談汽車模具的品質質量

<1>:誰動了模具加工質量的奶酪?
王正雄先生:在模具制造過程中,影響模具質量的因素很多,我認為模具設計、模具加工、模具裝配和調試是影響模具最終質量的關鍵因素。
模具設計是決定模具先天質量的最關鍵環節,沖壓工藝設計、結構設計的好壞直接決定模具質量和沖壓零件質量的好壞。設計者不僅要考慮滿足客戶要求,還還應考慮模具的加工性、可靠性、可維護性以及模具使用的方便性、安全性和壽命。

模具加工過程也是確保模具質量的重要一環,模具制造過程中的加工方法和加工精度會影響到模具的使用壽命。模具各零部件的加工精度直接影響到模具整體裝配質量,除設備自身精度的影響外,還需通過改善零件的加工方法,提高模具鉗工、調整工在磨配、調試過程中的技術水平,來提高模具加工質量和裝配質量,使其模具性能、質量、可靠性滿足客戶生產要求。
李樹新先生:在模具行業,經過近幾年的市場運作,各企業都把質量、周期、成本、服務這四大要素作為企業核心競爭力的標志。在這四大要素中,大家把質量越來越多地放在首位。

在沖壓模具開發的整個過程中,可以歸納成這樣十大環節:
① 沖壓工藝設計

② DL圖設計
③ 數模再設計
④ 結構設計
⑤ FMC制作
⑥ 一次加工
⑦ 初組裝
⑧ 二次加工
⑨ 終組裝
⑩ 調試

應該說,這十大環節是模具開發的核心流程,它們對模具的最終質量影響很大。前四個環節是模具的設計技術環節,沖壓工藝設計至關重要;DL圖設計是沖壓工藝設計的的布置和規劃;數模再設計是對產品沖壓成形后缺陷預測的分析和補償;結構設計是用科學、合理、經濟的結構,實現沖壓工藝設計,體現模具的操作性、維修性和制造加工性。所以說,前四個環節的設計技術決定了85%以上的模具最終質量。這也正是為什么近幾年各大模具廠在作強自己技術隊伍的同時,一些民營企業也紛紛建立自己的模具開發技術隊伍的原因。
后六個環節基本是以制造為主的加工技術環節。在這些過程中,越來越多的應用編制程序來驅動機床加工。這里的加工有兩大特點:一是制造加工應用數控機床的程度越來越普及,加工越來越智能化;二是質量方面越來越多的環節是用機床保證,而不是靠手工保證。在后六個環節中,最重要的有兩個方面:一個是加工精度;二是調試水平。
高水準的加工精度決不是簡單的熟練操作就能達到的,這里面含有大量的工藝技巧。也就是說,高精度機床不一定能夠加工出高精度的產品,因為它缺少工藝;低精度機床也能夠加工出高精度的產品,因為它掌握了工藝技巧。所以說,要想提高數控機床的加工精度,關鍵是提高加工工藝水平和工藝的執行率。

調試是對設計技術和加工精度的驗證和確認,同時又要具有綜合分析處理解決的能力,把未實現的設計意圖通過調試來實現。因此可以說,制造過程中影響最終質量的關鍵環節是加工精度和調試水平。
常世平先生:沖壓工藝是決定模具質量水平的關鍵。

我們都知道設計決定產品,有什么樣的設計就會有什么樣的產品質量。在模具設計中可分為沖壓工藝設計和結構設計,其中沖壓工藝設計是關于沖壓件過程的設計,它直接決定了沖壓件的品質,沖壓件的品質高低是衡量模具質量的最關鍵指標。
沖壓件的品質主要有面品、精度和成形裕度三個方面。
對外板件來說面品是第一位的,拉延補充面和成形過程的工藝處理是關鍵,例如:防線偏移的反拉成形、小圓角的過拉延處理、防塌陷的隆起處理、防回彈處理等。工藝處理的技巧和方法是依賴人的經驗積累和反復的實驗得來的,而中國的轎車外板模具生產經驗還非常欠缺,因此,要想有好的外板模具必然要先有成熟的沖壓工藝設計。

