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丰田模具:消灭钳工,好模具依靠好的设计与制造!
来源:搜狐科技   发布时间:[2018/09/04 16:09:12]

近十年来,本人曾在日本多家模具制造厂进行过较为深入的学习和考察,先后累计时间达6个多月。对比以后发现,丰田的模具技术在日本的模具厂家中也是十分突出的,无论是能力、效率及技术都不愧为世界领先水平。

通过对丰田的了解我们可以看到,世界汽车模具制造技术正在向这些方向发展:计算机前的操作逐步代替现场操作,以高精度加工代替人的手工劳动,模具的设计、制造高度标准化,单件生产方式向流水线式生产方式发展等等。结合我们国内的模具制造情况,丰田在以下一些地方与我们有很大的不同,值得我们很好的借鉴。

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1. 精细模面设计

我们常说的模具设计实际上分为三个部分:冲压工艺设计、模面设计和结构设计。这三种设计的内容和侧重点是完全不同的,丰田的工作流程为先有冲压工艺设计然后指导模面设计和模具结构设计,分别由不同的人来做,专业分工很明确。传统的冲压工艺设计采用工序图或是dl图,它的模面设计是非常粗略的,以这样的图纸指导下的工艺造型,必须在后序靠人工修整、制造工艺祢补,造成模具制造的人工钳修量很大、周期延长。

丰田在设计阶段通过计算机的曲面造型,完成模面的精细设计。比如:针对进料量不同设计各种拉延筋,同一套模不同部位的拉延筋截面不同,防回弹、过拉延处理,最小压料面设计,凸凹模不等间隙设计等等。精细模面设计的结果,可以极大的减少型面加工,减少钳修,减少试模工时,它的作用非同小可。

对比之下,国内的模具设计还停留在结构设计阶段,模面设计没有受到很好的重视,模面实际上是靠后天完成,模具设计的落后造成了制造的落后,也就毫不奇怪了。

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2. 板料成型分析技术应用情况

丰田公司从5-6年前,开始应用有限元法做计算机模拟板料成型分析,主要应用的解算软件为美国的dyna3d,他们经过了近三年的努力才达到实用水平。目前,丰田建立了一个整车身各种典型件的分析结果库。对一个新车型的件,如果成型性没有太大的变化,只是参考原工艺不做分析,只有特殊的新造型才做板料成型分析。丰田的新车要做样车,对造型特殊的件除了做板料成型分析外一般还要做简易模进行验证。因此,丰田人认为目前板料成型分析还不是一件必需的、简单的事,无论是周期还是成本都有很大代价。

本人认为,丰田的车型开发量很大,车型之间变化不大、类似件很多,又积累了丰富的人的经验,板料成型分析确实用武之地不多,建立一个分析结果库是一个好方法(日本富士模具公司也是这么做的)。反观国内现状,一方面模具厂专业分工很低,各种件都会遇到,难有现成经验,似乎更需要板料成型技术。另一方面,技术水平低支持环境差(如:板料参数、摩擦系数等难掌握),模具厂应用起来,要达到实用(不讲效果、不计代价的研究不算)也是非常困难的。即使是成立专业分析公司,考虑用户数量、周期、价格等因素,恐怕也曲高和寡。目前,这项技术在国内的实际应用效果还难有定论。

3. 模面设计经验积累机制

丰田的设计部门除手工勾画草图以外,设计已全部计算机化,一般设计人员除一台工作站外还有一台笔记本电脑。但,真正创造性的设计还是靠人脑,特别是靠人的经验积累。丰田特别强调经验积累机制:只有集体的经验不能有只属于个人的经验,比如:资料的统一管理,草图设计的小组讨论,图纸的多部门集体审核,设计标准、规范的经常性增改等等。

经验积累机制是丰田能够不断提高模面精细设计的主要手段。比如:模具加工完成之后,一般模具型面不用研合,刃口不必对间隙,钳工只负责安装,在初次试模时也不能随便修调模具,调试模具有模面设计人员在场,初次试模缺陷需要记录下来。最后的休整结果,象拉延筋、拉延圆角变动、对称件的不对称现象等,还要进行现场测量。这些资料的积累、整理、分析、存档,都是模面设计的经验积累,并随时加入到下一次的设计中去。

