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精密儀器

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看看世界一流模具是如何制造出來的

豐田汽車-美國密西西比模具/沖壓工廠實錄



豐田汽車公司的模具設計與制造技術，在管理和技術有許多獨到之處。就豐田模具生產制造技術作初步的探討，這些內容對急待改進生產方式、推進科學管理和提高制造技術水平的國內汽車模具同行，可能會有一些借鑒和啟發(fā)。


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日本的制造術，一個經濟界和汽車界流傳了經久的神話，豐田，相信大家都很熟悉，其模具設計和制造技術達到了世界一流的水平，在管理和技術方面都有獨到之處。世界汽車模具制造技術正在向這些方向發(fā)展：計算機前的操作逐步代替現(xiàn)場操作，以高精度加工代替人的手工勞動，模具的設計、制造高度標準化，單件生產方式向流水線式生產方式發(fā)展等等。


模具設計實際上分為三個部分：沖壓工藝設計、模面設計和結構設計。結合我們國內的模具制造情況，豐田在以下一些地方與我們有很大的不同，值得我們很好的借鑒。


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在沖壓工藝設計環(huán)節(jié)看豐田是如何與眾不同的：


1、精細模面設計：豐田在設計階段通過計算機的曲面造型，完成模面的精細設計。比如：針對進料量不同設計各種拉延筋，同一套模不同部位的拉延筋截面不同，防回彈、過拉延處理，最小壓料面設計，凸凹模不等間隙設計等等。精細模面設計的結果，可以極大的減少型面加工，減少鉗修，減少試模工時，它的作用非同小可。對比之下，國內的模具設計還停留在結構設計階段，模具設計的落后造成了制造的落后。


2、板料成型分析技術應用：豐田建立了一個整車身各種典型件的分析結果庫。對一個新車型的件，如果成型性沒有太大的變化，只是參考原工藝不做分析，只有特殊的新造型才做板料成型分析。豐田的新車要做樣車，對造型特殊的件除了做板料成型分析外一般還要做簡易模進行驗證。


3、模面設計經驗積累機制：豐田的設計部門除手工勾畫草圖以外，設計已全部計算機化，一般設計人員除一臺工作站外還有一臺筆記本電腦。但，真正創(chuàng)造性的設計還是靠人腦，特別是靠人的經驗積累。豐田特別強調經驗積累機制：只有集體的經驗不能有只屬于個人的經驗，豐田的模具設計和調試過程，真正做到了是一個閉環(huán)制造系統(tǒng)，借助于這種自我完善的經驗積累機制，模具的設計越來越精細，越來越準確。


4、間隙圖設計，在豐田模面設計實際上是由曲面造型和nc編程兩部分共同完成的，為了傳達和描述模面設計思想，就產生了除dl圖、模具圖之外的第三種圖---間隙圖也叫質量保證圖。


5、大規(guī)模生產對設計的影響：豐田的生產規(guī)模是世界一流的，它在模具設計如何適應大規(guī)模生產的要求方面具有豐富的經驗。

提高材料利用率：


對于大批量汽車生產來說，提高板料的利用率是模具設計的第一大事。只要把材料利用率提高幾個百分點，模具的成本就可乎略不計了。如果一套模具40萬人民幣，只相當于100噸鋼板的價格，以壽命50萬件計算，平均每件節(jié)約0。2kg鋼板，就足可節(jié)約出這套模具費用了。


減少沖壓工序


模具設計的趨勢是，零件的合并，左右對稱件合模，前后順序件合模等等，原來幾個件合成一個件，不同的件合在一套模，模具越來越大，單件工序大大減少，整車模具數量越來越少，這對降低沖壓的成本起關鍵作用。例如：豐田把整車制件的模具系數，由過去的3點幾降到2左右。沖壓自動化：為適應沖壓線完全自動化，模具必須考慮機械手上下料，廢料的自動排出，氣動、自動和傳感裝置普遍采用等等。


模具的快速裝換


沖壓線的換模時間，也成為一個模具設計必須考慮的問題。如：拉延模完全以單動代替雙動，模具自動卡緊，換模不換氣頂桿等等。

模具結構的設計和加工：


設計有兩種目的：一個是面向設計本身，一個是面向制造。設計者在畫圖過程中逐步完善自己的設計思路，另一方面，設計要面向制造，以提高生產效率為最終目的。


  1. 實體設計：模面設計與結構設計的分開：豐田把模具結構設計與模面設計完全分開的，前者是實體設計，后者仍然是曲面設計。在結構設計中模面部分只是示意性的，可用于實型加工，不能用于模具加工。這種分工大大簡化了模具實體設計。


  2. 實型數控加工：在豐田，實型的生產員工，已完全從手工制作轉變到大量的數控編程上來了，現(xiàn)場的簡單人工粘接和修整工作，由臨時工所充當。實型的數控化生產直接得利于實體設計，而又提高了鑄件的精度，為后序的精細加工帶來極大的優(yōu)勢。


