【經(jīng)典回顧】沖壓成本控制，從工藝設(shè)計(jì)開始

2016-09-09 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

結(jié)合汽車生產(chǎn)準(zhǔn)備的實(shí)際情況,在工藝設(shè)計(jì)時(shí)就考慮通過合理選材、合理排樣、減少工序、充分利用設(shè)備能力以及運(yùn)用CAE技術(shù)等一些行之有效的方法,有效降低沖壓產(chǎn)品的成本、提高經(jīng)濟(jì)性。

對沖壓降本的認(rèn)識

在以沖壓為主的工廠中,降低沖壓成本是永恒的主題,這其中包括沖壓件的成本不斷降低和采取靈活的生產(chǎn)方式。在日常的生產(chǎn)活動(dòng)中,管理者和技術(shù)人員對現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的降成本工作是高度關(guān)注的,但每當(dāng)降本工作的根結(jié)指向生產(chǎn)工藝過程本身時(shí),工藝人員經(jīng)常有“大勢已定,無可奈何”的慨嘆,改善效果也往往是事倍功半。因此,在制定工藝方案階段就考慮如何降低成本最為有效的途徑。盡管采取不同的工藝方案都可以生產(chǎn)出合格的沖壓產(chǎn)品,但在經(jīng)濟(jì)性方面可能會有很大的差異。作為工藝技術(shù)人員,我們越來越強(qiáng)烈地感覺到,在工作過程中僅僅追求工藝技術(shù)的先進(jìn)性和創(chuàng)新性是不夠的,如何降低成本應(yīng)當(dāng)成為著重分析的內(nèi)容。

工藝上起決定的因素包括采用什么樣的生產(chǎn)方式,毛坯尺寸和材料消耗,生產(chǎn)工序數(shù),設(shè)備規(guī)格數(shù)量,生產(chǎn)節(jié)拍,人員,占用面積,能源消耗,模具結(jié)構(gòu)、數(shù)量和形式,輔料消耗等等。因此,在工藝方案制定過程中,成本控制方法應(yīng)當(dāng)從上述幾方面來尋找。

從工藝過程控制成本

為了達(dá)到經(jīng)濟(jì)性最好的目的,沖壓工藝方案設(shè)計(jì)必須做到技術(shù)上可行、工藝過程最為合理。

降低原材料消耗

對于大中型沖壓件,在大批量生產(chǎn)時(shí)原始毛坯材料在沖壓件的成本中約占60%~70%,加工費(fèi)用(包括工時(shí)費(fèi)用、工人工資、能源消耗等)占20%~40%,模具費(fèi)用在10%以內(nèi)。因此,降低材料費(fèi)是控制沖壓件成本的決定性因素。

一般來講,降低材料費(fèi)用的方法有以下幾方面:在滿足工件功能、強(qiáng)度和使用要求的前提下,尋找廉價(jià)的代用材料;采用新材料,減薄材料厚度;訂購專門技術(shù)狀態(tài)和尺寸規(guī)格的鋼板,提高材料利用率;使用拼焊毛坯板材,提高材料利用率;采用寬卷料和帶料,較普通板料可節(jié)約材料2%~5%,同時(shí)可減少材料倉儲和運(yùn)輸費(fèi)用;改進(jìn)毛坯形狀,合理排樣;減少搭邊,采用少廢料或無廢料排樣;組合排樣;多件同時(shí)成形,對稱成形,成形后再切開;利用廢料生產(chǎn),下文介紹幾種有效的節(jié)材方法。

⑴多個(gè)零件同時(shí)成形。對于左右對稱的沖壓件,采用多個(gè)(多種)零件同時(shí)成形、然后剖切分離的設(shè)計(jì)方法,不僅可以改善板料受力狀況、使材料變形均勻,有利于沖壓成形,同時(shí)也減少模具和工序數(shù)量、減少設(shè)備占用、減少操作人數(shù)、提高材料利用率,從而降低了成本,如圖1所示。

⑵排樣與材料的經(jīng)濟(jì)利用。由零件結(jié)構(gòu)形狀所決定的結(jié)構(gòu)廢料一般不可避免,而工藝廢料則可采取措施加以減少或消除。比如安全帶上加強(qiáng)板,零件左右對稱,按照以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),可以采用表1中方案1或方案2所示的排樣方式。然而,這兩種方式中都有很大一部分工藝補(bǔ)充,如果沒有合適的小零件去利用,修邊后就只能作為廢料處理。通過分析對比,發(fā)現(xiàn)方案3需要的毛坯尺寸最小,而且這種排樣方式模具尺寸也最小,節(jié)省模具費(fèi)、降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度、減少車間輔助面積的占用。但要注意的是,這種排樣造型零件料厚的方向是相反的,兩個(gè)零件之間的連接部分應(yīng)妥善處理。