丰田的模具设计和调试过程,真正做到了是一个闭环制造系统,借助于这种自我完善的经验积累机制,模具的设计越来越精细,越来越准确。

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4. 间隙图设计

在丰田,模面设计实际上是由曲面造型和nc编程两部分共同完成的,为了传达和描述模面设计思想,就产生了除dl图、模具图之外的第三种图---间隙图也叫质量保证图。

间隙图本人在以前还没有见识过,这可能是丰田的一种创造。模具的设计不是单纯为了设计出一种机器,能够完成它一定的动作就完了(这只能叫作结构设计),模具设计的最终目的是为了保证它所压出的产品件是合格的高质量的,间隙图就是这样一种专为保证产品件质量的图。质量保证图中,主要包括这样几项内容:模具实际符型面区域、各个符型区域的间隙值、工艺要求的模面变化情况、拉延圆角的变化、各种模面的挖空等等。凡是无法通过曲面造型实现的模面设计,都通过间隙图的传达,依靠nc编程的设计来实现,在这里nc编程也不再是单纯的实现模具结构的加工,它实际上也参与到模面设计中来了。因此,间隙图的应用也是精细模面设计的一种必然。

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5. 如何适应大规模生产的要求

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大事。只要把材料利用率提高几个百分点,模具的成本就可乎略不计了。如果一套模具40万人民币,只相当于100吨钢板的价格,以寿命50万件计算,平均每件节约0.2kg钢板,就足可节约出这套模具费用了。

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,模具越来越大,单件工序大大减少,整车模具数量越来越少,这对降低冲压的成本起关键作用。例如:丰田把整车制件的模具系数,由过去的3点几降到2左右。

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、自动和传感装置普遍采用等等。

模具的快速装换:冲压线的换模时间,也成为一个模具设计必须考虑的问题。如:拉延模完全以单动代替双动,模具自动卡紧,换模不换气顶杆等等。

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6. 模具结构的设计和加工

设计有两种目的:一个是面向设计本身,一个是面向制造。设计者在画图过程中逐步完善自己的设计思路,图画完了,自己也清楚了,因此图纸首先要设计者自己看得方便,并使设计的工作效率高。另一方面,设计要面向制造,以提高生产效率为最终目的。

我们应当认识到不同的生产工艺流程决定了图纸的表达形式。传统的模具总装图加零件图的形式,适应的是非框架结构的模具生产。采用大型数控铣加工以后,模具总成图成为更好的形式。在全面应用cad设计之后,如果生产方式没变,那么二维设计和总图设计也不会变,只是把图板换成了屏幕和键盘。我公司在97年曾一度改二维设计为三维实体设计,然而效果并不好,设计效率降低、生产上也没有得多少实惠。

丰田在cad三维实体设计与制造紧密相配合方面为我们提供了比较成功的经验。

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实体设计

丰田的模具设计已全部采用三维实体设计,应用的软件为enginner。

模面设计与结构设计的分开:丰田把模具结构设计与模面设计完全分开的,前者是实体设计,后者仍然是曲面设计。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,这种简化对三维实体设计的成败很重要。

取消二维图纸:尺寸标注大约占绘图工作量的40%,丰田不绘制传统意义上的二维图纸,也就完全省去了这一部分的工作量。取而代之的是根据各工序需要,给出必须的三维立体简图,和标注必要尺寸的平面简图。如果从三维设计出发,最终得二维图的结果,那把一个三维实体转变成符合人看图习惯的二维图,将是非常费时、费事的,设计出的实体变得毫无价值,这显然违背了实体设计的初衷,丰田的成功之处就是没有这么做。

搭积木和编辑式设计:三维实体设计采用搭积木式设计,依靠三维标准件和典型结构库,使模具结构极大的标准化,变二维绘图构思为三维立体布置。同时大量借用已有的相似模具结构,经过简单编辑、修改,完成新模设计。这对设计者来说,是观念上的一场革命,如果还墨守成规,先画平面图再生成立体型,那三维设计的优势就成了负担,效率太低了。