  3. 構造面數控加工：模具構造面就是模具型面以外的機加工面，如：導向面、鑲塊安裝面、螺釘孔、其他需加工面等等，這些在豐田也都是靠編程，數控加工出來的。實體設計為模具的構造面數控編程加工帶來了可能。豐田通過實體設計真正做到在模具結構上的cad/cam一體化，也只有一體化，取消繪制二維圖的束縛，實體設計才顯示出的它的價值，兩者應該同步發(fā)展相宜得彰，這就是豐田為我們提供的經驗。


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高精度加工


模面的加工是模具加工的重點，豐田在近年來大力發(fā)展高精度模面加工技術，取得了讓人耳目一新的成果。


  1. 型面高精度加工：型面高精度加工主要體現(xiàn)在這樣幾個方面：提高模面加工精度、提高加工到位程度、實現(xiàn)模面的精細設計。高精度加工除機床精度和刀具的管理外，主要是靠編程技術的改進來實現(xiàn)的;

  2. 二維刃口的高精度加工：豐田的二維刃口鑲塊加工，采用在專用的鑲塊加工流水線上，單塊加工成活，加工精度可以達到按銷定位裝配，合模無須對間隙的程度。

  3. 高精度加工的效果：豐田通過高精度加工，使模具精度達到了模面的少鉗工、無鉗工化的目標。豐田的標準計劃中，由機加工完成之后到第一次試模之間，只有七個鉗工工作日，它基本是鉗工裝配時間，而沒有鉗工修磨工時。


模具行業(yè)大有向第三世界轉移的趨勢。通過豐田的發(fā)展，我們有了一些新的認識，模具生產越來越依賴高科技，完全可以把人工勞動降到很低，汽車對模具生產的需求最重要的是高質量和短周期，在大規(guī)模汽車生產中，模具本身的成本遠遠不如模具的使用成本更重要。


豐田的技術告訴我們


好的模具應該是設計出來的;模具也可以流水線生產;高新技術應用是模具制造技術發(fā)展的動力;國內汽車模具業(yè)與世界先進水平相比還有較大差距，如果我們不努力，這種差距不是縮小，而是會拉大。國內的汽車模具廠家不是很多，但卻吃不飽，我們高質量模具的市場被周邊國家和地區(qū)的模具廠占領了，我們不向世界上最先進的模具技術學習，還能生存么?


最后再給大家分享一下豐田模具的內部情況


豐田模具設計與制造部門概況


豐田汽車公司中與沖壓模具設計


制造有關的部門主要有兩個，其中負責模具設計的是第八生產技術部，負責模具制造的是st部（st為沖模的英文縮寫）。它們都直屬于總公司，生產技術1-8部屬于生產準備部門，沖模部（st部）屬于工機制造部門。


第8生產技術部，其主要職責是模具設計和沖壓設備準備，加上它所屬的計劃、生產準備、部屬等科室共有將近350人。其中與模具設計有關的技術室有三個，它們是由從事的產品件類型來劃分的：


部門/職責/人員


一室

車身周邊件模具設計

（ 車門、機蓋、后行李廂蓋） 約70人


二室

主車身件模具設計

（側圍、翼子板、頂蓋等） 約75人


三室

底板、梁架件模具設計

（地板、發(fā)動機艙等） 約30人


每個室又分為沖壓工藝與模具結構設計兩個組。專業(yè)化分工是豐田模具設計部門工作的特點


模具設計內容細分


豐田把模具設計分成三個工序：工序設計、模面設計和結構設計，分工明確，分別由專門人員負責。工序設計主要完成工序草圖、dl圖設計、作詳細的模具設計任務書、模面構想等，模具設計的主要創(chuàng)造性勞動都在這一步靠人腦完成。模面設計幾乎是單純的曲面造型，結構設計的重點在于模具結構的具體實現(xiàn)。




人員專業(yè)化分工細微


各個室只負責一類產品件，每個人在一定時間內負責同一個件，甚至是同一類模具。由于豐田每年開發(fā)的新車可達十種，這就是說，可能有的人在一年內畫十套非常相似的前車門外板拉延模，其專業(yè)化程度可想而知。


模具的社會大分工


日本的模具制造專業(yè)性分工很強，豐田雖然自己的模具制造能力很強，但它并不是什么模都干。比如，整車所有件的沖壓工藝和模具的整車協(xié)調，他自己都負責，但模具設計和制造他只干車身內外覆蓋件，地板和梁架件全部到定點廠家外協(xié)。不但豐田如此，國外的大汽車公司所屬模具廠無不如此，比如日本大發(fā)公司模具廠，甚至只做側圍、翼子板、頂蓋等有限的幾種外覆蓋件。這可以看作是一種發(fā)展趨勢，在韓國、臺灣甚至是專業(yè)模具廠家也是向只做幾種件的更專業(yè)方向發(fā)展。

在線聯(lián)絡

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