表1上加強(qiáng)板-司機(jī)/乘客安全帶三種排樣方式的材料利用對比

序號	排樣形式	毛坯尺寸(長×寬/mm×mm)	毛坯重/kg	材料利用率(%)
方案1		718×757	5.12	42
方案2		470×910	5.533	39
方案3		471×1247	4.029	53

⑶提高工藝穩(wěn)定性,降低廢品率。實(shí)際生產(chǎn)中由于工藝穩(wěn)定性差、廢品率高將導(dǎo)致實(shí)際材料利用率與理論材料利用率差距較大。因此,工藝設(shè)計(jì)階段對工藝穩(wěn)定性差的零件,應(yīng)根據(jù)質(zhì)量特點(diǎn)進(jìn)行工藝改進(jìn),保證穩(wěn)定、高利用率的生產(chǎn)。

控制沖壓加工工序

車身沖壓件工序數(shù)是衡量沖壓工藝水平的重要標(biāo)志之一。車身沖壓件工序數(shù)的多少,直接影響到壓力機(jī)數(shù)量、工裝數(shù)量、傳送裝置數(shù)量、占地面積、人員及動(dòng)能消耗等。所以,沖壓件工序數(shù)是影響沖壓廠投資規(guī)模和沖壓件制造成本的關(guān)鍵。

在國內(nèi),由于產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)重視整車性能及效果,對工藝性、經(jīng)濟(jì)性考慮的不夠,所以沖壓工序數(shù)較多。國外各大汽車制造廠都非常重視汽車車身設(shè)計(jì),將沖壓工序數(shù)作為降低汽車制造成本的重要途徑。當(dāng)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)要求與制造工藝發(fā)生矛盾時(shí),要求優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì),使之既滿足結(jié)構(gòu)要求又滿足工藝要求。目前, 載貨汽車及普及型轎車車身覆蓋件的最先進(jìn)設(shè)計(jì)中,沖壓工序數(shù)不超過4序,一般轎車覆蓋件的工序數(shù)略高于載貨汽車。

采取合理的生產(chǎn)方式

在沖壓生產(chǎn)過程中,生產(chǎn)批量大小對成本的影響是直接的。因此,不同的生產(chǎn)批量采取不同的生產(chǎn)方式是降低沖壓成本必須采取的對策。從目前世界各國沖壓技術(shù)的發(fā)展來看,隨著沖壓件生產(chǎn)批量的不同,大致可以認(rèn)為:在大批量生產(chǎn)中,主要是提高模具壽命和單位時(shí)間內(nèi)的生產(chǎn)率以降低沖壓件成本;在中小批量生產(chǎn)中,當(dāng)前主要朝著簡化模具工裝,向著通用化、萬能化方向發(fā)展。

降低沖模費(fèi)用

零件加工費(fèi)和模具折舊費(fèi)與產(chǎn)量之間的關(guān)系,見圖2。Q1點(diǎn)表示少量生產(chǎn)的情況,模具折舊費(fèi)都比大量生產(chǎn)時(shí)要高得多,模具折舊費(fèi)隨著產(chǎn)量的減少而增大,Q2點(diǎn)表示大量生產(chǎn)時(shí)的情況,加工費(fèi)比少量生產(chǎn)要低,而模具折舊費(fèi)更低。也就是說,少量生產(chǎn)時(shí)要降低零件的制造費(fèi)用,必須減少模具費(fèi)和縮短模具制造周期。

