【经典回顾】冲压成本控制，从工艺设计开始

2016-09-09 by:CAE仿真在线来源:互联网

结合汽车生产准备的实际情况,在工艺设计时就考虑通过合理选材、合理排样、减少工序、充分利用设备能力以及运用CAE技术等一些行之有效的方法,有效降低冲压产品的成本、提高经济性。

对冲压降本的认识

在以冲压为主的工厂中,降低冲压成本是永恒的主题,这其中包括冲压件的成本不断降低和采取灵活的生产方式。在日常的生产活动中,管理者和技术人员对现实生产环节中的降成本工作是高度关注的,但每当降本工作的根结指向生产工艺过程本身时,工艺人员经常有“大势已定,无可奈何”的慨叹,改善效果也往往是事倍功半。因此,在制定工艺方案阶段就考虑如何降低成本最为有效的途径。尽管采取不同的工艺方案都可以生产出合格的冲压产品,但在经济性方面可能会有很大的差异。作为工艺技术人员,我们越来越强烈地感觉到,在工作过程中仅仅追求工艺技术的先进性和创新性是不够的,如何降低成本应当成为着重分析的内容。

工艺上起决定的因素包括采用什么样的生产方式,毛坯尺寸和材料消耗,生产工序数,设备规格数量,生产节拍,人员,占用面积,能源消耗,模具结构、数量和形式,辅料消耗等等。因此,在工艺方案制定过程中,成本控制方法应当从上述几方面来寻找。

从工艺过程控制成本

为了达到经济性最好的目的,冲压工艺方案设计必须做到技术上可行、工艺过程最为合理。

降低原材料消耗

对于大中型冲压件,在大批量生产时原始毛坯材料在冲压件的成本中约占60%~70%,加工费用(包括工时费用、工人工资、能源消耗等)占20%~40%,模具费用在10%以内。因此,降低材料费是控制冲压件成本的决定性因素。

一般来讲,降低材料费用的方法有以下几方面:在满足工件功能、强度和使用要求的前提下,寻找廉价的代用材料;采用新材料,减薄材料厚度;订购专门技术状态和尺寸规格的钢板,提高材料利用率;使用拼焊毛坯板材,提高材料利用率;采用宽卷料和带料,较普通板料可节约材料2%~5%,同时可减少材料仓储和运输费用;改进毛坯形状,合理排样;减少搭边,采用少废料或无废料排样;组合排样;多件同时成形,对称成形,成形后再切开;利用废料生产,下文介绍几种有效的节材方法。

⑴多个零件同时成形。对于左右对称的冲压件,采用多个(多种)零件同时成形、然后剖切分离的设计方法,不仅可以改善板料受力状况、使材料变形均匀,有利于冲压成形,同时也减少模具和工序数量、减少设备占用、减少操作人数、提高材料利用率,从而降低了成本,如图1所示。

⑵排样与材料的经济利用。由零件结构形状所决定的结构废料一般不可避免,而工艺废料则可采取措施加以减少或消除。比如安全带上加强板,零件左右对称,按照以往的设计经验,可以采用表1中方案1或方案2所示的排样方式。然而,这两种方式中都有很大一部分工艺补充,如果没有合适的小零件去利用,修边后就只能作为废料处理。通过分析对比,发现方案3需要的毛坯尺寸最小,而且这种排样方式模具尺寸也最小,节省模具费、降低工人劳动强度、减少车间辅助面积的占用。但要注意的是,这种排样造型零件料厚的方向是相反的,两个零件之间的连接部分应妥善处理。

表1上加强板-司机/乘客安全带三种排样方式的材料利用对比

序号	排样形式	毛坯尺寸(长×宽/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提高工艺稳定性,降低废品率。实际生产中由于工艺稳定性差、废品率高将导致实际材料利用率与理论材料利用率差距较大。因此,工艺设计阶段对工艺稳定性差的零件,应根据质量特点进行工艺改进,保证稳定、高利用率的生产。

