平台的模具生產不具什麽優勢,這種工業轉移也不會成潮流,這十多年來,AG亞遊正規平台通過硬件的技術引進得到的技術進步,並沒有禰補上因人家更加努力的追求技術進步而帶來的新的差距。換個角度說,如果汽車模具行業真的向第三世界轉移的話,那一定是個夕陽產業,目前汽車模具在車身材料沒有突破性變化的情況下,還是有一定的發展空間和需求的。

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重點發展計算機技術

豐田模具製造技術發展的重點,在於突出計算機的應用,越來越多的人從生產現場轉移到計算機前。實體設計加上數控編程,取代了人工實型製作和機床操作。精細模麵設計和精細數控編程大大減少了鉗修,高精度加工取消了模具的研合、修配。現在數控編程人員已超過了現場操作工人,數控編程的工時費用,超過了機床的加工工時費50%,編程的周期超過了機加工周期。計算機技術應用的發展,目前沒有降低模具成本,但模具生產已從依賴人的技巧轉向數控化的自動、半自動化生產,這種高精度和無人化加工,使模具和產品件的質量有了極大的提高,生產周期大大縮短,計算機技術使模具製造技術又達到了一個新的高度。

相比較就可以看出,國內目前的計算機應用還比較初級,並不是AG亞遊正規平台的機床和軟件不行,而是在應用的基礎技術上有很大的差距,即使是把豐田的技術全搬來,真正做到那種效果,也不是一件容易的事。

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消滅鉗工

原來AG亞遊正規平台認為,模具這種單件生產、型麵複雜的產品,離開手工是不可能的,而豐田提出要消滅鉗工。消滅鉗工是一種目標,主要是指極大減少或完全避免修磨和調整鉗工(裝配鉗工還是要的)。正如AG亞遊正規平台在前麵所介紹的,目前豐田的這一目標已基本實現,除修磨拉延麵和拉延凸圓角外,推磨、修模和調配鉗修,已大部分屬於異常或禰補設計、製造的缺陷,不再是一件必要的和正常的工作。

AG亞遊正規平台舉個例子,拉延模型麵的光潔度曆來是AG亞遊正規平台強調的質量標準,過去為達到這一點主要是靠鉗工推磨。為減少或不推磨,就要減少銑削刀痕餘量,有人主張采用垂直型麵加工的五軸銑床,也有采用數控型麵磨。這些豐田也都采用過,但實踐證明,五軸機床成本高、效率低,編程十分困難,效果也十分不理想。最後,豐田采用高速、小移行的三軸銑削加工方式,得到高精度型麵,把圓角人工推磨,而其他型麵幹脆不修磨,模麵帶刀痕拉延。

結果證明,雖然模麵談不上光潔度(還帶刀痕呢),但即使是表麵質量要求很高的轎車外板件,除製件內表麵有一些拉痕外,對有用的製件外表麵沒有任何不良影響,就是需要電鍍的那些模麵,也同樣是帶刀痕電鍍。據說德國和美國有些汽車模具廠也早已廢除了型麵推磨。這對那些追求模具表麵光潔度的人來說,真是命運開了一個大玩笑。同樣,對型麵凹角采用清虧,立麵加工采用30度頭防讓刀,用不等間隙控製製件成型壓力等等各種方法,現在凸凹模的配合精度,使研合和鉗修失去意義。

因此,某種意義上的消滅鉗工,不再是一個夢。當然,在國內,目前一個模具廠怎樣說服用戶接受這種帶刀痕的模具還是一個大課題。

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一體化加工

豐田的機加工車間現場,有三種數控加工線:第一種是由幾台床身可互換的數控機床組成的加工線,一條線裏包括底麵加工、臥銑、粗銑、精銑各種機床,配套分工明確,工件換機床時不必重新裝卡找正,這條流水線大約是80年代的產品。第二種是帶立體倉庫的無人職守的揉性加工機群,這是90年代初的產物。第三種是近年才投入使用的粗精加工一體化、高速、高精度、五麵加工中心。第一種加工線,它的單機就是AG亞遊正規平台目前使用的數控機床,但機床為多工作台式,它的不重新裝卡找正方麵效率很高,而AG亞遊正規平台還基本上停留在單機作業的水平上,很值得AG亞遊正規平台借鑒。對於揉性加工機群,雖然很先進,但操作起來很困難,準備工作和時間很長,如果沒有很大量的精加工任務,使用起來並不實用,就是在豐田也是如此,看來這不是一個成功的方向。

一體化加工中心是目前正在發展的最新技術,它的優點是,集各種機床優點之大成,除底麵加工之外,一次裝卡,粗、精、臥,高功率、高精度、高速麵麵俱到,十八班武藝樣樣精通,加工效率很高。缺點是機床成本很高,需要環境要求也很高,用它來粗活、重活一起幹時是不是很經濟呢?還不得而知。但,無疑這是一個很理想主義的技術,代表著數控加工技術的發展,應引起AG亞遊正規平台的注意。

豐田的技術告訴AG亞遊正規平台

好的模具應該是設計出來的;模具也可以流水線生產;高新技術應用是模具製造技術發展的動力;國內汽車模具業與世界先進水平相比還有差距,如果AG亞遊正規平台不努力,這種差距不是縮小,而是會拉大。

通過上文,AG亞遊正規平台隻是把在豐田公司所看到的一些印象深刻的、與國內對比性比較強的東西簡單羅列在一起,並不全麵也不細致,希望這些材料能給同行以思考。

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