同樣,大多數人都很自然地認為高精度模具就會生產出高精度沖壓件。這是一種誤解,模具精度與制件精度之間是必要條件但非常不充分。制件成形過程中的回彈、各沖壓工序之間的定位精度、制件成形后的應力分布等,對制件的精度往往起決定性因素。這些內容都屬于沖壓工藝設計的內容,沒有合理的工藝,模具精度再高也不可能有高精度的制件。

當然,制件的成形裕度是制件的內在質量,好的制件,板材要充分變形又不能過分變薄,這更是由沖壓工藝決定的與模具精度幾乎無關。

總之,沖壓工藝設計是模具技術的核心,它的高低最大程度地決定了模具的質量。
同時,模具的開發過程經歷了工藝設計、結構設計、實型與鑄造、數控加工、標準件采購、裝配與調試這幾個階段,每個階段的作用不同,對模具質量的影響也就不同。工藝設計決定沖壓件品質,結構設計決定模具的操作性和模具的功能,模具材料決定了模具的壽命和穩定性,機加工決定了模具機構的精度和成形曲面精度,鉗工階段是對所有前序工作的完善和修正。任何階段的問題都會影響到模具的質量,模具的質量水平是由最薄弱的那個環節所決定的。如果一個模具企業,沖壓工藝設計還沒有與模具結構設計嚴格分開,那它對沖壓件品質還沒充分認識;如果還在為模具材料頭疼,那它還處于低成本競爭階段;如果還在為機加工精度頭疼,那它就不會有也不需要高精度的沖壓工藝設計;如果還在為沒有足夠多的好鉗工而頭疼,那它一定整體設計制造水平都不高。模具的不同質量問題可以反映出模具企業的水平和處于的發展階段。

<2>:沒有高精度加工, 再好的模具設計也出不來
李樹新先生:前面說了,在模具制造過程中,影響質量的關鍵環節就有金屬加工方面的加工精度。影響模具質量最關鍵的加工環節是“二次加工”環節?！岸渭庸ぁ弊?br /> 主要的三個內容是:型面、孔位和輪廓。去年,我廠大力抓了NC加工到位,主要強調的也是型面加工到位、孔位加工到位和輪廓加工到位,目前已收到一些可喜的效果,NC加工到位的比例有一定的提高,主要采取的方法:
一是規范CAM程序的編程規范。讓年輕人應用成功的經驗方法,編寫出同一水平的程序,在編程規范中,明確規定機床的選用、刀具的選擇、走刀方向、加工余量等切削參數的確定和不同形狀特征所應采取的NC工藝方法。
二是有經驗的師傅指導、把關。
三是NC加工操作規程和作業指導書的細化,強化作業的規范性和工藝、流程的執行力。四是在研配壓床上,對“二次加工”是否到位進行確認、跟蹤、統計數據、分析結果,調整NC編程加工參數。
另外對于切削過程中的振動,確實是目前加工過程中的一個棘手問題。切削的振動,首先會產生噪音,但更大危害是影響了切削加工的質量。精加工時,主要表現的現象是表面呈現魚鱗狀,影響加工精度和表面粗糙度。在生產過程中,我們發現有下列幾種情況易產生加工振動:1、加工轉速:轉速過高易產生振動;2、刀具長度:同直徑刀具加工時,越長越容易產生振動;3、加工余量:加工余量越大越容易產生振動。所以我們在實際加工過程中,特別是高速加工時,首選動平衡刀柄、刀具,再注意選擇適當的加工轉速、刀具長度和正確的加工余量等因素,就可降低切削振動帶來的危害,提高加工精度和表面質量。
