汽車沖壓模具開發短周期化探討

文/田燦騰·廣汽乘用車有限公司

汽車消費按傳統屬于大宗消費，汽車的使用壽命正常也能達到十年以上數十萬公里的里程。但是，今天正處于汽車工業飛速發展的時代，智能代、電氣化是當今汽車發展的趨勢，推動汽車產品快速更新迭代，智能輔助駕駛、車機系統像手機系統一樣快速更新升級，更快、更智能的需求又推動硬件(芯片、傳感器等)不斷更新提供性能支持。所以，在某種層面上，汽車正在向快速消費品轉變，汽車傳統的機械屬性弱化，電子屬性不斷加強。

快速的更新換代催生激烈的市場競爭，最近幾年汽車換代的周期一般是五年，整車開發的周期一般是36 個月以上。在激烈的市場競爭環境下，汽車換代周期三年也不足為奇，那相應的整車開發周期也會大幅縮短，未來24 個月的周期可能會成為常態化。

沖壓作為整車傳統四大工藝之一，新車型模具的開發周期是最長的，是整車開發的關鍵路徑之一。在新的行業需求條件下，必將逐漸縮短開發周期。本文將對如何縮短汽車沖壓模具開發周期展開探討。

沖壓模具開發過程

沖壓模具開發過程，一般劃分為設計、制造、調試等三個階段。設計階段包含兩大部分，第一部分為早期的同步工程(SE)，與造型開發、車身開發同步推進，基于質量、成本、日程(一般稱QCD)綜合最優原則，分析產品的工藝性，提出產品改善問題點；第二部分為產品樣車數據發布后的模具工藝和結構設計。設計完成后進入制造階段，首先進行模具鑄造，鑄件完成后根據圖紙進行加工和裝配，裝配完成上機動作排除干涉后交付調試。模具調試一般分為廠外調試(模具供應商處)和廠內調試(主機廠廠內)。廠外調試主要完成模具研配以及零件品質全面提升工作；廠內調試主要是生產線匹配，整車問題解決，生產問題(刃口碎屑、卡廢料等)解決。

開發周期影響因素及對策探討

設計階段

高品質是設計出來的，不是制造出來的，設計是整個產品開發鏈條中最重要的一環。沖壓模具的開發涉及2 個方面，產品層面的同步工程以及模具自身的工藝結構設計。

方案1：某車型發動機蓋外板(圖1)在產品開發階段未充分識別到剛性不足風險，進入量產車試制階段后，在主生產試制時發現零件搬運極易產生變形報廢(圖2)。做成總成后，剛性也不足，按壓相比以往車型明顯較易下塌。

圖1 某車型發動機蓋外板

問題產生的主要原因是產品的造型曲率較小(圖3 為該發蓋的曲率半徑，曲率半徑大，相應曲率較小)，最終的解決方案是工藝、產品設計部門聯合對產品造型進行設計調整，增加產品曲率。完成后對模具全工序型面重新機加工，加強產品剛性。整個剛性課題整改的時長歷時2 個多月，對模具的品培造成了較大的影響。

圖3 曲率半徑分析

方案2：某車型前地板(圖4)的翻邊為90°，工藝設計沖壓方向也是90°，未預設置回彈角(一般設定3°)。試模階段翻邊出現明顯的回彈(回彈量1mm 以上，基準0.5mm 以內)，采取的對策是將翻邊間隙做小0.15 ～0.2mm，單機試沖無異常，翻邊回彈也得到很好的控制，精度符合要求。回到母線批量連動生產，只生產30 臺左右，翻邊開始拉傷拉裂(圖5)，大批量生產無法維持。

圖4 地板翻邊90°

圖5 地板翻邊拉傷

該問題產生的主要原因就是工藝設定上未設置回彈角度，零件的回彈無法完全消除。另外，該零件使用的板材是裸板，材質較脆，抗拉傷性較差，加劇了該問題。最后的解決方案是更改拉延工藝，翻邊面拉延預成形，最后將回彈量控制在0.8mm 以內，不影響整車焊接。模具回母線后，僅僅拉傷課題的解決，就耗時約2 個月，最后更改拉延模具，對于地板類簡單零件，代價很大。

通過以上案例看出，產品設計、模具設計的質量對后期產品制造的品質有相當大的決定作用，對調試周期的長短也有顯著的影響。設計工作并不是以完成節點來評價，而是以最終產品的品質和量產的耐久性來評價。工藝與產品需要有良好的合作與互動，產品設計要考慮工藝與制造的客觀現實條件和一般規律，工藝設計需要注重案例積累、過往不良問題檢證和標準體系的建立和維護，定期總結更新。對于新產品特征和新工藝的使用，要有儲備方案，在問題無法解決的情況下啟用。車型結束后要盡快形成課題的書面總結資料，更新標準文件。圖紙評審邀請車間和現場調試、維保經驗豐富的同事參與，貼近生產制造現場。

技術創新也是必不可少的，大的創新且制造階段無備用方案的，建議還是開試驗模具。小的創新，只要有儲備方案，應該大膽嘗試，推動產品力提升。一個工藝成熟的產品，投產周期短。一個銷量很好的產品，產品力很強。工藝性又好，產品力又高，這是永恒的課題。

