实现冲压自动线模具废料零堵塞的精益设计研究(上)_田卓华.pdf

25 2023.6 Forging&MetalformingFeatures专题 报道实现冲压自动线模具废料零堵塞的精益设计研究(上)文田卓华，李景德，廖昌林金琥新能源汽车(成都)有限公司 张瑞宏山东舜晟冲压科技股份有限公司 杨彪，杜金河北兴林车身制造集团有限公司冲压自动线早已在车身冲压厂得到广泛使用，且随着人工成本不断地攀升，自动化、智能化、无人或少人化的生产模式将更为普遍。冲压自动线模式的生产效率高、产品表面质量较稳定，深受汽车厂家青睐。在自动冲压系统中，压力机和模具是制约生产效率高低的两大决定性因素。无论压力机性能如何，车身覆盖件尺寸精度及型面质量取决于模具质量，即取决于冲压工艺设计和模具结构设计质量。冲压过程中工件破裂、废料堵塞、铁屑等缺陷是造成冲压自动线效率与产品质量下降的主要因素。据悉，国内某合资品牌冲压自动线设备利用率已达到惊人的 95%，除了强化模具维护保养和科学分解维护责任之外，其核心思想是把量产后的产品及模具所表现出的严重质量问题前移到设计开发阶段去规避，当然品保也只是做他们力所能及的事，绝不可能大包大揽。造成停线的四大主要原因：工件破裂或缩颈、铁屑、毛刺、废料堵塞。前三项虽然能造成质量下降、成本增加，但是在不停线的情况下不至于造成模具损坏。废料堵塞如果得不到及时清理，必定造成模具损坏，或者更大的间接损失。本文限于篇幅问题，重点分析废料堵塞场景，以及分析研究在设计阶段解决堵塞的措施，以期对冲压工艺设计、模具结构设计能有所启迪和帮助，并最终实现冲压自动线零堵塞的目标。模具开发设计质量均质化现象2010 年以后，国产覆盖件模具水平提升飞快，成功实现侧围及翼子板的国产替代，但当主流模具厂基本处在同一个水平高度以后，质量档次就拉不开，一些缺陷仍然普遍存在。此后便进入一个设计质量瓶颈期，由于不是个别现象，自然缺乏攻坚克难的信心和力度。深入分析过后发现，一些长期困扰模具交付周期的问题无非包括制造和设计两大类。其实制造问题较容易解决，只是一些模具厂由于诸多原因，乐于将制造过程中的最后一公里转移到冲压厂。由于冲压生产想要降低冲压自动线停线损失，提高生产效率，需要将改进改善工作前移到覆盖件冲压工艺设计和模具结构设计阶段。废料堵塞是造成停线的重要场景之一，预防堵塞较难，尤其需要深厚的技术底蕴。切边过程是废料切断瞬间，卡滞在上、下刃带或下刃带之间，通过精准设计刃带空刀，或采取措施遏制废料上带，使废料快速脱离卡滞，然后设计废料落口开度、滑道开口、坡度等结构元素。只要侦测、识别到堵废风险，冲压工艺和结构设计联合发力与化解就是很轻松的事情了；只要管理到位、勇于担当、精准识别、精益设计、持之以恒和不言放弃，实现修冲模废料零堵塞的所有不可能一定能变为可能、进而变成现实。锻造与冲压 2023.626Features专题 报道线主要用于供件，非生产时间只有较短的间歇用于模具的精细研调，再加上场地受限、辅助设备欠缺等条件制约，导致整改周期变得很长。即使这样模具厂顾不上那么多，反正模具已经出厂，牺牲时间、成本似乎也值得。还有一些个别问题，处理起来比较棘手，这些问题错综复杂，交织在产品、设计、制造、板材之中，反正谁都有责、又似乎谁也无责。模具交付阶段的“堵废料”就是其中之一，彻底消除的难度很高。