干涉检查:在二维设计中,往往设计者并没有真正的建立起三维的模具形象,对复杂的空间问题只能靠断面图,一旦经验不足,考虑不周,空间干涉就再所难免。三维实体设计最直接的好处,就是非常直观方便的干涉检查,甚至可以作运动干涉分析。以往二维图设计时的一个老大难问题,在实体设计面前迎刃而解。

实体设计中的删繁就简:实体设计直接面向制造,它所设计的繁简因加工需要而定,完全不必考虑人的看图习惯。比如:铸件的倒角,在加工中凹角靠刀具完成,凸角靠人工修整,所以,设计中就不必做了;又如:标准件,完全是采购件,在设计中也可以变成示意性的简单几何体等等。还有许多设计工作,实际上是靠后序的工艺规范完成的,如螺钉孔位置,镶块形状等。因加工需要而设计是最经济的设计。

半自动设计:丰田在实体设计的基础上,对拉延模等一些结构典型而标准化比较高的模具,已经开发出具有一定功能的辅助程序,做到半自动设计。比如:拉延模结构设计一般都交给,新手、女职员来完成,设计一套模全部工作也用不了一周时间。

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实型数控加工

实体设计的第一个用途,就是铸件泡沫实型完全采用数控加工。丰田的实型模是用一整块矩形泡沫数控加工出来的。实型的数控化加工生产,就是通过对实体模型的工艺编辑(如:加工面贴加工余量,模型分层编辑等),再经过数控编程,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。在丰田,实型的生产员工,已完全从手工制作转变到大量的数控编程上来了,现场的简单人工粘接和修整工作,由临时工所充当。实型的数控化生产直接得利于实体设计,而又提高了铸件的精度,为后序的精细加工带来极大的优势。

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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,如:导向面、镶块安装面、螺钉孔、其他需加工面等等。这些在丰田也都是靠编程,数控加工出来的。实体设计为模具的构造面数控编程加工带来了可能。构造面加工编程化,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。当然要做到这一点,除实体设计之外,还要作许多工作,如:自动对刀、刀具管理、加工参数、编程经验等等,这方面我们与丰田的差距就更大,没有这些基础,构造面的编程加工是不可能的。

丰田通过实体设计真正做到在模具结构上的cad/cam一体化,也只有一体化,取消绘制二维图的束缚,实体设计才显示出的它的价值,两者应该同步发展相宜得彰,这就是丰田为我们提供的经验。

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7. 大力发展高精度模面加工技术

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型面的高精度加工

型面高精度加工主要体现在这样几个方面:提高模面加工精度、提高加工到位程度、实现模面的精细设计。高精度加工除机床精度和刀具的管理外,主要是靠编程技术的改进来实现的。

加工方法包括等高线加工、最大长度顺向走刀加工,精加工走刀移行密度达到0.3mm,同时改垂直刀为30度角的高速加工等等方法,以提高加工精度。

同时在凹角清根、凸圆角加工到位、控制模具配合的不等距间隙、最大可能的缩小符型面方面都要加工到位,以实现模面的精细加工。

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二维刃口的高精度加工

丰田的二维刃口镶块加工,采用在专用的镶块加工流水线上,单块加工成活,加工精度可以达到按销定位装配,合模无须对间隙的程度。当二维刃口整体加工时,也采用在线测量的方法来保证凸凹模的合模间隙,二维刃口的高精度最大的好处是能保证制件的修边毛刺得到很好的控制。

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高精度加工的效果

丰田通过高精度加工,使模具精度达到了模面的少钳工、无钳工化的目标。丰田的标准计划中,由机加工完成之后到第一次试模之间,只有七个钳工工作日,它基本是钳工装配时间,而没有钳工修磨工时。在丰田,模具一经加工完成,基本上不用修圆角、不用开间隙、不用修清根,不对刃口,不研合,甚至拉延模的型面都不用去刀痕、不推磨,唯一的钳修就是用油石推磨拉延凸圆角和压料拉延面。而且第一次试模,无须修模的试压制件合格率都达到80%以上。如果不是亲眼所见难以让人置信,这就是精细模面设计和高精度加工的威力。