廠外階段

本文將模具開始投入鑄造到回母線這段時期定義為廠外階段。這個階段主要涉及模具加工、裝配、研配、驗收、模具整改、零件整改等工作。對模具廠資源的需求量大。對于模具加工裝配環節而言，所需周期完全由模具廠擁有的加工設備數量和裝配工段的產能決定。諸如車門內外板一般8 個零件16 套模具，加工裝配的周期一般是75 ～90 天，如果項目的周期短，需要壓縮時間，在招標商務階段就要明確需求，模具廠在制造階段要短期集中投入更多資源應對。

研配階段的時間長短主要取決于研合量及壓機工時的投入。近年來，精細化模面補償技術的應用，通過零件變薄補償、壓機撓度補償、收縮補償等綜合手段，模具加工完成首次研合率均有較大提升，多次情況能達到70%以上的水平，縮短了調試的周期。

根據過往項目的經驗，由于壓機管理和維保方面的差距以及壓機規格方面的差異，多數模具廠家壓機精度相較主機廠家要差，導致模具回母線后的研合狀態、生產出零件的成形性、面品精度均發生較大的變化。深拉延零件回廠匹配壓機后，成形開裂與出件精度大幅度下滑是常見的問題。近幾次項目，對供應商設備的精度，包含滑塊平行度、垂直度、拉深墊頂桿高度一致性，頂桿重復頂出精度，提出了明確的要求，需達到母線設備的精度要求。對要使用的設備，派員進行現場精度測量，記錄設備精度問題，整改合格后才進行模具調試。同時，應注意拉深墊的頂桿布局要與母線設備一致，拉延模調試不要偏載安裝，否則壓邊圈的研合狀態回母線后會有明顯變化。執行供應商調試設備精度管理要求之后，模具回母線后的狀態基本與廠外階段一致，尤其深拉延件模具，大大減少了重新研合模具的工時。

隨著制造周期的不斷縮短，傳統模式下的多項目資源爭奪無法消除，依靠商務上短周期的要求也無法長久持續(行業內友商同樣有需求)。解決這一問題的方案，筆者認為未來模具制造分工會進一步精細化和專業化。比如會有專業做高精度鑲塊的供應商，專業做高精度斜楔的供應商，專業做高精度加工的供應商等，模具供應商起整合作用，工作重心逐漸在設計和調試上，極度專業化的配套廠為模具廠服務。模具制造的精度大大提高，首次打件就能獲得較高的零件品質，模具本身的檢查驗收、研配的工作量顯著減少，制造周期較大幅縮短。

廠外模具調試策略方面，筆者認為應該先解決3類問題：一是拉延產生的整體性扭曲回彈(首輪出件確認)；二是產品/工藝性面品課題識別，需要改產品尤其外觀造型的要盡快決策，課題不要遺留到模具回廠(首輪驗收前)；三是確認有無重大的模具結構問題，尤其需要涉及結構大改的(首輪驗收前)。

零件達到支持整改的條件后，對零件進行掃描，然后評估零件的回彈情況，如果發生整體的扭曲回彈，就要考慮從拉延模面開始進行補償，進行其他的整改都是無意義的。筆者經歷過一個項目的背門內板，首次研合件掃描發現零件有明顯的扭曲回彈。通過全工序件掃描，已經確定拉延件存在回彈扭曲。首輪的方案是整形工序模面補償，但最終沒能把拉延產生的回彈補救回來，且零件的回彈狀態變得更加復雜。最終方案是拉延型面重新補償加工，回彈得到解決。但多消耗了1 個月的整改時間，所以拉延產生的整體性回彈，一般還是要在拉延根治，周期反而是最短的，出現此類問題要敏感，提前去判斷。

以上幾類重大問題被排除之后，以精度整改為主線，同時將面品、減薄率、模具驗收問題點穿插其中，分階段開展模具整改。在周期不夠的情況下，除了爭取更多的資源，加快整改進程之外，應對問題進行分類，建議廠內外差異小的問題(如精度類)，涉及機加工的問題，優先應對。一般的面品類問題，可以遺留到母線再適配解決。

廠內階段

廠內調試階段，筆者經歷的項目，一般遵循以下步驟：參數匹配并實現整線自動化；廠內外差異對比并消除差異延續回廠前狀態；模具良品條件、零件品質課題穿插分階段推進；模具鍍鉻實施；量產前夕生產提速并做一輪模具點檢，剩余課題推進。

建立廠內調試體制

新車型模具調試由工藝和制造兩個領域的人員合作推進，主責為工藝領域，但使用的調試資源基本在制造領域。所以，車間也需要有明確的新車型職責，并有相應的激勵，才能驅使體制敏捷運轉。同時，由于車間的主任務是生產，在資源使用上會傾向于量產維持和保養，所以車間的新車型負責人需具備一定的職級，能協調全領域的部分資源為新車型服務。

