考察德國寶馬模具廠的啟示與思考

文/賀傳軍，王義華·沈陽金杯汽車模具制造有限公司

考察德國寶馬模具廠的啟示與思考

文/賀傳軍，王義華·沈陽金杯汽車模具制造有限公司

2012年10月，受德國寶馬模具廠邀請，筆者前往德國寶馬兩個模具廠考察學習，同時參觀了第二十二屆漢諾威國際金屬成形技術展覽會。參觀學習過程中，了解了目前世界最先進的模具制造技術和金屬成形技術，深深感到我公司與世界先進模具企業(yè)的技術和管理方面的巨大差距，拓展了視野和發(fā)展思路，受益頗深。

寶馬集團模具廠廠區(qū)概況

寶馬模具廠（Toolshops at BMW Group），下設三個廠區(qū)。

⑴寶馬集團慕尼黑模具廠，見圖1。廠區(qū)面積約8200m2，員工總數(shù)210人，產(chǎn)品開發(fā)人員55人，主要從事工程設計、工裝制造、熱成形模具制造等。主要設備，有6臺2300t調(diào)試壓力機，5臺大型加工中心（自動換刀系統(tǒng)）。年產(chǎn)模具114套，約3000萬歐元。

圖1 寶馬集團慕尼黑模具廠

⑵寶馬集團丁戈爾芬模具廠，見圖2。廠區(qū)面積，約13000m2，員工總數(shù)300人，沖壓車間的技術和生產(chǎn)人員55人，主要從事工程設計、工裝制造，熱成形模具制造等。主要設備，7臺2300t調(diào)試壓力機，7臺大型加工中心（自動換刀系統(tǒng)），1臺自動變換刀頭的數(shù)控激光熱處理和補焊機。年產(chǎn)模具245套，約3900萬歐元。

圖2 寶馬集團丁戈爾芬模具廠

⑶寶馬集團艾森納哈（Eisenach）模具廠。廠區(qū)面積，約10300m2，員工總數(shù)230人，從事工程設計、模具制造等。主要設備，7臺1600t調(diào)試生產(chǎn)壓力機，3臺龍門銑床，1臺高速銑床，均為自動換刀系統(tǒng)。

先進的管理與技術水平

筆者本次考察學習了慕尼黑和丁戈爾芬兩個工廠，并在技術、制造的多個環(huán)節(jié)與慕尼黑工廠技術主管、企劃主管、制造主管、調(diào)試主管，還有丁戈爾芬工廠制造主管等德國專家就技術、生產(chǎn)及管理方面進行了交流。同時，與寶馬模具廠總經(jīng)理Juraske先生及慕尼黑、丁戈爾芬工廠總管Gallenberger先生就下一步雙方合作達成初步意向。

⑴工廠整體控制在寶馬專用的Proleis規(guī)劃系統(tǒng)下，實現(xiàn)各環(huán)節(jié)關聯(lián)，見圖3。工廠特別重視企業(yè)產(chǎn)品策劃，企劃管理的結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)能力規(guī)劃相融合。僅慕尼黑模具廠計劃部門就有16人，負責產(chǎn)能規(guī)劃以及4～5年的長期規(guī)劃（該規(guī)劃越來越細化），成本控制、質(zhì)量控制也在規(guī)劃之中，采購也是計劃部門負責。每年采購額度1700萬歐元左右，從德國本土、歐洲以及中國采購，年終全面總結(jié)。企劃部與生產(chǎn)管理在一個辦公場所，充分實現(xiàn)了企業(yè)產(chǎn)品策劃與生產(chǎn)加工實際相匹配，規(guī)劃實施順利實效。在采購控制系統(tǒng)中，由設計部門形成標準件目錄，制定出整體時間表，車間在生產(chǎn)控制方面制定出符合實際情況的實施計劃，并得出相關資源利用圖。

圖3 各環(huán)節(jié)關聯(lián)的組織結(jié)構(gòu)

⑵設計方面流程與國內(nèi)常規(guī)流程基本一致，CAE方面主要采用Autoform、Pamstamp、Think3實現(xiàn)高強度金屬板成形模擬、回彈補償、流程模擬伺服壓力機和沖程次數(shù)的優(yōu)化。模具結(jié)構(gòu)采用CATIA V5進行設計，整個過程標準化率極高。整個設計和編程過程實現(xiàn)了高度的模板化和自動化，見圖4。設計大體過程共計4個步驟：

圖4 模具從設計到加工的技術流程

①初步設計，采用Autoform對產(chǎn)品進行初步工藝補充建模，實施成形模擬、回彈和成形力分析。

②采用CATIA進行精細建模，用Pamstamp、lsdana軟件進行工藝模擬和回彈補償，成形表面滑移線和應力分析，通過THINK3將回彈補償量值半自動地補償?shù)焦に嚁?shù)模上，形成迭代式分析補償和優(yōu)化。

③采用CATIA進行模具結(jié)構(gòu)設計，應用 “模板化”結(jié)構(gòu)，從標準庫中選擇參數(shù)化“模板”。同時，考慮與壓力設備的匹配，其中標準件自動融入并形成明細清單或標準件目錄，進而實現(xiàn)生產(chǎn)預定準備過程的自動化。

④將模具數(shù)模輸入到伺服壓力機模擬系統(tǒng)中模擬，并進行優(yōu)化。該系統(tǒng)將真實的壓力機組、伺服機構(gòu)、工作環(huán)境均虛擬化，模擬中將后期實際工作中可能產(chǎn)生的缺陷提前預測，通過操作實現(xiàn)細節(jié)觀察、翻轉(zhuǎn)、放大縮小、干涉顯示報警等，及時檢查優(yōu)化改進。