汽車覆蓋件模具,凸模和凹模之間的型面間隙,是由凸模和凹模型面加工精度所決定。加工精度不僅影響鉗工的修拋效率,而且影響上下模研合率,直至影響模具最終的質量。所以,模具的上下模型面加工到位,是“二次加工”NC加工到位的一個主要內容。
經過近幾年的實踐,NC加工后,研床間隙研合確認,統計分析,再調整數控機床刀具的加工參數。目前,一般復雜的汽車覆蓋件模具型面,上、下模型面分別經NC加工后,經合模研床確認,著色還比較均勻。但這僅解決了間隙不均和需鉗工大量研拋的問題。要想解決NC加工后,上、下型面料厚間隙95% 100%區間的精度問題,還相差的甚遠。這個區間精度問題的解決是一個很復雜很難穩定保持的問題,影響的因素甚多,且很敏感。如:刀具的磨損、每次對刀精度、加工的讓刀現象、前面說的主軸振動,另外,對于大型模具上下模加工,刀具起始點和走刀軌跡的編程工藝問題等,目前我廠正在實踐和探索中。
汽車覆蓋件模具數控加工的在線測量是通過統計、分析、總結經驗來調整數控加工參數,是近幾年的新做法。我廠也開展了幾年,收到了很好的效果。
在此過程中,我們做了兩件事:一是定心沖頭;二是刃口輪廓間隙。前期,我們在推廣定心沖頭使用時,追求上下模分別加工后合模的正確率。另外,在推廣刃口模加工精度、追求上下模分別加工后合模刃口輪廓間隙的正確率時,主要用于孔位加工和輪廓加工兩個方面。目前,這種方法已成為加工過程質量控制的一種自檢方法,但仍存在一弊病,在線測量占用機時很嚴重,影響機床的使用效率,所以,孔位要求下模逐一檢查確認,輪廓僅抽點檢查確認。
常世平先生:制造精度在模具開發過程中主要有兩種作用:1、制造精度對工藝和結構設計起保障作用,沒有高精度加工再好的模具設計也無法實現。反之,沒有高精度的加工,工藝設計和模具調試之間的反饋就被切斷,也就不能實現工藝設計的提高;2、制造精度對模具的質量起保障作用,決定模具工作的穩定性和壽命。
采用數控加工、采用高速高精度加工是提高制造精度的第一步,相對比較容易,現在國內模具企業都已經認識和做到了這一點。但要達到制造高精度,并不是自然而然的事。保持機床剛度精度的穩定性、選用高精度高剛性刀具、刀具管理、加工參數的優化、高精度編程、鑄件的熱處理、提高標準件精度等,都需要很高水平的技術管理工作和大量的人力、資金投入。而我們的大多數企業都還遠沒有認識到,因此也不可能做到,高制造精度還停留在愿望階段。舉個例子:大型模具的上下模配合精度要求公差在
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<0>:03mm水平,而我們的機床定位精度、刀具擺動精度、刀具幾何精度、工件找正精度甚至環境溫度變化造成的工件收縮變形都屬于同一數量級,在這些誤差的累計和疊加下,怎么保證加工精度要求?確實不是件容易的事。高制造精度又是高質量模具的基礎,因此,國內企業必須下大力量首先解決這個問題。


