數字化技術在沖壓模具設計與制造的應用

文/黃湘蘭·廣汽本田汽車有限公司

智能化的生產模式，依賴于最新的信息通訊科技和尖端的制造科技的深入結合，涵蓋了從設計到生產、從管理到服務的所有制作過程，并且擁有自我認識、自我學習、自我決定、自我實施、自我調整的特性。

汽車行業作為中國最大的制造業之一，已經形成了一條龐大的產業鏈，對于現代國民經濟起著至關重要的作用。而汽車行業數字化轉型不僅可以提高汽車制造業的效率和產出質量，還有利于實現汽車產業的可持續發展，實現經濟結構轉型升級。筆者在汽車車身領域工作多年，主要從車身模具制造方面闡述數字化、智能制造在沖壓模具設計制造環節的應用。

數字化轉型升級對汽車制造有重大推進作用

數字化轉型為汽車制造帶來了很大改變。在生產效率、質量控制、工藝升級、產品設計等方面帶來了更全面的升級與優化。

⑴生產效率。工廠數字化、供應鏈數字化、自動化制造等技術，可以大力提升汽車的生產效率和質量。

⑵質量控制。通過智能化和數字化監控，可以減小生產誤差率、減少產品不合格率，更好地保證生產過程和產品質量的一致性。

⑶工藝升級。汽車工藝在汽車制造中極其重要，數字化轉型可以提升汽車工藝更高級的自動化與信息化。智能化和數據化的工廠將成為未來汽車工業的主流，數字化車間突破傳統生產的困境，讓每個人都可以參與質量的管理。

⑷產品設計。汽車工廠依據用戶需求進行更加個性化的產品設計和生產，實現量身定制。

車身模具設計制造轉型對汽車工業轉型升級有重大推動作用

車身模具設計制造周期長的瓶頸

隨著我國社會的不斷發展，技術的不斷創新，汽車工業的快速發展，沖壓模具每年以20%的增速快速發展。沖壓件生產效率和成本與車身模具的制造有直接關系。車身零件模具的開發約占汽車開發周期一半以上，在整車開發周期中占比很大。將數字化技術運用至沖壓模具設計與制造之中，可以大幅提高生產效率，所以利用數字化技術提升模具制造效率，縮短設計制造周期有重要作用。

傳統模具制造流程如圖1 所示，從工藝流程中可見，傳統模具制造主要是利用軟件進行建模，然后根據三維模型制造鑄件，經過機械加工、鉗工調試，從而達到零件精度要求。該期間短則18 個月，長則24個月，甚至更長。

圖1 傳統模具制造流程

我們對此痛點進行分析發現：由于沖壓模具CAE的軟件技術目前還無法全面、準確發現模具設計中出現的問題，嚴重依賴設計人員的經驗。大幅增加了整體設計人員的設計難度，不利于縮短沖壓模具的設計工期。雖然為實現模塊化設計目標提供有利條件，但是因為不具備智能化AI 等技術，無法達到智能決策的要求，對于實際應用還存在較大的差距。

合理運用數字孿生技術，將模具的結構利用軟件在三維空間中進行相應的加工與生產模擬。充分考慮到后期調試過程中存在的反彈、變形等問題，從而減少模具的反復人工調試。相當于將人工的物理調試搬移至軟件分析過程，大大縮短模具設計制造的周期，同時也大幅減少后期調試期間的人財物的成本投入。

數字孿生技術在模具設計制造的應用

模具設計中的具體應用主要包括以下幾個方面。

第一，優化模具的結構設計。對模具的不同設計方案進行模擬和比較分析，從而找出最優的方案并進行優化調整。

第二，預測模具的工作狀態及運行情況。通過建立數字孿生模型，預測模具在使用過程中的運行情況和工作狀態，減少實物試制的次數和試制周期。

第三，進行多工況的仿真試驗。在虛擬環境中對模具進行多工況的仿真試驗，對工作狀態和性能進行準確評估和測試。

第四，保障模具的安全性和可靠性。在模具設計過程中，對成形力的計算及沖壓工藝嚴重依賴設計人員的經驗和知識儲備。如果利用計算機孿生技術，可對模具的結構和性能提前進行模擬和分析，在設計過程中發現并解決問題，保障模具的安全性和可靠性。

針對該課題，創建一個物理汽車模具生產與設計仿真的、匹配的數字孿生模型，包括伺服調試壓力機、設備性能、模具模型、運動仿真、材料力學性能等方面的模型，如圖2 所示。通過對數字孿生模型進行模擬和分析，設計部門已可以提前發現潛在的設計缺陷，并進行優化。此外，數字孿生還可以實時監測沖壓模具生產的工作狀態。使用數字孿生技術后，模具上線調試時間大幅縮短，模具設計周期縮短至12 ～18 個月內。

圖2 汽車模具調試的數字孿生模型

車身模具制造成本投入大

車身模具設計制造過程中有較大的成本投入，利用數字化手段可以打造最優的QCD 優勢，主要可從以下幾個方面進行展開升級。

第一，優化工藝。利用數字化技術，可對坯料尺寸、余料進行優化，提高坯料的利用率，優化沖壓成形的過程，比如減少沖壓工序數。減少模具投資、降低存儲場地(租賃費)等。比如將4 工序零件優化成3 工序，可減少1 套模具的投資。圖3 為某車型前門外板沖壓工藝優化。

圖3 某車型前門外板沖壓工藝

第二，優化結構。除了優化工藝和材料的合理選用，對模具結構進行優化也是降低成本的重要方法。比如：利用數字孿生技術(可解決不平衡問題)，在單套模具上實現多件零件的生產(圖4)，提高單次零件成形數量，從而降低成本。

圖4 一模多件

車身模具制造過程的數字化升級

為了滿足當前市場對汽車換代的需求，最近幾年模具的需求量急劇增加。在模具制造階段，為滿足日程要求，需要實現高速加工。高速加工技術主要是運用小切深的、高速進給的方式，不僅能夠降低加工表面的粗糙度，更能保證產品的質量。再者無需鉗工對模面進行反復打磨與加工，大大降低了員工的工作量。

同時在實現高速加工后，還可利用機器視覺、人工智能AI 技術，實現刀具狀態監測、加工質量監測。

數字化技術在生產管理中的應用

數字化管理體系的構建

數字化改變了傳統模具制造的模式。從QCDMES各個方面實現數據的數字化采集、實現各領域的數據共享，充分挖掘數據的潛力，產生最大的價值，從而提升QCD 市場競爭力。

數據管理、經驗管理中的應用

在沖壓模具設計與制造中，數字化技術還可應用于數據管理、經驗管理。在模具設計過程中，將設計、制造的過程數據利用數字化手段予以采集和分析，利用AI 大模型進行分析，進而優化工作流程和步驟，提高效能。另外在數據管理上，也相對于傳統紙質版數據有質的提升。總之，數字化可實現各環節信息數據的實時采集、分析、使用，提升模具設計、制造的品質、成本、生產周期等優勢。

結束語

綜上所述，沖壓模具設計與制造中，合理應用數字化設計、數字化制造、數字化裝配等技術，降低制造成本，提升設計精度和品質，為企業帶來實實在在的經濟效益。