圖1 沖壓工藝知識庫模板
規(guī)?；＞呱a(chǎn)的特征是模具從沖壓工藝設(shè)計到生產(chǎn)的整個過程都采用先進(jìn)的技術(shù)和高效的管理方式。依靠知識工程智能化消滅經(jīng)驗依賴，依靠數(shù)字化提升質(zhì)量控制，依靠信息化提高項目管理效率，可以更好地實現(xiàn)現(xiàn)代模具的規(guī)?；a(chǎn)。
模具不同于一般的制造業(yè)產(chǎn)品，其最大的特點是單件訂單生產(chǎn)，每套模具從設(shè)計到制造都是一個新品開發(fā)的過程，基本上不存在重復(fù)制造一模一樣模具的情況。因此，很多人都認(rèn)為，由于模具的這些不可控特點，使得模具制造廠家的規(guī)模不可能很大，產(chǎn)能也不能做得太滿。但是，隨著一些先進(jìn)技術(shù)在模具領(lǐng)域的應(yīng)用，模具的開發(fā)過程發(fā)生了根本變化，尤其是技術(shù)進(jìn)步促進(jìn)了模具生產(chǎn)管理的進(jìn)步，使得規(guī)?；＞呱a(chǎn)成為可能。
規(guī)?；＞呱a(chǎn)具有幾個特征：產(chǎn)值較大；服務(wù)的客戶多，項目多、標(biāo)準(zhǔn)雜；參與生產(chǎn)協(xié)作的企業(yè)多。沖壓模具開發(fā)的一般流程是：沖壓工藝設(shè)計－模具結(jié)構(gòu)設(shè)計－泡沫型制作－鑄件及標(biāo)準(zhǔn)件采購－機械加工－模具裝配－模具調(diào)試。本文主要從汽車沖壓模具生產(chǎn)的主要環(huán)節(jié)討論支撐規(guī)?；＞呱a(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)及管理。
沖壓工藝知識庫及智能化工藝設(shè)計
1．沖壓工藝知識庫
沖壓工藝是沖壓模具技術(shù)的核心內(nèi)容，沖壓工藝做得好壞直接影響到出件的質(zhì)量和周期。長期以來，沖壓工藝都依賴于經(jīng)驗，因此，即使是同一個零件在不同的人看來，都會有不同的工藝方案，而且在設(shè)計階段往往還不好評價優(yōu)劣，待到調(diào)試時已沒有可比性。這種現(xiàn)象一方面說明工藝方案不具備惟一性，只有更好；另一方面說明這項內(nèi)容缺乏可控的標(biāo)準(zhǔn)，質(zhì)量沒有保障。如何實現(xiàn)沖壓工藝的控制和規(guī)范，在沖壓模具技術(shù)中最為重要，要實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)首先要解決這個難題。
對于汽車覆蓋件沖壓模具來說，一個車型大致有300～400個沖壓件，按制件的特征分類大概幾十種，每個制件中能夠影響工藝的難點或特征點一般只有幾處，因此，可以根據(jù)這樣的特征分類建立知識庫，應(yīng)用KBE技術(shù)加上人工交互功能，開發(fā)基于知識工程的智能沖壓工藝分析系統(tǒng)，依靠軟件技術(shù)保證優(yōu)化的、標(biāo)準(zhǔn)的工藝結(jié)果。這項技術(shù)應(yīng)用可以打破經(jīng)驗的障礙，讓稍有一些沖壓知識的人就可以完成這些工作。圖1所示為沖壓工藝知識庫模板的界面。
值得一提的是，對沖壓工藝分析的影響除了工藝經(jīng)驗之外，還有車身零件本身的設(shè)計問題。一項好的產(chǎn)品設(shè)計除了滿足功能、美觀等要求外，還應(yīng)該考慮產(chǎn)品的制造工藝性和成本。實力較強的汽車公司一般都有自己的車身沖壓工藝部門，其作用就是在車身設(shè)計階段進(jìn)行產(chǎn)品制造工藝性分析，并提供改進(jìn)建議，如果是變形車設(shè)計，還會將以前的一些問題反饋到本次更改中。這樣的車身模具開發(fā)難度也大大降低。相比之下，國內(nèi)一些汽車車身設(shè)計中遺留的沖壓工藝問題較大，一旦數(shù)模封版，更改的流程復(fù)雜、難度很大，既影響開發(fā)周期，也會留下質(zhì)量隱患。因此，現(xiàn)代車身模具開發(fā)中，車身設(shè)計階段的沖壓工藝性分析越來越重要，也是掌控模具開發(fā)的重要環(huán)節(jié)。沖壓工藝作為模具開發(fā)的前端技術(shù)要逐漸融入到汽車車身設(shè)計過程中，這個需求將促進(jìn)模具企業(yè)與汽車公司、設(shè)計公司的戰(zhàn)略聯(lián)盟。
