淺談沖壓品質管理

文/孫侃·天津一汽豐田汽車有限公司

淺談沖壓品質管理

文/孫侃·天津一汽豐田汽車有限公司

孫侃，從事沖壓技術及現場管理工作，參與泰達工廠建設，負責多款車型的新車沖壓項目，在生產性向上、精益管理推進、成本改善等方面深度學習實踐豐田汽車的技術及管理理念。

T FTM沖壓部門擁有6條全自動沖壓生產線（含4條伺服生產線），產品包括整體側圍、車身結構件等冷沖薄板沖壓品，板厚范圍0.6～4.2mm，制件重量0.3～26kg，年有效沖程1862.2萬次，生產制件2312萬枚，2015年對應工廠40萬臺產能。在快速、高效的生產當中，保證沖壓品質是沖壓部門永恒的課題。在長期的改善和積累過程中，形成了一整套沖壓品質管理的工藝及方法，取得了良好的效果。

現代沖壓品質管理的特點

沖壓品質的一致性

沖壓品質一致性主要體現在沖壓件符合設計品標，包括形狀、精度、板厚減薄、面品質以及邊緣平整無毛刺等指標，各指標的檢驗方法及標準如表1所示。

現代沖壓生產的線性特點

由于現代工業的進步，沖壓用薄板的材質穩定性達到較高水準，沖壓生產串線基本由全自動代替人工搬運，壓力機逐步由伺服壓機替代傳統的油壓機或機械多連桿壓力機等?？傮w而言，人的參與逐步降低，從而提高生產速度、安全性、安定性，也減少了人為因素造成的不確定因素，提升了沖壓高速生產的品質線性特點。表2是傳統沖壓生產方式與現代沖壓生產方式的對比。

表1 沖壓品質一致性指標及其檢驗方法和標準

表2 新舊沖壓生產方式的對比

綜上，對于現代化程度先進的沖壓全自動伺服生產線，各項生產參數一旦設定，影響沖壓品質的非線性因素大大降低。沖壓的品質管理可以根據這一特點有效地開展抽檢、分割檢查、傾向性管理等，用最低限度的人工，確保沖壓品質的自工程完結。

沖壓生產準備階段品質管理的幾點做法

沖壓拉延成形的標準設定

⑴拉延成形調試過程中的問題點。

在沖壓模具制作及調整過程中，拉延成形的狀態決定了沖壓品的回彈、剛性、精度以及板厚減少率等各項指標是否合規，拉延工序的調整及修理需要花費長時間來完成。但是往往閉合高壓力等參數的細微調整會使成形狀態波動巨大，即使經驗豐富的技工有時也很難把握調整的方向。

總結下來主要存在兩大問題：①在模具廠家的設備上，參數調整后變化傾向不明；②在模具來到制造車間的設備上，由于壓機差異等原因，面臨再次調整，繼續花費大量時間和精力進行調試。針對以上問題，介紹一下豐田在拉延成形標準方面的執行辦法。

⑵拉延成形的過程管理。

①統一的設備式樣。為了提高模具生產準備的效率，降低調試時間和提高調試準確度，豐田公司首先在設備選型方面采用了統一的設備參數，豐田現在全球的沖壓生產線，采用了統一的設備式樣，以中國豐田合資事業體為例，整車廠TFTM、SFTM、GTMC以及造模廠TFTD都采用了豐田與小松合作開發的壓力設備，設備式樣統一、共通。這不但確保了造模廠生產出的模具可以以最短的時間在整車廠再現品質批量生產；而且在整車廠的各條生產線間模具可順利移線生產，從而增加了整車廠各沖壓生產線間生產負荷調整的機動性。

②壓力波形的導入。在統一設備式樣的基礎上，豐田公司導入了又一項過程可視化技術，即壓力成形曲線，它是通過在設備上增加壓力傳感器，并收集壓力反饋信號來實現的，是一種專業化的基于應用的壓力設備二次開發。

圖1、圖2、圖3是由外接C-PAS儀器讀出的某模具在造模工廠TFTD壓機設備上的壓力成形曲線，左側是各生產設定參數，右側是成形壓力與時間的曲線。

圖1 標準壓（2215kN）寸動沖壓下的320A側圍成形壓力—時間曲線

圖2 標準壓（2215kN）行程沖壓下的320A側圍成形壓力—時間曲線

圖3 上限壓（3014kN）行程沖壓下的320A側圍成形壓力—時間曲線

在實際的生產準備過程中，合理運用以上過程參數可以高效再現成形性品質，側圍在線調試時間由國內平均水平36小時降低到2小時以內，由于篇幅有限，曲線的具體讀圖方法和運用不在本文詳述。

沖壓模具閉合高的標準設定

在模具制造生產準備階段，模具的平行度也是重要的品質因素，但是沖壓過程中，上模與下模接觸的一剎那，用肉眼判斷0.1mm以下的細微偏差是非常困難的。下面介紹一下豐田在模具平行度方面采取的做法。