<3>:CAE是提高沖壓件品質的關鍵技術

常世平先生:關于沖壓件質量是模具質量的關鍵因素前面已經說了很多,但怎樣提高沖壓件質量?在現階段主要是運用好CAE技術。目前CAE技術在國內一流模具企業中已經普遍得到了運用,但不同企業對該技術的認識和運用水平差別很大,大多數企業還屬于被動的和作表面文章的階段,沒有把它當成模具設計和制造的推動技術。
大多數人認為CAE只是沖壓成形的驗證手段,而且對其準確性還將信將疑。這種認識過時了,現在的CAE技術已經非常成熟,可以達到90%甚至95%以上的精度,可以運用于工藝設計的全過程,直接指導模具的調試,保證制件的內在品質,大大提高工藝設計水平和效率。
例如:在車身設計階段,利用CAE技術可以提高車身零件設計可靠性,減少車身設計階段的失誤。這對當前國內車身設計尤為重要,車身設計工藝性的好壞直接影響到模具開發的進度和成本?，F在的CAE軟件都在向輔助工藝設計方向發展:自動確定沖壓方向、自動產生工藝補充面、坯料的展開等,使工藝設計過程極大的自動化。同時,工藝分析的內容也大大擴展:嚙合線分析、棱線偏移分析、修邊角度分析、成裕度分析、扭曲回彈分析等,幾乎所有的成形缺陷都能得到事先考慮,保證了沖壓件的內在品質,這些內容是人的經驗根本無法作到的。一個好的CAE報告完全可以取代現行的DL圖,而且做得更好更全面。同時,利用CAE報告直接指導模具的調試可以使模具調試作到心中有數,不走彎路。
目前,在那些已經運用了CAE軟件的模具企業中,運用CAE技術的普遍問題是:
1、工藝方案人員沒有與CAE技術結合;
2、沒有利用CAE軟件作輔助工藝設計手段;
3、CAE計算精度不夠;
4、各種成形缺陷分析不全面;
5、沒有信心堅持CAE下的高標準工藝設計
6、沒有標準化的高水平CAE報告;
7、調試沒有把CAE報告當作指導;
8、制造精度不夠,對精細模面設計不支持;
9、沒有形成調試結果與CAE分析的閉環過程等。對那些把CAE軟件看成是很神秘的企業,CAE只是少數專業人員的事,只作為成形設計的檢驗,就會讓工藝設計人員感到只添麻煩不幫忙,結果使CAE作為招牌束之高閣。
當然,目前CAE軟件在解決回彈計算方面還遠不能滿足要求,這是影響制件精度的最主要原因。同時,CAE軟件只把輔助工藝曲面設計融合進來,而沒有把解決缺陷的一些常用處理方法吸收進來,使CAE軟件在某種程度上還是一個只挑毛病而不幫忙的角色。
總之,CAE技術的充分運用可以可靠地保證和極大地提高制件品質,CAE水平已經成為衡量一個模具企業技術水平高低的重要指標。
李樹新先生:在沖壓模具方面,CAE模擬仿真幫助我們優化設計,主要體現在以下幾個方面:一方面是產品工藝性的優化;另一方面是模具工藝設計的優化再一方面是NC加工的模擬仿真。
板料CAE模擬仿真無疑是一個好幫手,它利用有限元分析理論,把板料塑性加工的實踐經驗和板料特性融入其中。從理論上講CAE是為了解決前期產品工藝性和沖壓工藝設計優化等問題,前景廣闊。CAE的美好愿景和最高境界是模具的計算機調試,解決模具的“無調試”化,實現模具生產制造質量和效率的最佳化。
在實際中,由于CAE有限元理論和生產實際還有一定的差距,另外,加上應用水平的原因,特別是要想發現產品設計工藝性問題和模具沖壓工藝設計問題時,首先應用CAE的前提是:產品數模在什么樣的沖壓工藝補充造型條件下模擬。優秀的沖壓工藝補充需要有相當的工藝知識和技能經驗作保證。經驗越豐富,CAE模擬所走的彎路才能越少。
另外,它還是一個反復模擬逐漸逼近的過程,每一次模擬后的解析和解析后所采取的措施,是CAE模擬技術的核心。最逼近是最好的結果,從理論上講,就是CAE有限元理論和實際之差。再加上實際中還有加工精度、壓床精度等因素的影響,所以模具的“無調試”化還是個理想。
NC加工模擬仿真主要是對編程員的程序質量進行模擬檢查的過程。有兩方面的內容:一是檢查、確認程序的走刀軌跡能否滿足質量精度要求,評審是否有異常跳刀的可能;二是檢查、確認程序加工過程中刀具、主軸與工件是否干涉,也就是平時常說的干涉檢查。
王正雄先生:目前,我廠CAE使用的軟件是DYNAFORM,正處在由培訓提高向實際應用轉化的階段。NC加工模擬仿真方面一直應用美國UGS公司的軟件,加工部分帶有模擬仿真軟件,效果還比較理想。我公司目前采用的模擬仿真工具軟件是AUTOFORM,該軟件提供了一個從產品概念設計到最后模具設計的完整的解決方案,其主要模塊有User-Interface(用戶界面)、Automesher(自動網格劃分)、Onestep(一步成形)、DieDesigner of Process(工序模面設計)、Incremental(增量求解)、Trim(切邊)、 Hydro(液壓成形)等,該軟件特別適合復雜的深拉延和拉伸成形模的設計、沖壓工藝和模面設計的驗證、成形參數的優化、材料消耗的最小化、新板料(如拼焊板、高強度板)的評估和優化以及成型件的回彈分析等。
我公司從2001年5月引進該軟件,經過幾年的應用和開發,在拉延成型類零件模擬分析、沖壓零件可沖壓成形性分析、沖壓零件毛坯展開計算、零件回彈分析、工序模面設計等方面得到了廣泛的應用,效果理想,保證了模具的最終質量。

