【經典回顧】沖壓成本控制，從工藝設計開始

2016-09-09 by:CAE仿真在線來源:互聯網

結合汽車生產準備的實際情況,在工藝設計時就考慮通過合理選材、合理排樣、減少工序、充分利用設備能力以及運用CAE技術等一些行之有效的方法,有效降低沖壓產品的成本、提高經濟性。

對沖壓降本的認識

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方式。在日常的生產活動中,管理者和技術人員對現實生產環(huán)節(jié)中的降成本工作是高度關注的,但每當降本工作的根結指向生產工藝過程本身時,工藝人員經常有“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出合格的沖壓產品,但在經濟性方面可能會有很大的差異。作為工藝技術人員,我們越來越強烈地感覺到,在工作過程中僅僅追求工藝技術的先進性和創(chuàng)新性是不夠的,如何降低成本應當成為著重分析的內容。

工藝上起決定的因素包括采用什么樣的生產方式,毛坯尺寸和材料消耗,生產工序數,設備規(guī)格數量,生產節(jié)拍,人員,占用面積,能源消耗,模具結構、數量和形式,輔料消耗等等。因此,在工藝方案制定過程中,成本控制方法應當從上述幾方面來尋找。

從工藝過程控制成本

為了達到經濟性最好的目的,沖壓工藝方案設計必須做到技術上可行、工藝過程最為合理。

降低原材料消耗

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

一般來講,降低材料費用的方法有以下幾方面:在滿足工件功能、強度和使用要求的前提下,尋找廉價的代用材料;采用新材料,減薄材料厚度;訂購專門技術狀態(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%,同時可減少材料倉儲和運輸費用;改進毛坯形狀,合理排樣;減少搭邊,采用少廢料或無廢料排樣;組合排樣;多件同時成形,對稱成形,成形后再切開;利用廢料生產,下文介紹幾種有效的節(jié)材方法。

⑴多個零件同時成形。對于左右對稱的沖壓件,采用多個(多種)零件同時成形、然后剖切分離的設計方法,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,同時也減少模具和工序數量、減少設備占用、減少操作人數、提高材料利用率,從而降低了成本,如圖1所示。

⑵排樣與材料的經濟利用。由零件結構形狀所決定的結構廢料一般不可避免,而工藝廢料則可采取措施加以減少或消除。比如安全帶上加強板,零件左右對稱,按照以往的設計經驗,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、降低工人勞動強度、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,兩個零件之間的連接部分應妥善處理。

表1上加強板-司機/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。實際生產中由于工藝穩(wěn)定性差、廢品率高將導致實際材料利用率與理論材料利用率差距較大。因此,工藝設計階段對工藝穩(wěn)定性差的零件,應根據質量特點進行工藝改進,保證穩(wěn)定、高利用率的生產。

控制沖壓加工工序

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

在國內,由于產品開發(fā)設計時重視整車性能及效果,對工藝性、經濟性考慮的不夠,所以沖壓工序數較多。國外各大汽車制造廠都非常重視汽車車身設計,將沖壓工序數作為降低汽車制造成本的重要途徑。當產品結構要求與制造工藝發(fā)生矛盾時,要求優(yōu)化產品設計,使之既滿足結構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設計中,沖壓工序數不超過4序,一般轎車覆蓋件的工序數略高于載貨汽車。

采取合理的生產方式

在沖壓生產過程中,生產批量大小對成本的影響是直接的。因此,不同的生產批量采取不同的生產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的發(fā)展來看,隨著沖壓件生產批量的不同,大致可以認為:在大批量生產中,主要是提高模具壽命和單位時間內的生產率以降低沖壓件成本;在中小批量生產中,當前主要朝著簡化模具工裝,向著通用化、萬能化方向發(fā)展。