2．沖壓CAE輔助工藝分析
CAE技術(shù)在沖壓模具領(lǐng)域的應(yīng)用是模具行業(yè)的一項重大技術(shù)革命?，F(xiàn)在的沖壓CAE軟件基本上都是基于有限元理論開發(fā)的，國際上比較流行的軟件有AUTOFORM、DYNAFORM和PAM-STAMP等。隨著CAE軟件在模具行業(yè)的推廣，軟件的功能也在不斷完善和加強，目前的軟件能夠完成拉伸、修邊、翻邊、整型和回彈（見圖2）等全過程仿真計算分析。
圖2 回彈的計算分析結(jié)果
沖壓CAE技術(shù)的應(yīng)用效果要發(fā)揮好它的幾個功能：
（1）建立基于CAE分析結(jié)果的沖壓工藝評判標(biāo)準(zhǔn)體系，成為控制工藝的依據(jù)；
（2）融合沖壓工藝經(jīng)驗，將CAE分析與知識工程結(jié)合，成為優(yōu)化沖壓工藝的工具；
（3）結(jié)合沖壓調(diào)試的實際測量，為輔助調(diào)試提供參考依據(jù)；
（4）基于CAE分析的工藝控制要有充分的裕度，提高對實際沖壓條件的適用性。
標(biāo)準(zhǔn)化、模板化的快速模具結(jié)構(gòu)設(shè)計
隨著CAD軟件技術(shù)的發(fā)展，參數(shù)化三維設(shè)計在模具領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，目前在沖壓模具領(lǐng)域應(yīng)用的三維CAD軟件有CATIA、UG和Pro-E等，這幾種軟件都具有較強的參數(shù)化功能。滿足規(guī)?；＞呱a(chǎn)的要求，提高模具結(jié)構(gòu)設(shè)計速度、縮短設(shè)計周期是一個重要條件。依靠參數(shù)化設(shè)計軟件，研究各類沖壓模具的結(jié)構(gòu)特征，開發(fā)模板化設(shè)計系統(tǒng)，可以減少重復(fù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，顯著提高設(shè)計速度。但是，由于模具結(jié)構(gòu)設(shè)計的單一性，追求一個萬能的模板化系統(tǒng)并不可行，但可以通過采用關(guān)聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)化局部典型結(jié)構(gòu)，使模具的設(shè)計過程變成局部參數(shù)化結(jié)構(gòu)的累積過程，通過軟件布爾運算實現(xiàn)。模具模板化設(shè)計系統(tǒng)見圖3。
圖3 模具模板化設(shè)計系統(tǒng)
模具結(jié)構(gòu)設(shè)計是工藝的具體實現(xiàn)，傳統(tǒng)模具設(shè)計流程中，同一制件的各序模具結(jié)構(gòu)設(shè)計由不同的人完成，相互間的交流少，上一道工序的設(shè)計變更信息不能及時傳遞，而生產(chǎn)中由于工藝變更影響模具結(jié)構(gòu)更改的情況時有發(fā)生，導(dǎo)致下一道工序?qū)嶋H上浪費大量時間在做無用功。對于一個確定的工藝，各工序之間是有相互聯(lián)系的，如果將工藝間的聯(lián)系在各序模具結(jié)構(gòu)中也能聯(lián)系起來，則可以實現(xiàn)模具設(shè)計中的各序并行。實現(xiàn)并行設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)是關(guān)聯(lián)設(shè)計，現(xiàn)在一些軟件的基于知識工程的模塊系統(tǒng)已經(jīng)能夠幫助實現(xiàn)關(guān)聯(lián)設(shè)計。通過關(guān)聯(lián)設(shè)計，還可以實現(xiàn)近似零件的模具設(shè)計資源重復(fù)應(yīng)用，縮短設(shè)計周期。