有的修冲模偶然堵，整改过后就件件堵；有时同一模具会一批堵数件，有时一个批次几乎不堵，看上去十分随机与毫无规律，如不及时清理堵点，将酿成更大的损失。大量事实证明，模具验证阶段堵废的改善困难是因工艺定型、结构等所铸就，受到限制太多，钳工无法彻底解决，从而迫切需要前移到设计开发阶段来解决。冲压作业方式决定设计思维定势20 世纪九十年代中后期，汽车制造技术突飞猛进，主机厂和模具厂一直专注的是冲压产品质量，对废料堵塞问题不很重视。2010 年以前，大多数冲压作业是手动线模式，对于滑废的要求不高，开发者自然缺乏深入研究零堵塞的动力。手动冲压线要求废料滑出模体后不落到工作台面，如果每冲数达到十件及以上需要停线捡取并收集废料。如遇到废料卡滞，借拣拾废料之机可以顺便人工掏取。有人工监护，不至于每次废料堵塞就一定损坏模具，尽管偶然有因废料堵塞而造成模具损坏的情况发生。在一套模具中，废料卡滞而不下滑只属于个别现象，堵点基本固定，操作工比较容易识别。手动冲压线的作业要求不高，由于人工拣取废料而导致停线，从而间歇式冲压是习以为常的事，为了生产有时也就顾不了那么多了。2018 2019 年，笔者曾调研某大型冲压工厂自动线堵废停线的原因。一般全车身核心覆盖件的冲压模具基本由三、四家模具厂承担制造，关于废料堵塞导致发生冲压停线事件，几乎每个模具厂的模具都或多或少存在。2010 2021 年，从覆盖件模具开发设计评审过程中所表露出的无论是冲压工艺设计，还是模具结构设计理念及心理定位，都同样佐证了对于滑废的风险研判缺乏深度思考。近年来随着自动冲压线的普及，修冲模具滑废料受阻现象已经有所减少，但并没有彻底消除。透析修冲模具废料堵塞原因冲压自动线的生产效率主要取决于压力机系统和模具，每当冲压自动线调试稳定后，冲压生产效率主要由模具来决定。废料堵塞是造成冲压作业停线的主要原因之一，而废料堵塞主要是由以下三种原因导致的。模具设计分阶段评审，错过了系统改善的最后一个窗口期冲压工艺设计主要有规划工艺路线、确定冲压方向、送料方向、定义工序内容、布置废料刀、标注排废方向等内容。工艺设计只是原则性定义废料规格、大体形式、排出方向，唯有模具结构设计完成后，方可直观表达废料形式和尺寸、滑道结构、跌落姿态等情况，才容易识别废料下滑是否畅通无阻。随着汽车市场的竞争愈加激烈，模具开发周期逐步缩短。一些主机厂在数模下发后，首轮提样时间为4 5 个月。由于首轮提样允许不是全序模具件，自然给了一些模具设计分阶段完成的机会，但并不是说明主机厂快速提样、缩短周期就一定是分阶段完成设计和评审的绝佳理由。如果能充分认识到废料堵塞的复杂性和高风险性，谁都愿意在设计阶段解决问题和彻底杜绝堵塞。如果冲压件全序模不能在同一时间段一气呵成地完成设计，而是分阶段供主机厂评审，并且评审修冲模之前成形类模具就已经投铸，这是错过在图纸阶段改进改善的主要原因。修边冲孔模可以分阶段或滞后投铸，但一定不要滞后于设计评审。滑废料缺乏设计标准符合标准且废料不下滑，其本质是标准需要与时俱进。虽然没有标准，设计师的思路可尽情发挥或参照旧的结构，岂不知标杆设计中可能就存在废料堵塞的问题，导致借鉴时将成就和遗憾一并吸收。如果现在还没有标准，可以先建立一两个典型案例，图文并茂地把案例讲清楚、改明白，自然就形成自主标准的27 2023.6 Forging&MetalformingFeatures专题 报道雏形。