控制冲压加工工序

车身冲压件工序数是衡量冲压工艺水平的重要标志之一。车身冲压件工序数的多少,直接影响到压力机数量、工装数量、传送装置数量、占地面积、人员及动能消耗等。所以,冲压件工序数是影响冲压厂投资规模和冲压件制造成本的关键。

在国内,由于产品开发设计时重视整车性能及效果,对工艺性、经济性考虑的不够,所以冲压工序数较多。国外各大汽车制造厂都非常重视汽车车身设计,将冲压工序数作为降低汽车制造成本的重要途径。当产品结构要求与制造工艺发生矛盾时,要求优化产品设计,使之既满足结构要求又满足工艺要求。目前, 载货汽车及普及型轿车车身覆盖件的最先进设计中,冲压工序数不超过4序,一般轿车覆盖件的工序数略高于载货汽车。

采取合理的生产方式

在冲压生产过程中,生产批量大小对成本的影响是直接的。因此,不同的生产批量采取不同的生产方式是降低冲压成本必须采取的对策。从目前世界各国冲压技术的发展来看,随着冲压件生产批量的不同,大致可以认为:在大批量生产中,主要是提高模具寿命和单位时间内的生产率以降低冲压件成本;在中小批量生产中,当前主要朝着简化模具工装,向着通用化、万能化方向发展。

降低冲模费用

零件加工费和模具折旧费与产量之间的关系,见图2。Q1点表示少量生产的情况,模具折旧费都比大量生产时要高得多,模具折旧费随着产量的减少而增大,Q2点表示大量生产时的情况,加工费比少量生产要低,而模具折旧费更低。也就是说,少量生产时要降低零件的制造费用,必须减少模具费和缩短模具制造周期。

一般情况下,可从以下几方面考虑降低冲压成本中冲模费用,包括:减少冲压工序数;尽量减少毛坯尺寸,简化过渡件形状,尤其是拉深件形状的确定,对零件各工序的冲模尺寸、结构和复杂程度等都有很大关系;优化冲压工序内容设计,这对模具的设计、制造、调试、保养、维修都有着直接的影响;合理选择冲压方向,优化冲模结构;提高冲模的标准化、系列化、参数化,以便减少模具的设计制造周期和维修周期,且利于快换模具的实现;在满足冲模强度要求和冲压操作要求后,尽量减少冲模的外形尺寸;冲模设计应可靠实用、便于维修,以降低使用时的维修费用和时间;在满足生产寿命的情况下,尽量选用价格低廉的材料,降低模具材料费;设计与生产纲领要求相适应的模具寿命,无不足或过多的寿命储备,以最低的寿命周期成本可靠地实现模具的必要功能;在易损部位采用镶块结构,降低模具材料费和维修费;中小批量生产中广泛采用简易模具,下文简单介绍几种方法。

⑴在拉延模中增加切口,节省落料模。为了提高外覆盖件和大型内板结构件的刚度,零件拉延深度都比较深。拉深过程中,拉深较深的部位或有窗口反拉深成形的零件易拉裂,为满足成形要求,很多零件都需要落料模提供外形不规则或带工艺孔的料片。但在一大张板料上仅冲一个小缺口或小工艺孔,既增加了模具费,又浪费人力、设备、能源,经济性差。对此,可以采用在拉延模中增加工艺切口的办法减少一副落料模,见图3。

图3是采用成双拉延的形式生产左/右侧边梁,由于中间联结处深度与宽度的比值较大,成形困难,用AUTOFORM模拟时反成形的R部位开裂,在中间废料部位需增加两处工艺孔,使材料向外流动。如果为此增加一套落料模显然很不经济,通过在拉延模中增加切刃的方法解决。此时注意工艺孔在拉延模具中间,不宜产生废料,应采用切舌的形式,即废料不完全切掉,且要注意后序定位。

⑵采用多槽模,减少模具数量及设备占用。D310车型的后横梁—乘客/司机座椅5101073/74-C0100,该零件左右对称,采用成双的工艺,由三道工序完成:落料冲孔→成形→冲孔切开,按常规需设计制造三套小模具,在2台400t压力机上完成,需要操作工至少6个,设备间需皮带机输送。考虑到零件外形尺寸小、材料薄、重量轻,将三道工序集成到一套模具(图4)中进行多槽冲压,只需占用1台400t压力机, 4人即可进行流水作业,且省去了皮带机。