在具體的分工上，綜合崗位、工作擅長以及新車型職責，工藝方面的人員在工作上傾向于整體項目的進度把控，整車問題的解決推進，沖壓領域與其他領域的溝通協作，重難點技術問題的解決方案和推進。車間方面的人員在工作上傾向于模具研合類面品課題的解決，生產類問題(刀口鐵屑、卡廢料、毛刺等)的解決，模具良品條件的推進，與供應商交模人員現場協作解決問題。

流程梳理，明確各階段目標和工作重心

根據項目廠內調試的周期，分配各階段的時間。對于短周期項目，各階段的時間勢必要壓縮，才能實現整體的縮短。

參數匹配和實現自動化環節，工作量基本明確，主要是人員和機時的合理安排和投入，其中在線制作端拾器的工時較多，如果主線的機時不夠，可以制作簡易支架，再利用工序件離線制做端拾器，可以較多地節約主線的調試工時。

廠內外差異分析對比是在同等沖壓參數的情況下(成形力、壓邊力等)，對比各工序的研合率、拉延的材料流入量和零件的面品、精度、減薄率。通過對比和調整，恢復模具廠外的狀態，使之得以延續并因此節約整體的調試周期。為了對比的真實性，廠外各工序的研合件會打包帶回廠內，最終的精度件也會隨模檢具發回廠內，而不是僅僅依靠紙質的文件報告。完成參數匹配后，時間允許的話就能當班壓出各工序研合件，次日就可全工序對比(組織相關人員參與評審)。結合零件的品質狀態，即能快速形成結論，正常在10 天內即完成對比工作。但有些情形，并不能形成明確的對比結論(比如拉延著色狀態變化大，導致零件品質也發生較大差異)，也要在20 天內形成決策，以當前狀態決策下一步行動，短周期要給每一步設定期限，周期一到就往下走，部分落后的工作后面要想辦法追回。

模具良品條件是模具能高效生產出合格零件的要素集。涉及壓痕、卡廢料、拉傷、零件開暗裂、頂料結構、旋轉斜楔機構異常防止等方面。良品條件檢證一般需持續2 ～3 月時間，直面如何維持量產穩定性的問題。零件面品、精度、減薄率課題，穿插其中同步解決。經過多個車型的經驗，良品條件由有鉗工經驗的人員推進，效果較好，具體措施方能較好落實到位，取得預期成效。相比傳統模具動靜檢的檢查方案，良品條件更有針對性，且工作是分攤到一個較長的時期內去完成，模具調試工作并沒有因為模具的檢查而停滯。可以節省半個月以上的模具拆裝時間，同時收獲更好的調試效果。

模具鍍鉻和量產前的提速，由于鍍鉻需要一定的批量驗證，可以結合著開展。鍍鉻的目的也是提高量產穩定性(尤其是拉延模)，減少停機工時，所以量產前要完成。一般的推進順序是拉延凸模、拉延凹模、拉延壓邊圈和翻邊鑲塊3 大步驟。能夠執行鍍鉻的條件是零件品質基本鎖定，且模具型面沒有缺陷(或缺陷得到解決)。模具鍍鉻的工作量很大，一般跨度達到3～4 個月時間，所以模具一回廠，就需要將此事提上日程，提前策劃。簡單的零件，只要一達到條件，就安排實施。這樣到量產前2 個月，就只剩下幾個難點的模具還沒有實施，只需要集中解決，可減輕此階段的壓力。在壓邊圈完成鍍鉻后，由于上下模均增加了鍍層，材料的流動狀態會發生一定變化，需進行較大批量的驗證，一般是120 件/批次以上的試生產。此次試生產可以同時進行連線提速，為量產做準備。

具體項目的推進

整體的大計劃是整個項目的行動方針，在執行過程中會分解為周計劃和每天具體執行的日計劃。根據階段的目標及當前的工作完成情況，每周一召開項目周會，寫出每個零件當周的工作內容并明確完成節點。比如解決具體的哪個精度問題，完成哪一工序的良品條件。每日根據周計劃安排當天具體工作，下班前總結，工作未完成且下一天無法挽回的，要加班應對，才能保證工作按時按量推進。

關鍵零件管理

面向短周期的項目，大概率會出現日程極度緊張的零件，一般會是側圍，因為零件大、模具大則工作量最大。在量產前2 個月，要識別此類零件，對剩下的工作和周期進行重新計劃，細化到每一套模具，排出工作的優先級，死磕一定要在量產前完成的工作，時間實在不夠的，制定臨時應對措施后在量產后的品質效率提升階段再實施追回。面對短周期，即要全力以赴地按部就班(標準流程)來保證最終品質，也要面對現實進行及時靈活的調整(建議每過一個月就系統思考一次，目前在調試的零件有沒有風險)，有策略地進行一定的取舍。

結束語

沖壓模具的短周期化開發是一種趨勢，要求在更短的時間內實現更高品質的量產。在此背景下，需要從設計、制造、調試各環節全面提升，是一項系統工程。主要的思路有兩點：提高設計品質，減少直至消除后續的返工；流程整合和優化，減少所需時間，不做重復工作。

本文只是結合筆者過往的2 個短周期車型項目經驗進行的一些探討，后續仍需通過更多的項目實踐積累技術和經驗，去探索短周期實現的方法，完善知識和流程體系。