标准不但需要把滑道系统的主要元素描述清楚，而且要有底线和天花板。如果按照标准设计后出现偶然堵、或堵的频次较高，这个时候需要证明为什么标准设计了，可还是“不标准”。只要继续探索、追踪，一定能发现些许可供改进改善的元素，以资补充、完善标准条款。标准是一个与时俱进的，不断完善修订的过程，通过一两次类似开发，就会搞明白一切的。滑道是一个动、静态系统，静态结构由废料形状、尺寸、滑道竖井深度（广义指冲压方向废料跌落深度）、落入开口、滑板角度等构成；动态结构由剪切速度、废料动能大小、废料应力释放、脱离模体瞬间姿态、触滑板姿态等构成。修冲废料的形状、大小、重量、边线等千变万化，跌落至滑板的高度有深有浅，滑板坡度有大有小，要在较短的时间建立起所有废料滑道标准相当困难，可以重点锁定个别导致停线的复杂废料，诸如正侧交刀刃对背，侧滑废料废料端头为空间曲线等。对于复杂的废料排放，初学者容易按照常规废料来处理，模具验证证明：侧滑、侧修、刃对背、曲面废料等 4种最难排放，并且一旦模具铸就后几乎无法改造。图1 为某修边废料堵塞场景，可以看出改造的约束较多，只可治标不可治本。还有人士担心标准约束了设计者的思路，会不利于创新，所以才一直不建立或不完善设计标准。其实这是对标准的误解，标准从来不曾制约创新，标准可以修订和不断地完善，如果有比现有标准中更好的结构，经过验证确认后可随时补充或更新进标准里。废料下滑虚拟分析软件亟待提高在设计评审阶段，常见虚拟演示结果中废料的下滑畅通无阻、干净利落，即使是高风险废料，虚拟分析结果也可能显示废料下滑十分流畅。事实证明许多只是假象，主要有以下 5 个方面原因。废料不是刚体，但软件错误地把废料视为刚体。正常情况下，当废料被切断并与母体分离后，由于重力作用自由落体式跌落、下滑，如果滑道开口小于废料尺寸就会造成受阻。事实上，当废料被切断后也可能由于应力释放而抱紧模体，但这些却被软件忽略了。虚拟与现实有差别，模具实体的废料道的结构尺寸可能与软件中模拟出的理想结构差别较大。修切边与模体之间存在粘连，软件分析时忽视了废料毛刺与模具的粘连作用。软件分析忽略了废料与刃带的摩擦力，刃对背废料刀上带废料模拟不出来。在此，应该辩证地看待上带：如果不过桥，上带有利于下滑；如果过桥，上带可能被桥体内边缘绊住。具体解决方法下面会有详述。未充分考虑到废料初速度，修切速度附加废料的动能及旁逸斜出也被忽视。实体修切废料要远比虚拟模态复杂得多，例如拉延补充边型面本身有残余应力、边线有凸耳、正侧交刀有二次变形等情况，这些都会使废料分离母体后容易抱住下模刃带，或在上下刃带间卡滞，从而失去下冲的机会，动能远不及虚拟世界那么强烈、那么一泻千里。软件系统升级之前，唯有借助实体堵塞场景来研究和找到堵点原因，解决问题才会是非常简单的事情。实现冲压自动线零堵塞将目标分解、转化为设计师的语言、模具设计参数和技术要求，充分在设计中践行才有可能实现零堵塞的目标。依据相关报道，北京某冲压工厂的自动线设备利用率已经达到 95%，其中自然少不了模具品保在维图 1 某修边废料堵塞场景废料不下锻造与冲压 2023.628Features专题 报道护保养方面的贡献，品保一直在努力做他们力所能及的事，然而北京某冲压工厂是将破裂吸颈、废料堵塞等缺陷前移到设计阶段实现的，这个案例说明“废料零堵塞”是可以实现的，目前解决废料堵塞主要有四条途径。