CAE成形技术的应用

在产品研制过程中,会存在多种因素的制约,最常用的解决办法是请专家或采用相应的分析工具找出原因,采取对应措施。通常情况下,提出的修改建议或许只是针对某个零部件的,但对于车辆生产这样一个复杂的系统来说,往往是牵一发而动全身,在解决一个问题的同时,又可能带来其他问题。为避免一系列改动,设计人员有时只好做一些妥协,虽然能在一定程度上解决问题,但不能根本解决,也就增加了产品投产后的维护成本。

随着非线性理论、有限元方法和计算机软硬件的迅速发展,目前的金属板料成形CAE系统已能提供多方面的分析和模拟结果,如材料的流动、厚度的变化、缺陷预测以及残余应力应变,用以预测产品设计和加工工艺的合理性。可以省略大量的真实实验,节省时间及成本,保证详细设计的高成功率,避免后期设计中的颠覆性问题。

如侧顶盖由于深度与宽度的比值较大,且局部突起,通过CAE分析,发现其成形过程中严重拉裂,在距离下死点50mm时已开裂,即使使用DC06级别的材料,仍不能解决开裂问题。经多次修改工艺补充部分、调整工艺参数,效果均不明显。根据以往CAE的应用经验,模拟时开裂的产品,在实际生产时肯定会裂,反之却不一定。因此得出结论,该产品在现有工艺条件下不可能一次拉深成形。于是对产品设计提出修改意见,在保证产品使用功能的前提下,局部修改产品造型,后部深度减小,R放大,见图5a、b。通过几次修改后,得出了满意的结果,局部材料减薄率降至20%以下。在详细设计的任何时期,CAE技术都将发挥其巨大作用,由于每次模拟就相当于一次试模过程,因此应用CAE模拟技术,可以显著地减少试模次数、缩短新品开发周期、降低开发成本。

CAE在降低成本方面的作用大致如图6所示,在早期采用CAE技术,虽然加大了前期投入,但降低了后续的产品开发费用。投入总量和传统做法相比要少得多,而且在产品投产后,能将投入维持在很低的水平,从总体上来说,降低了产品开发的总费用,也使产品的上市时间得以提前。

在新车型生产准备过程中采用同步工程的形式,在数模冻结前普遍应用AUTOFORM软件,不仅对大型复杂零件进行了成形性分析,还对梁类成形件进行了回弹预测,对零件的工艺性及产品造型提出了大量的修改建议,为生产准备工作的顺利展开打下了坚实的基础。

经验总结

我们发现,在工艺方案制定时就贯彻成本控制思想,在方案还处于文字阶段时就进行周全而细致工作要比在既成事实之后想办法要容易的多。设计合理的工艺过程,不仅需要扎实的理论知识和丰富的实践经验,而且还需要吸收产品设计者、模具设计制造者和生产者的建议和经验,需要借鉴和学习国内、外的先进经验,并进行周密的考虑。工艺方案先期进行的成本控制工作和对工艺方案的评价多是凭借工艺人员的经验,往往比较粗糙,要想将这一工作深入进行下去,还要在以下几方面多多探索:

⑴冲压工艺过程的计算机模拟,包括冲压成形仿真和冲模工作情况模拟软件中各种边界条件的合理设置。

⑵通过大量的工艺实验探索各种冲压典型工艺方法的临界值域。

⑶新材料的推广与应用。

⑷冲模价格相关参数的动态总结,包括结构复杂系数、外形尺寸等与冲模价格的关系。

结束语

在当前汽车企业激烈的市场竞争和节材降本的呼声中,不断降低成本和提高质量的重要性日益突出。在这种情况下,作为工艺人员应当了解自身工作的关键性和作用,在制定工艺方案时结合实际情况制定出高价值的方案,将冲压降本进行到底。

——节选自《锻造与冲压》杂志2010年05期

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