<4>:影響模具使用壽命的關鍵因素
王正雄先生:模具材料的選用和熱處理工藝是否適當對模具的使用壽命有著十分重要的影響,不同材質的模具壽命往往不同。沖壓模具工作時要承受沖擊、振動、摩擦、高壓和拉伸、彎扭等負荷,工作條件比較復雜,模具零件易發生磨損、疲勞、斷裂、變形等現象,因此,對模具工作零件材料的要求比普通零件要高。
沖壓模具工作零件材料有兩點基本要求:
一、使用性能好。具有高硬度(58~64HRC)和高強度,并具有高的耐磨性和足夠的韌性,熱處理變形小,有一定的熱硬性;
二、工藝性能好。具有對各種加工工藝的適應性,如可鍛性、可切削加工性、淬硬性、淬透性、淬火裂紋敏感性和磨削加工性等。通常根據沖壓件的材料特性、生產批量、精度要求等,選擇性能優良的模具材料,同時兼顧其工藝性和經濟性。
當然,不同類型的沖壓模具因工作條件不同,對模具工作零件材料的要求也有所差異。如沖裁類模具,對于薄板料沖裁模具,其工作零件用材要求具有高的耐磨性和硬度,而對于厚板料沖裁模具,除了要求具有高的耐磨性、抗壓屈服點外,還應具有高的抗彎強度和韌性。又如拉深類模具,就要求模具工作零件材料具有良好的抗粘附性(抗咬合性)、高的耐磨性和硬度、一定的韌性以及較好的切削加工性能,而且熱處理時變形要小。
李樹新先生: 材質無疑是保證模具使用壽命的首要因素,但同時還有與之相關的另一大因素——材料的熱處理。
材質方面,因國內普及使用的材料種類少,另外,還有進口材料價格和成本的原因,一般用戶沒有特殊要求的,仍延襲用比較傳統的選材習慣,僅在產品特征和結構特殊的地方,才不得以選用特殊材質或表面特殊處理。
另外,在用戶有特殊要求或國外廠家訂貨有要求時,有些模具材料選用進口材料,如:刃口材料,修沖類的焊接刃口的焊條;拉延成形的合金鑄鐵;甚至要求嚴格的連模具的上下模板一般鑄件和螺釘都要進口。這一方面說明了影響模具壽命的首要因素是材質,另一方面也說明了國內材料生產能力和水平與國外相比還有一定差距。
熱處理方面,除材質不同外,國外一般在模具調試好之后,為了適應大批量生產,模具往往采要進行表面處理,以提高模具的使用壽命,同時,對沖壓件質量也有提高和保證,如表面鍍鉻、表面滲氮、TD處理等。。
常世平先生:過去國內的鑄件品質不高,很大地影響了模具的使用壽命,近年來這種情況已經有了根本性的改觀,特別是國內一流鑄造廠無論是合金鑄鐵還是球墨鑄鐵、鑄造空冷鋼已完全能達到質量要求,不比進口材料差,但我們的模具材料表面處理工藝還有差距,比如:拉延模的電鍍、表面滲氮、TD處理和表面高頻淬火等技術都沒有應用或有很大不足。
應該引起我們重視的是,模具沖壓工藝設計、模具剛度設計、模具制造精度以及模具材料的表面處理也是影響模具壽命的主要因素。一個好的設計方案,應該使制件成形容易、模具結構簡單,這可以降低模具工作表面的摩擦,大大地延長模具使用壽命。另一方面,模具的精度和剛度不好,常常造成模具變形,引起模具的加速磨損,是極大的縮短模具壽命的元兇。。

什么是真正的模具質量?