模具設(shè)計中的另一個難題是質(zhì)量控制。單純從模具開發(fā)的角度而言，基本不存在在現(xiàn)有模具上改進(jìn)得到的可能性。那么應(yīng)該經(jīng)歷“模具設(shè)計－實物驗證－修改設(shè)計－正式制造”的過程，才可以保證產(chǎn)品的質(zhì)量，但是，由于周期和成本的問題，“實物驗證”與“正式制造”往往被合為一個環(huán)節(jié)，因此，實際生產(chǎn)中會出現(xiàn)各種各樣的“異?！保@些“異?！庇绊懥水a(chǎn)品質(zhì)量和周期，甚至攪亂整個生產(chǎn)計劃，問題的根源在于缺少驗證過程。應(yīng)用先進(jìn)的數(shù)字化手段，可以實現(xiàn)“數(shù)字驗證”替代“實物驗證”。具體方法是：
（1）建立規(guī)范的設(shè)計方法，避免不規(guī)范的個人設(shè)計習(xí)慣帶來異常問題；
（2）建立嚴(yán)格的質(zhì)量控制流程，把好審校關(guān)；
（3）利用先進(jìn)數(shù)字化軟件技術(shù)進(jìn)行有針對性的校核，如：開發(fā)CAD軟件功能模塊，進(jìn)行自動干涉檢查；利用有限元軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)強度分析；利用流鑄分析軟件進(jìn)行鑄件鑄造性分析；利用機構(gòu)運動仿真軟件進(jìn)行模具和沖壓線動態(tài)運動分析；利用刀具運動仿真軟件進(jìn)行加工性分析等。圖4為模具鑄造過程仿真結(jié)果。
圖4 模具鑄造過程仿真
“數(shù)字驗證”替代“實物驗證”可以實現(xiàn)質(zhì)量控制，但是如果每套模具都經(jīng)過這樣的流程，則會花費大量的時間，因此，依靠數(shù)字化仿真計算建立各種設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，通過軟件的校對檢查功能來實現(xiàn)各種質(zhì)量參數(shù)的控制才是最為有效的方法。
高速、高精密數(shù)控加工
高性能數(shù)控銑削加工技術(shù)以其高的加工精度和高的切削進(jìn)給速度二者的優(yōu)良匹配，成為高品質(zhì)汽車模具制造的核心技術(shù)之一。模具自由曲面的高性能數(shù)控加工可以大大地提高模具加工精度、縮短加工時間，從而提高模具的制造質(zhì)量和生產(chǎn)效率。
刀具路徑設(shè)計規(guī)劃是自由曲面高性能數(shù)控加工的首要任務(wù)。傳統(tǒng)的刀具路徑設(shè)計規(guī)劃以被加工零件的幾何特性為依據(jù)，根據(jù)經(jīng)驗設(shè)計刀具路徑和設(shè)置切削參數(shù)，然后將其轉(zhuǎn)化為數(shù)控加工代碼，由數(shù)控設(shè)備來實現(xiàn)其切削加工。這樣的刀具路徑要實現(xiàn)高速、高精度數(shù)控加工則需要數(shù)控系統(tǒng)具有非常好的程序預(yù)處理、監(jiān)控等先進(jìn)功能，這些功能可以在控制加工的同時掃描待加工的數(shù)控代碼，并根據(jù)其計算方式相應(yīng)地調(diào)節(jié)進(jìn)給速度。一些數(shù)控系統(tǒng)還具有更好的針對高性能加工的智能誤差補償和輪廓控制功能。這些硬件上的先進(jìn)功能，為保證零件加工精度起到了關(guān)鍵的作用。
模具加工中還需要考慮的問題是加工效率及可靠性。應(yīng)用加工軌跡優(yōu)化技術(shù)可提高加工效率，但由于設(shè)計或鑄造失誤可能引起加工實體與設(shè)計尺寸不符，造成加工撞刀的現(xiàn)象，因此，加工前對實體鑄件要進(jìn)行檢測確認(rèn)，應(yīng)用仿真技術(shù)進(jìn)行加工過程仿真（見圖5），確保加工的可靠性并優(yōu)化加工路徑。