建立模具品质设计责任制模具的质量和成本是设计出来的，制造、调试、使用等都是在竭尽全力追求、逼近、转化、体现设计师的美好意图。模具预验证、交付验证、量产验证表现出的主要问题，诸如废料堵塞、破裂吸颈等均与设计绩效挂钩、与年终奖挂钩、与劳动模范评选表彰挂钩。如果当复杂覆盖件，例如侧围、翼子板量产验证三个批次不堵塞，预验证、交付验证几乎不堵，一定要重奖设计师及小组人员。奖励基数可以为昔日类似产品模具交付周期内交付钳工的工资总数，也可按一定比例兑现。执行此项制度的初衷是压实设计师的责任担当与提高设计质量，目标是实现废料零堵塞，但一定要注意节奏、力度：如果是在复杂覆盖件首次出现堵塞，不要急着兑现负激励，可以先分析原因、列入公关项目；如果是在第二次类似产品出现堵塞，可以兑现负激励；特别对于学徒设计，当前两次出现堵塞缺陷不要急着兑现负激励，可先考核指导老师，如校对、审核、批准等。深入研究废料堵塞场景在设计阶段能够识别废料堵塞风险的基础是大量研读废料堵塞的第一现场，必须亲历亲为，不能只是道听途说。首先，对于同一件事物，由于每个人的成长阅历、分析问题、解决问题等的能力不同，观点也往往会不一样。例如，在量产阶段有些废料不是每件都堵，可能只有百分之一二、或千分之一二，所以要有量的积累，有耐心。其次，每当碰到第一次废料堵塞，它会告诉你堵塞的可能原因，诸如滑道坡度低、滑道开口小、废料上带、废料倾斜翻转等，但这些个“可能原因”，单凭肉眼观察经常看不完整。废料从被切断瞬间到被堵的中间过程，一般无法被目视到，只能通过分析废料形状、断口毛刺、废料变形等以此来作推断，除非使用高速摄像机拍摄。总之，改进需要的是多策并举、系统治理，有时可能改变了滑道开口，但不改变背空、不阻止或减缓上带，只能降低风险，却不能杜绝风险。模具设计和评审全序化推进提供评审的模具图必须是全序模，设计和会签一气呵成。如果因为设计资源问题不能同时会审，起码在模具铸件投铸前，修冲类模具会签必须关闭。开发者需要采取措施扩充设计资源，开展全序化设计，不能因此而滞后提样和开发周期。补充完善冲压设计标准初建标准未必能够精准、完整、详细。在设计实践中遇到问题要不断补充、日臻完善，直到某一天只有严格执行标准废料才不堵塞，偏离标准就堵塞。修边废料的形态、大小各异，不太可能做到面面俱到，需要梳理分类、建立废料下滑道结构标准。事实上，每一套或每一批模具中总有个别废料不下滑，只要将典型事件研究透彻，就能逐步实现、确保零堵塞。可以划分典型覆盖件废料的形式（概略指出相对滑废风险的高低）：按修切废料位置分为拉延补充边废料、封闭边废料两大类，后者堵塞的风险较大。按照拉延补充特征，补充边分为基本平板废料端口、“S”形曲面废料端口，后者易堵塞。按照废料刀布局形式，分刃对背废料、刃对刃废料、背对背废料三类。需要重点考虑刃对背、背对背废料：背对背极少，仅设计在角部，且废料重心远离支点联线，侧修背对背比正修风险大。按照废料滑道布局形式，分模具前后侧废料下滑、模具左右侧废料下滑，后者相对前者易堵。按修切方向，分侧修边废料和正修边废料，侧修边废料易堵。当然还有别的形式及以上情况的复合形式，这里不再一一展开。实现冲压自动线模具废料零堵塞的精益设计研究（下）见锻造与冲压2023 年第 8 期。