8. 其他技术

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模具材料

丰田的拉延模材料主要采用球墨铸铁而不是目前国内流行的合金铸铁。球墨铸铁焊接性能、可加工性能好、耐磨性能和表面淬火硬度都比较理想,而成本比合金铸铁要低得多了。修边刃口材料,选用型材镶块而不是符型的铸钢,主要是因为铸钢成本要高得多。最值得注意的是,丰田现已经大量采用基体与刃口一体化的特殊铸铁材料作修边模,使模具的机加工成本大为降低。请注意这里的刃口既不堆焊,也不是钢材,铸铁整体刃口只经表面火焰淬火,直接用于几十万次寿命的薄板料修边模。而且这种铸件的成本还不高。

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表面处理

丰田的拉延模型面的表面处理,要求较高的采用电镀,其它模,翻边、修边刃口镶块基本上采用火焰淬火。日本目前没有采用离子渗氮技术,据丰田人讲,也有试用的考虑。对厚板料长寿命的刃口材料,丰田采用具有自己专利的特殊钢材,也是火焰淬火。而先加工成型,后整体淬火的方法,由于淬火带来的变形只能靠人工修整,在丰田没有见到使用。

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模具生产中的检验

模具是单件生产,保证质量是一件非常困难的事,国内的模具厂大都配备大量的专职工序质检人员,这严重影响生产效率,但质量把关效果还不佳。丰田是怎么做的呢?

工序检验:丰田人认为产品的质量在源头,设计、工艺、编程、机床、刀具才是质量真正的保证,质量是生产出来的而不是检查出来的,因此,模具各序之间没有专职检验,只有自检和互检,质量的把关靠得是每一个生产者。

型面检测:模具的型面也基本没有测量检验。大量的型面检测,如测拉延圆角,拉延筋的修正量,曲面的光顺度等主要是为了模面设计积累经验,而不是为了检验模具质量是否合格。

制件检测:丰田的产品件检查,主要靠三维测量机进行自动数值检测,但他们也做验具,验具只起产品件定位支撑的作用。因此验具结构简单,没有强制卡紧装置,他们的产品件检测几乎是处于自由状态下的检测,这对产品件的符型性是一个非常严格的要求。

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9. 技术发展动向

前几年我们看到发达国家的汽车模具行业似乎在萎缩。因为,当时认为模具生产离不开人的手工劳动,发达国家具有工资成本高、没有人愿意干这一行等因素,模具行业大有向第三世界转移的趋势。通过丰田的发展,我们有了一些新的认识,模具生产越来越依赖高科技,完全可以把人工劳动降到很低,汽车对模具生产的需求最重要的是高质量和短周期,在大规模汽车生产中,模具本身的成本远远不如模具的使用成本更重要。

从这一点上看,目前我们的模具生产不具什么优势,这种工业转移也不会成潮流,这十多年来,我们通过硬件的技术引进得到的技术进步,并没有祢补上因人家更加努力的追求技术进步而带来的新的差距。换个角度说,如果汽车模具行业真的向第三世界转移的话,那一定是个夕阳产业,目前汽车模具在车身材料没有突破性变化的情况下,还是有一定的发展空间和需求的。

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重点发展计算机技术

丰田模具制造技术发展的重点,在于突出计算机的应用,越来越多的人从生产现场转移到计算机前。实体设计加上数控编程,取代了人工实型制作和机床操作。精细模面设计和精细数控编程大大减少了钳修,高精度加工取消了模具的研合、修配。现在数控编程人员已超过了现场操作工人,数控编程的工时费用,超过了机床的加工工时费50%,编程的周期超过了机加工周期。计算机技术应用的发展,目前没有降低模具成本,但模具生产已从依赖人的技巧转向数控化的自动、半自动化生产,这种高精度和无人化加工,使模具和产品件的质量有了极大的提高,生产周期大大缩短,计算机技术使模具制造技术又达到了一个新的高度。