圖5 加工過程仿真
高性能數(shù)控銑削加工和刀具路徑優(yōu)化設(shè)計解決了單品模具制造問題，但是要保證大量模具的制造效率，則要求各種加工設(shè)備能力匹配合理。模具結(jié)構(gòu)根據(jù)加工特點可分為模具本體、凸凹模、修邊鑲塊和整型鑲塊等類型，根據(jù)類型組織專業(yè)化加工，可以顯著提高效率。由于模具訂單及類型的波動性很難預(yù)測，采用適當(dāng)?shù)膶ｉT化外協(xié)加工，是提高效率、控制成本的最有效途徑。
數(shù)字化模具調(diào)試
模具調(diào)試是模具開發(fā)過程中的重要環(huán)節(jié)，由于缺少了前期“實物驗證”過程，調(diào)試階段還擔(dān)當(dāng)了發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷或失誤并改正的任務(wù)。它的完成質(zhì)量和周期主要取決于3個方面：模具工藝和設(shè)計的質(zhì)量；鉗工的調(diào)試經(jīng)驗和水平；調(diào)試的硬件設(shè)備條件?，F(xiàn)在大部分模具企業(yè)在這3個方面都缺少保障，模具調(diào)試階段也是最“失控”的階段，鉗工常常像救火隊員，哪個項目將到交貨期就去趕哪個項目。
鉗工的工作量主要體現(xiàn)在兩個方面，即著色研合和出件調(diào)試。這兩個方面也相互關(guān)聯(lián)，提高研合率也是為了保證出件調(diào)試的質(zhì)量。著色研合是為了保證上下模與工件均勻貼合，尤其對于外板件面品質(zhì)量影響很大，這項工作一般靠鉗工手工推模逐漸改善，有時工作量很大。上下模間隙分布情況，經(jīng)著色研合后色料的厚度分布反映出來，通過“試著色研合－精密照相測量分析－二次精加工”，可以顯著減少鉗工研合量甚至無需研合，實現(xiàn)的關(guān)鍵要依照相色料的顏色深淺反映到厚度值，并對應(yīng)到模具型面的加工修正，要由特殊的曲面處理軟件來完成。制件著色研合見圖6。
圖6 制件著色研合
鉗工的調(diào)試類似沖壓工藝的階段，可以依靠數(shù)字化手段，打破對經(jīng)驗的依賴，實現(xiàn)調(diào)試的標(biāo)準(zhǔn)化，其數(shù)字化手段主要依靠硬件。其實調(diào)試階段沖壓結(jié)果已非?？陀^，只要有精密的儀器進(jìn)行測量，應(yīng)用材料變形理論知識完全可以找到解決問題的方法，根本不需依賴經(jīng)驗。
調(diào)試也可以建立制件分類知識庫，以這些測量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，開發(fā)基于知識工程的智能化調(diào)試分析系統(tǒng)，實現(xiàn)依靠軟件系統(tǒng)的數(shù)字化調(diào)試技術(shù)。
數(shù)據(jù)的流程控制及規(guī)模數(shù)據(jù)管理
模具的生產(chǎn)過程包括：工藝－設(shè)計－實型制作－鑄造、標(biāo)準(zhǔn)件采購－機械加工－調(diào)試，每個環(huán)節(jié)由不同的部門負(fù)責(zé)，大量的模具信息數(shù)據(jù)要在各部門間流動，而且來自上游的產(chǎn)品數(shù)據(jù)更改非常頻繁，沒有一個很好的流程控制和數(shù)據(jù)版本管理，結(jié)果不堪設(shè)想。PDM系統(tǒng)就是具有這樣功能的信息系統(tǒng)（見圖7）。
圖7 PDM的數(shù)據(jù)管理
PDM技術(shù)最早出現(xiàn)于20世紀(jì)80年代初期，目的是為了解決大量工程圖紙、技術(shù)文檔以及CAD文件的計算機化的管理問題，后來逐漸擴(kuò)展到產(chǎn)品開發(fā)中的3個主要領(lǐng)域：設(shè)計圖紙和電子文檔的管理、材料報表（BOM）的管理以及與工程文檔的集成、工程變更請求／指令的跟蹤與管理。利用PDM框架軟件，底層以大型工程數(shù)據(jù)庫為支撐，采用信息與功能適配器技術(shù)，分別開發(fā)與CAD/CAE/CAPP/CAM等軟件系統(tǒng)的集成接口，實現(xiàn)多種信息的順暢流轉(zhuǎn)和平滑轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)統(tǒng)一數(shù)據(jù)源和各類數(shù)據(jù)的共享應(yīng)用。PDM的流程管理見圖8。