⑶機械制造方面，在Proleis系統(tǒng)下，生產(chǎn)控制臺實施動態(tài)車間控制（DWS）。產(chǎn)能的綜合配置形成日程表，設備按計劃時間表予以提供，操作者與設備部門保持著動態(tài)溝通，各種產(chǎn)品、工藝及生產(chǎn)數(shù)據(jù)及時到位，在大屏幕上隨需調(diào)取。模具鑲塊等部件單獨備好，物流管理規(guī)范高效，材料、標準件等均按編號分類存放于庫房間并納入數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)中，需調(diào)取時只要輸入模具編號，系統(tǒng)自動識別并調(diào)出部件/材料，操作者直接取走。所有運送小車均為同一標準，周轉(zhuǎn)箱分成大中小系列，大箱中可裝中箱，中箱中可裝小箱，且設計完美，排擺嚴絲合縫，無任何浪費空間。

模具數(shù)控加工采用TEBIS軟件進行一鍵式智能編程，已建立形成成熟的實際加工用刀具庫和數(shù)控編程用刀具庫、數(shù)控機床庫、加工策略模板（編程刀具選擇、加工參數(shù)設置等）及建立編程方案庫。針對不同制件（如側(cè)圍、門板、頂蓋、加強梁類件等），建立編程方案庫。編程過程是：

①輸入加工數(shù)模；輸入編程用刀具庫；建立坐標系與邊界。

②在編程方案庫中選擇加工方案，設置自動處理加工參數(shù)。

③保存為系統(tǒng)自動處理文件，上傳至主機。

④主機自動完成以下工作，包括：產(chǎn)生并計算刀具路徑；過切檢查；遵循刀具選擇原則進行刀具選擇；刀具路徑碰撞檢查過程中自動選擇刀具；根據(jù)刀具參數(shù)自動裝載刀具路徑的轉(zhuǎn)速與進給；產(chǎn)生清角刀具路徑；自動產(chǎn)生輪廓刀具路徑；產(chǎn)生后處理程序；可自動對刀具路徑生成補刀刀具路徑；可對部件忽略加工設置；對部件不等余量設置加工；記錄加工方案的相關信息，做到自動出刀具清單、程序單、刀具路徑加工位置照片或仿真視頻。

⑤后處理刀路，上傳至數(shù)控機床服務器。

數(shù)控具體操作過程是：找正工件；將程序傳至機床硬盤；操作者啟動數(shù)控加工主程序。整個加工過程中，沒有數(shù)控操作者的人為因素干預。模具的最終質(zhì)量是由機床與程序保證的。

模具鑲塊底面的機器打磨采用研磨機進行，具備速度快、精度好、表面美觀。熱處理采用激光程控表面淬火，補焊采用激光程控熔覆技術，補焊表面規(guī)整層薄，非常易于加工和打磨，見圖5、6。研配合模機采用上翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，便于場上維修與打磨，見圖7。寶馬模具的整個開發(fā)制造流程見圖8，周期已由1995年的30個月縮短到現(xiàn)在的9個月，歷史發(fā)展績效見圖9。寶馬模具廠現(xiàn)場情況，如圖10所示。

圖5 研磨機

圖6 激光程控熔覆技術

⑷寶馬模具廠還擁有先進的內(nèi)高壓模具制造技術與碳纖維增強材料的模具制造技術，如圖11所示。目前，碳纖維增強材料主要生產(chǎn)商是日本及美國。近幾年，中國已經(jīng)有部分企業(yè)能夠獨立生產(chǎn)出較高品質(zhì)的碳纖維材料。碳纖維是一種力學性能優(yōu)異的新材料，它的比重不到鋼的25%，碳纖維樹脂復合材料抗拉強度一般都在3500MPa以上，是鋼的7～9倍，在工程中應用前景廣闊。碳纖維增強的復合材料，可用于飛機結(jié)構(gòu)材料、電磁屏蔽除電材料以及制造火箭外殼、機動船、汽車板簧、驅(qū)動軸等。

⑸熱壓成形車間。熱成形工藝主要是運用馬氏體應變原理，通過將硼鋼加熱到奧氏體化溫度區(qū)間（大約在900℃），快速輸送到壓機上，在材料具有很高延展性的時候沖壓成形，采用水冷卻的模具能保證鋼板在成形時實現(xiàn)淬火，得到馬氏體組織。因此，零件具有1500MPa的抗拉強度。熱沖壓不單是簡單的“冷轉(zhuǎn)熱”過程，涉及到了十分復雜的金屬材料熱—力—相變多物理場耦合和多尺度問題以及熱邊界摩擦非線性力學問題。

圖7 翻轉(zhuǎn)式研配合模機

圖8 模具開發(fā)流程

圖9 發(fā)展績效

圖10 寶馬模具廠現(xiàn)場情況

圖11 內(nèi)高壓模具制造

在寶馬工廠觀察到的熱壓成形，其工藝流程是：將高強板制件（A/B柱）在伺服壓力機上冷壓預成形，留有一定余量；送到熱壓成形生產(chǎn)線，經(jīng)過一系列的加熱，達到規(guī)定溫度；由機械手將其放到熱沖壓壓力機上成形；機械手將成形后的沖壓件抬舉至上方，按照來時路徑反方向經(jīng)過一系列冷卻；制件取出。此時，制件已經(jīng)實現(xiàn)金屬組織結(jié)構(gòu)優(yōu)化、應力消除，強度提升、形狀穩(wěn)定以及精度提高等。而熱沖壓模具也在工作過程中不斷地進行冷卻降溫，確保了模具尺寸精度和強度。