一般情況下,可從以下幾方面考慮降低沖壓成本中沖模費(fèi)用,包括:減少沖壓工序數(shù);盡量減少毛坯尺寸,簡化過渡件形狀,尤其是拉深件形狀的確定,對零件各工序的沖模尺寸、結(jié)構(gòu)和復(fù)雜程度等都有很大關(guān)系;優(yōu)化沖壓工序內(nèi)容設(shè)計(jì),這對模具的設(shè)計(jì)、制造、調(diào)試、保養(yǎng)、維修都有著直接的影響;合理選擇沖壓方向,優(yōu)化沖模結(jié)構(gòu);提高沖模的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、參數(shù)化,以便減少模具的設(shè)計(jì)制造周期和維修周期,且利于快換模具的實(shí)現(xiàn);在滿足沖模強(qiáng)度要求和沖壓操作要求后,盡量減少沖模的外形尺寸;沖模設(shè)計(jì)應(yīng)可靠實(shí)用、便于維修,以降低使用時(shí)的維修費(fèi)用和時(shí)間;在滿足生產(chǎn)壽命的情況下,盡量選用價(jià)格低廉的材料,降低模具材料費(fèi);設(shè)計(jì)與生產(chǎn)綱領(lǐng)要求相適應(yīng)的模具壽命,無不足或過多的壽命儲備,以最低的壽命周期成本可靠地實(shí)現(xiàn)模具的必要功能;在易損部位采用鑲塊結(jié)構(gòu),降低模具材料費(fèi)和維修費(fèi);中小批量生產(chǎn)中廣泛采用簡易模具,下文簡單介紹幾種方法。

⑴在拉延模中增加切口,節(jié)省落料模。為了提高外覆蓋件和大型內(nèi)板結(jié)構(gòu)件的剛度,零件拉延深度都比較深。拉深過程中,拉深較深的部位或有窗口反拉深成形的零件易拉裂,為滿足成形要求,很多零件都需要落料模提供外形不規(guī)則或帶工藝孔的料片。但在一大張板料上僅沖一個(gè)小缺口或小工藝孔,既增加了模具費(fèi),又浪費(fèi)人力、設(shè)備、能源,經(jīng)濟(jì)性差。對此,可以采用在拉延模中增加工藝切口的辦法減少一副落料模,見圖3。

圖3是采用成雙拉延的形式生產(chǎn)左/右側(cè)邊梁,由于中間聯(lián)結(jié)處深度與寬度的比值較大,成形困難,用AUTOFORM模擬時(shí)反成形的R部位開裂,在中間廢料部位需增加兩處工藝孔,使材料向外流動(dòng)。如果為此增加一套落料模顯然很不經(jīng)濟(jì),通過在拉延模中增加切刃的方法解決。此時(shí)注意工藝孔在拉延模具中間,不宜產(chǎn)生廢料,應(yīng)采用切舌的形式,即廢料不完全切掉,且要注意后序定位。

⑵采用多槽模,減少模具數(shù)量及設(shè)備占用。D310車型的后橫梁—乘客/司機(jī)座椅5101073/74-C0100,該零件左右對稱,采用成雙的工藝,由三道工序完成:落料沖孔→成形→沖孔切開,按常規(guī)需設(shè)計(jì)制造三套小模具,在2臺400t壓力機(jī)上完成,需要操作工至少6個(gè),設(shè)備間需皮帶機(jī)輸送?？紤]到零件外形尺寸小、材料薄、重量輕,將三道工序集成到一套模具(圖4)中進(jìn)行多槽沖壓,只需占用1臺400t壓力機(jī), 4人即可進(jìn)行流水作業(yè),且省去了皮帶機(jī)。

CAE成形技術(shù)的應(yīng)用

在產(chǎn)品研制過程中,會存在多種因素的制約,最常用的解決辦法是請專家或采用相應(yīng)的分析工具找出原因,采取對應(yīng)措施。通常情況下,提出的修改建議或許只是針對某個(gè)零部件的,但對于車輛生產(chǎn)這樣一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)來說,往往是牽一發(fā)而動(dòng)全身,在解決一個(gè)問題的同時(shí),又可能帶來其他問題。為避免一系列改動(dòng),設(shè)計(jì)人員有時(shí)只好做一些妥協(xié),雖然能在一定程度上解決問題,但不能根本解決,也就增加了產(chǎn)品投產(chǎn)后的維護(hù)成本。

隨著非線性理論、有限元方法和計(jì)算機(jī)軟硬件的迅速發(fā)展,目前的金屬板料成形CAE系統(tǒng)已能提供多方面的分析和模擬結(jié)果,如材料的流動(dòng)、厚度的變化、缺陷預(yù)測以及殘余應(yīng)力應(yīng)變,用以預(yù)測產(chǎn)品設(shè)計(jì)和加工工藝的合理性?？梢允÷源罅康恼鎸?shí)實(shí)驗(yàn),節(jié)省時(shí)間及成本,保證詳細(xì)設(shè)計(jì)的高成功率,避免后期設(shè)計(jì)中的顛覆性問題。