常世平先生:一提“產品質量”,人們往往想到的是一些數字,即各種各樣的質量指標,但對于單件生產的訂制產品來說,用戶或供應商都很難把質量用一組單純的數字表述。其實汽車覆蓋件模具的質量也像其他產品的質量問題一樣,滿足用戶的需求是最根本的質量。
但模具作為工裝設備,用戶的需求可分為直接用戶需求和最終用戶需求。。

直接用戶需求主要是使用要求,模具的實用性、操作性、可靠性、維護性和壽命等要求。操作性包括模具的交換調整時間、人工操作的方便程度、自動化操作的適應和可靠性、廢料的排出、沖次/分鐘等?？煽啃园▽_床性能變化的適應裕度、平均免維護沖次等。維護性包括易損件的互換性、維護的簡單方便等。模具的壽命要滿足車型的整個生命周期和車型退市后的售后服務需求。
國內以往的沖壓模具絕大多數都是人工操作的低速沖壓,如何生產滿足相對高速的自動化沖壓線模具就成為提高模具結構設計水平面臨的桃戰。又比如:滿足模具自動快速更換,模具與自動化沖壓線的同步配合,沖壓20次/min以上時的廢料排出問題,自動沖壓線的動態干涉問題,大批量高速沖壓模具的穩定性和平均無故障時間問題等,這些問題都要求我們對自動化高速沖壓特性有充分的認識,以提高我們的模具設計水平,更好地滿足用戶的需求,進而達到模具質量的要求。
模具的最終用戶需求主要是產品性能要求。模具的最終產品是沖壓件,這就要求用模具生產出的沖壓件的成本、精度、面品、剛度等滿足要求。對大規模生產來說,模具設計首先要解決材料的利用率、適應高沖次等直接關系到制件的成本問題。同時,模具對不同的車型能提供不同的精度、面品、剛度要求的沖壓件。這些問題對中國的模具企業來說都是新問題,也是直接影響模具質量的大問題。
對于模具來講,用戶還有一些特殊需求,比如:用戶的認知水平和使用習慣,車型開發整車協調中的模具修改等。
總之,對用戶需求的了解和適應,模具設計和制造的針對性是提高質量的關鍵,把模具的質量問題簡單地歸為模具材料和模具精度的提高并沒有找到問題的根本。

<5>:高質量的沖壓件是模具要實現的最終任務
李樹新先生:模具的最終任務是沖壓出高質量的沖壓件。目前,在塑性加工過程中,最難解決和最棘手的就是應力、應變所引起的扭曲、回彈等變形現象,所以說板料的塑性加工,更確切地說應該是塑性變形和彈性變形的復合體。
如何準確地判斷沖壓成形板料塑性加工的應力分布是解決應變的重要基礎。在現實的生產實踐過程中,由于沖壓件產品形狀復雜,不同材質的板料在同一產品制件成形中所產生的應力不同,因此,應變也不同。目前,我們只是憑經驗作定性分析,給出一定沖壓余量,作業沖壓產品的缺陷預測,并制定預防措施。這些措施有些是在沖壓工藝方案上實施,有些是在模具結構上實施,有些是在產品數模再設計環節中實施。
改變產品數模,局部預留沖壓余量,達到最終沖壓產品缺陷預防的作用,這些正是塑性加工理論難以定量解決的問題,也是模具行業技術領域高深莫測之處。
目前,國外在此方面做法比較嚴謹。他們對難以把握的沖壓產品,在作CAE反復逼近模擬分析后,通過制作概念車進行沖壓工藝試驗。經驗加上試驗最后得出的修正值,也就是所說的沖壓余量才是比較準確和穩定的,也才能把該沖壓余量最后移植到正規批量生產的模具上。這種嚴謹的做法無論是在產品設計開發,還是在模具的工藝分析、工藝設計上,投入的人力、物力都是巨大的,這就是為什么同一產品開發、工藝設計,國外的技術價值含量要比國內高很多的原因。目前,我廠有一些產品的沖壓余量是憑經驗給出的,如頂蓋,也有一些產品則是通過調試、測量統計分析后,總結出不等變量的沖壓余量,最終修正模具,落實到正規批量生產的模具上,如轎車天窗骨架、重卡左右保險杠側板。
常世平先生:國內的汽車模具企業數量眾多,這些企業在理念、技術、工藝、管理等許多方面都有很大的差異,企業處于不同發展階段,面臨的主要模具質量問題也各不相同,因此要針對各自特殊情況加以解決。但樹立模具制造以用戶需求為質量要求的理念,重視利用CAE技術提高沖壓工藝水平,實現數字化設計制造,堅持通過高精度加工達到只裝不配少修階段,我們的模具質量一定會有一個巨大的飛躍。