降低沖模費用

零件加工費和模具折舊費與產量之間的關系,見圖2。Q1點表示少量生產的情況,模具折舊費都比大量生產時要高得多,模具折舊費隨著產量的減少而增大,Q2點表示大量生產時的情況,加工費比少量生產要低,而模具折舊費更低。也就是說,少量生產時要降低零件的制造費用,必須減少模具費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用,包括:減少沖壓工序數;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、結構和復雜程度等都有很大關系;優(yōu)化沖壓工序內容設計,這對模具的設計、制造、調試、保養(yǎng)、維修都有著直接的影響;合理選擇沖壓方向,優(yōu)化沖模結構;提高沖模的標準化、系列化、參數化,以便減少模具的設計制造周期和維修周期,且利于快換模具的實現;在滿足沖模強度要求和沖壓操作要求后,盡量減少沖模的外形尺寸;沖模設計應可靠實用、便于維修,以降低使用時的維修費用和時間;在滿足生產壽命的情況下,盡量選用價格低廉的材料,降低模具材料費;設計與生產綱領要求相適應的模具壽命,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現模具的必要功能;在易損部位采用鑲塊結構,降低模具材料費和維修費;中小批量生產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板結構件的剛度,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小缺口或小工藝孔,既增加了模具費,又浪費人力、設備、能源,經濟性差。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左/右側邊梁,由于中間聯結處深度與寬度的比值較大,成形困難,用AUTOFORM模擬時反成形的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。如果為此增加一套落料模顯然很不經濟,通過在拉延模中增加切刃的方法解決。此時注意工藝孔在拉延模具中間,不宜產生廢料,應采用切舌的形式,即廢料不完全切掉,且要注意后序定位。

⑵采用多槽模,減少模具數量及設備占用。D310車型的后橫梁—乘客/司機座椅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)需設計制造三套小模具,在2臺400t壓力機上完成,需要操作工至少6個,設備間需皮帶機輸送?？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)中進行多槽沖壓,只需占用1臺400t壓力機, 4人即可進行流水作業(yè),且省去了皮帶機。

CAE成形技術的應用

在產品研制過程中,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的分析工具找出原因,采取對應措施。通常情況下,提出的修改建議或許只是針對某個零部件的,但對于車輛生產這樣一個復雜的系統(tǒng)來說,往往是牽一發(fā)而動全身,在解決一個問題的同時,又可能帶來其他問題。為避免一系列改動,設計人員有時只好做一些妥協,雖然能在一定程度上解決問題,但不能根本解決,也就增加了產品投產后的維護成本。

隨著非線性理論、有限元方法和計算機軟硬件的迅速發(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果,如材料的流動、厚度的變化、缺陷預測以及殘余應力應變,用以預測產品設計和加工工藝的合理性。可以省略大量的真實實驗,節(jié)省時間及成本,保證詳細設計的高成功率,避免后期設計中的顛覆性問題。

如側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)現其成形過程中嚴重拉裂,在距離下死點50mm時已開裂,即使使用DC06級別的材料,仍不能解決開裂問題。經多次修改工藝補充部分、調整工藝參數,效果均不明顯。根據以往CAE的應用經驗,模擬時開裂的產品,在實際生產時肯定會裂,反之卻不一定。因此得出結論,該產品在現有工藝條件下不可能一次拉深成形。于是對產品設計提出修改意見,在保證產品使用功能的前提下,局部修改產品造型,后部深度減小,R放大,見圖5a、b。通過幾次修改后,得出了滿意的結果,局部材料減薄率降至20%以下。在詳細設計的任何時期,CAE技術都將發(fā)揮其巨大作用,由于每次模擬就相當于一次試模過程,因此應用CAE模擬技術,可以顯著地減少試模次數、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,雖然加大了前期投入,但降低了后續(xù)的產品開發(fā)費用。投入總量和傳統(tǒng)做法相比要少得多,而且在產品投產后,能將投入維持在很低的水平,從總體上來說,降低了產品開發(fā)的總費用,也使產品的上市時間得以提前。

在新車型生產準備過程中采用同步工程的形式,在數模凍結前普遍應用AUTOFORM軟件,不僅對大型復雜零件進行了成形性分析,還對梁類成形件進行了回彈預測,對零件的工藝性及產品造型提出了大量的修改建議,為生產準備工作的順利展開打下了堅實的基礎。

經驗總結

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

⑴沖壓工藝過程的計算機模擬,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置。

⑵通過大量的工藝實驗探索各種沖壓典型工藝方法的臨界值域。

⑶新材料的推廣與應用。

⑷沖模價格相關參數的動態(tài)總結,包括結構復雜系數、外形尺寸等與沖模價格的關系。

結束語

在當前汽車企業(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量的重要性日益突出。在這種情況下,作為工藝人員應當了解自身工作的關鍵性和作用,在制定工藝方案時結合實際情況制定出高價值的方案,將沖壓降本進行到底。

——節(jié)選自《鍛造與沖壓》雜志2010年05期

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