相比较就可以看出,国内目前的计算机应用还比较初级,并不是我们的机床和软件不行,而是在应用的基础技术上有很大的差距,即使是把丰田的技术全搬来,真正做到那种效果,也不是一件容易的事。

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消灭钳工

原来我们认为,模具这种单件生产、型面复杂的产品,离开手工是不可能的,而丰田提出要消灭钳工。消灭钳工是一种目标,主要是指极大减少或完全避免修磨和调整钳工(装配钳工还是要的)。正如我们在前面所介绍的,目前丰田的这一目标已基本实现,除修磨拉延面和拉延凸圆角外,推磨、修模和调配钳修,已大部分属于异常或祢补设计、制造的缺陷,不再是一件必要的和正常的工作。

我们举个例子,拉延模型面的光洁度历来是我们强调的质量标准,过去为达到这一点主要是靠钳工推磨。为减少或不推磨,就要减少铣削刀痕余量,有人主张采用垂直型面加工的五轴铣床,也有采用数控型面磨。这些丰田也都采用过,但实践证明,五轴机床成本高、效率低,编程十分困难,效果也十分不理想。最后,丰田采用高速、小移行的三轴铣削加工方式,得到高精度型面,把圆角人工推磨,而其他型面干脆不修磨,模面带刀痕拉延。

结果证明,虽然模面谈不上光洁度(还带刀痕呢),但即使是表面质量要求很高的轿车外板件,除制件内表面有一些拉痕外,对有用的制件外表面没有任何不良影响,就是需要电镀的那些模面,也同样是带刀痕电镀。据说德国和美国有些汽车模具厂也早已废除了型面推磨。这对那些追求模具表面光洁度的人来说,真是命运开了一个大玩笑。同样,对型面凹角采用清亏,立面加工采用30度头防让刀,用不等间隙控制制件成型压力等等各种方法,现在凸凹模的配合精度,使研合和钳修失去意义。

因此,某种意义上的消灭钳工,不再是一个梦。当然,在国内,目前一个模具厂怎样说服用户接受这种带刀痕的模具还是一个大课题。

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一体化加工

丰田的机加工车间现场,有三种数控加工线:第一种是由几台床身可互换的数控机床组成的加工线,一条线里包括底面加工、卧铣、粗铣、精铣各种机床,配套分工明确,工件换机床时不必重新装卡找正,这条流水线大约是80年代的产品。第二种是带立体仓库的无人职守的揉性加工机群,这是90年代初的产物。第三种是近年才投入使用的粗精加工一体化、高速、高精度、五面加工中心。第一种加工线,它的单机就是我们目前使用的数控机床,但机床为多工作台式,它的不重新装卡找正方面效率很高,而我们还基本上停留在单机作业的水平上,很值得我们借鉴。对于揉性加工机群,虽然很先进,但操作起来很困难,准备工作和时间很长,如果没有很大量的精加工任务,使用起来并不实用,就是在丰田也是如此,看来这不是一个成功的方向。

一体化加工中心是目前正在发展的最新技术,它的优点是,集各种机床优点之大成,除底面加工之外,一次装卡,粗、精、卧,高功率、高精度、高速面面俱到,十八班武艺样样精通,加工效率很高。缺点是机床成本很高,需要环境要求也很高,用它来粗活、重活一起干时是不是很经济呢?还不得而知。但,无疑这是一个很理想主义的技术,代表着数控加工技术的发展,应引起我们的注意。

丰田的技术告诉我们

好的模具应该是设计出来的;模具也可以流水线生产;高新技术应用是模具制造技术发展的动力;国内汽车模具业与世界先进水平相比还有差距,如果我们不努力,这种差距不是缩小,而是会拉大。

通过上文,我们只是把在丰田公司所看到的一些印象深刻的、与国内对比性比较强的东西简单罗列在一起,并不全面也不细致,希望这些材料能给同行以思考。

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