圖8 PDM的流程管理
利用PDM系統(tǒng)還可以有效控制項目流程，監(jiān)控項目管理，解決規(guī)?；＞呱a(chǎn)的項目管理困難。在PDM系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)流在規(guī)定的流程中傳遞，每個流程處理的節(jié)點都設(shè)有明確的責(zé)任人和督辦人，當(dāng)項目進(jìn)程受阻時，很容易找到問題的癥結(jié)進(jìn)行協(xié)調(diào)處理。
產(chǎn)業(yè)鏈信息化管理
汽車模具產(chǎn)業(yè)鏈（見圖9）的四大主體包括：汽車整車廠或委托沖壓件協(xié)作廠；汽車模具龍頭企業(yè)；汽車模具中小企業(yè)；鑄造廠、標(biāo)準(zhǔn)件廠等供應(yīng)商。目前產(chǎn)業(yè)鏈中的各主體企業(yè)基本處于各自為政狀態(tài)，缺乏有效的聯(lián)盟和協(xié)作，不能滿足規(guī)模化模具生產(chǎn)的需要。面向產(chǎn)業(yè)鏈3個層次的業(yè)務(wù)需要開發(fā)相應(yīng)的服務(wù)系統(tǒng)：客戶協(xié)同系統(tǒng)、協(xié)同制造系統(tǒng)和供應(yīng)協(xié)同系統(tǒng)，并集成統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)化平臺，實現(xiàn)支持規(guī)?；＞呱a(chǎn)的網(wǎng)絡(luò)化協(xié)作是未來模具產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要形式。汽車整車廠或委托沖壓件協(xié)作廠作為產(chǎn)業(yè)鏈的重要節(jié)點，可以通過平臺實現(xiàn)訂單的發(fā)布、項目跟蹤和質(zhì)量管理；汽車模具龍頭企業(yè)作為產(chǎn)業(yè)鏈的主體，可利用平臺尋求商機，分解訂單、外協(xié)或采購，控制項目過程并實現(xiàn)基于業(yè)務(wù)的企業(yè)內(nèi)外應(yīng)用系統(tǒng)集成；汽車模具中小企業(yè)作為產(chǎn)業(yè)鏈主體的延伸，利用平臺可獲得訂單、融入制造鏈、執(zhí)行項目以及技術(shù)服務(wù)等，通過租賃或購買平臺提供的軟構(gòu)件，實現(xiàn)企業(yè)輕量型的信息化；鑄造廠、標(biāo)準(zhǔn)件廠等供應(yīng)商，可獲得供需信息、發(fā)布信息并完成交易。
圖9 汽車模具產(chǎn)業(yè)鏈
網(wǎng)絡(luò)化公共平臺還可以解決資源重復(fù)浪費問題，實現(xiàn)汽車模具行業(yè)資源優(yōu)化配置。目前整個行業(yè)現(xiàn)在的制造資源不能充分發(fā)揮作用，利用率較低，而公共服務(wù)平臺正是實現(xiàn)行業(yè)跨越企業(yè)、優(yōu)化利用企業(yè)資源的有效手段。通過建立網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同設(shè)計制造環(huán)境，利用遍布全球的信息網(wǎng)絡(luò)，企業(yè)可以在廣泛的地域范圍內(nèi)尋求合作伙伴，構(gòu)成網(wǎng)上虛擬企業(yè)聯(lián)盟，該聯(lián)盟以市場為驅(qū)動，以共同利益為紐帶，將不同企業(yè)和機構(gòu)的制造資源動態(tài)連接起來，進(jìn)而實現(xiàn)資源優(yōu)化重組，并提高資源的利用率。