如側(cè)頂蓋由于深度與寬度的比值較大,且局部突起,通過CAE分析,發(fā)現(xiàn)其成形過程中嚴(yán)重拉裂,在距離下死點(diǎn)50mm時(shí)已開裂,即使使用DC06級別的材料,仍不能解決開裂問題。經(jīng)多次修改工藝補(bǔ)充部分、調(diào)整工藝參數(shù),效果均不明顯。根據(jù)以往CAE的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),模擬時(shí)開裂的產(chǎn)品,在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)肯定會裂,反之卻不一定。因此得出結(jié)論,該產(chǎn)品在現(xiàn)有工藝條件下不可能一次拉深成形。于是對產(chǎn)品設(shè)計(jì)提出修改意見,在保證產(chǎn)品使用功能的前提下,局部修改產(chǎn)品造型,后部深度減小,R放大,見圖5a、b。通過幾次修改后,得出了滿意的結(jié)果,局部材料減薄率降至20%以下。在詳細(xì)設(shè)計(jì)的任何時(shí)期,CAE技術(shù)都將發(fā)揮其巨大作用,由于每次模擬就相當(dāng)于一次試模過程,因此應(yīng)用CAE模擬技術(shù),可以顯著地減少試模次數(shù)、縮短新品開發(fā)周期、降低開發(fā)成本。

CAE在降低成本方面的作用大致如圖6所示,在早期采用CAE技術(shù),雖然加大了前期投入,但降低了后續(xù)的產(chǎn)品開發(fā)費(fèi)用。投入總量和傳統(tǒng)做法相比要少得多,而且在產(chǎn)品投產(chǎn)后,能將投入維持在很低的水平,從總體上來說,降低了產(chǎn)品開發(fā)的總費(fèi)用,也使產(chǎn)品的上市時(shí)間得以提前。

在新車型生產(chǎn)準(zhǔn)備過程中采用同步工程的形式,在數(shù)模凍結(jié)前普遍應(yīng)用AUTOFORM軟件,不僅對大型復(fù)雜零件進(jìn)行了成形性分析,還對梁類成形件進(jìn)行了回彈預(yù)測,對零件的工藝性及產(chǎn)品造型提出了大量的修改建議,為生產(chǎn)準(zhǔn)備工作的順利展開打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

我們發(fā)現(xiàn),在工藝方案制定時(shí)就貫徹成本控制思想,在方案還處于文字階段時(shí)就進(jìn)行周全而細(xì)致工作要比在既成事實(shí)之后想辦法要容易的多。設(shè)計(jì)合理的工藝過程,不僅需要扎實(shí)的理論知識和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),而且還需要吸收產(chǎn)品設(shè)計(jì)者、模具設(shè)計(jì)制造者和生產(chǎn)者的建議和經(jīng)驗(yàn),需要借鑒和學(xué)習(xí)國內(nèi)、外的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn),并進(jìn)行周密的考慮。工藝方案先期進(jìn)行的成本控制工作和對工藝方案的評價(jià)多是憑借工藝人員的經(jīng)驗(yàn),往往比較粗糙,要想將這一工作深入進(jìn)行下去,還要在以下幾方面多多探索:

⑴沖壓工藝過程的計(jì)算機(jī)模擬,包括沖壓成形仿真和沖模工作情況模擬軟件中各種邊界條件的合理設(shè)置。

⑵通過大量的工藝實(shí)驗(yàn)探索各種沖壓典型工藝方法的臨界值域。

⑶新材料的推廣與應(yīng)用。

⑷沖模價(jià)格相關(guān)參數(shù)的動(dòng)態(tài)總結(jié),包括結(jié)構(gòu)復(fù)雜系數(shù)、外形尺寸等與沖模價(jià)格的關(guān)系。

結(jié)束語

在當(dāng)前汽車企業(yè)激烈的市場競爭和節(jié)材降本的呼聲中,不斷降低成本和提高質(zhì)量的重要性日益突出。在這種情況下,作為工藝人員應(yīng)當(dāng)了解自身工作的關(guān)鍵性和作用,在制定工藝方案時(shí)結(jié)合實(shí)際情況制定出高價(jià)值的方案,將沖壓降本進(jìn)行到底。

——節(jié)選自《鍛造與沖壓》雜志2010年05期

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