圖4所示是模具接觸調整塊的設置。接觸調整塊的目的是，在沖壓過程當中的下死點（壓機達到180°，上模與下模壓實）角度，在調整塊表面設置感壓紙，測量并記錄調整塊接觸的面積及狀態。這是記錄模具調試到最佳狀態的一種方法。

圖4 模具接觸調整塊設置圖

圖5是利用感壓紙測出的模具出廠時各位置狀態與在TFTM設備上調試后各位置的狀態對比圖。

圖5 各調整塊測試后感壓紙狀態

網格模具的導入

⑴網格模具。

Cross cut網格模具技術起源于豐田公司現場員工的創意與不斷改善，通過在模具表面橫縱切割凹槽，達到減少模具與制件的接觸面，從而降低面品質不良。

⑵網格模具的加工規格。

如圖6所示，加工規格圖中顯示的是模具剖面，凹槽規格寬1.05mm，深0.15mm，凹槽加工間距2.5mm，凹槽以與生產Feed方向45度角進行雙向加工，在模具表面形成網格。圖7是網格模具的實物照片。

⑶網格模具導入的效果。

天津一汽豐田沖壓車間導入網格模具后，面品質不良由5%～6%降低到3%以內。

圖6 網格模具的加工規格

圖7 網格模具實物照片

沖壓生產階段品質管理的幾點做法

標準樣件管理、抽樣檢查以及初、中、終品的保障

在批量沖壓生產過程中，如何保證一致性及通過高速沖壓線性特點設定抽檢的頻度及方法，是沖壓日常品質管理的基礎。

⑴標準樣件管理、抽樣檢查以及初、中、終品的管理內規。

豐田對標準樣件管理、抽樣檢查以及初、中、終品的管理內規詳見表3。

⑵沖壓QC工程圖。

下面以391A車型的沖壓在線品質管理文件為例進行說明。

①檢查項目，如圖8所示。檢查項目中記錄了產品的必要信息，在加工過程中，各工藝產生不良的類型及檢查的方法。

②檢查頻度，如圖9所示。檢查頻度是根據此沖壓品的特點，確定多少枚抽檢一次以及不同階段的抽檢內容、檢查方法以及記錄方法等。

③不良履歷，如圖10所示。不良履歷是更加形象地記錄此部品曾經發生過的重大品質問題，讓員工第一時間第一意識去查看相關部位。

面品質問題的發生源管理

對于沖壓件面品質的管理始終是薄板沖壓的難題，由于在沖壓成形過程當中，各種細小的顆粒（一般認為直徑大于30μm的硬質顆粒）都會造成沖壓件表面的缺陷，由于顆粒小，用肉眼很難區分顆粒是什么，無法找到顆粒的發生源頭，就無法進行改善。這里介紹一項豐田沖壓現場員工的創意舉措，利用民用觀測寶石的電子放大鏡，可使異物材質一目了然（圖11），改善事半功倍。

表3 對標準品、初品、中品、終品的管理描述

圖8 QC工程圖中的檢查項目部分

圖9 QC工程圖中的檢查頻度部分

圖10 QC工程圖中不良履歷部分

圖11 便攜式電子顯微鏡及拍攝放大后的切粉照片

圖12 異物→改善的經驗圖庫

另外，在現場改善的長期積累過程中，現場工作人員還總結出了一套異物→改善對策的經驗庫，如圖12所示。

通過傾向管理預防開裂

⑴開裂。

在薄板沖壓成形過程中，隨著變形的發展，材料的承載面積不斷縮小，其應變強化效應也不斷增加。當應變強化效應的增加能夠補償承載面積縮減時，變形可以穩定地進行下去；當兩者恰好相等時，變形處于臨界狀態；當應變強化效應的增加不能補償承載面積縮減，并越過了臨界狀態時，板料的變形將首先發生在承載能力弱的位置，繼而發展成為隱裂，最終導致板料出現破裂現象。

圖13 利用AutoGrid成像設備在FLD圖中找到容易開裂的部位

⑵極限成形曲線FLD。

根據破裂的原理，在薄板沖壓過程中的開裂及隱裂可以借助成形極限圖（FLD）進行描述。成形極限圖（FLD）是板料在不同應變路徑下局部失穩的極限應變（工程應變或真應變）構成的條帶形區域（或曲線FLC），它全面反映了板料從單向拉伸向雙向等拉伸的應力作用下板料的成形能力。

⑶利用FLD測試找到最容易開裂的部位。

如圖13所示，導入Autogrid三維成像設備測試鋼板減薄的FLD曲線。將最容易開裂的部位進行標記，根據沖壓的線性變化特性，只要抽檢最容易開裂的部位。如果最容易開裂的部位不開裂，則判斷制件整體安全。

⑷在線的板厚檢測辦法。

如圖14所示，在生產線上利用超聲波金屬減薄測定儀，對容易開裂的點進行抽檢檢測，并把握傾向性（線性發展規律）就能有效預防開裂。

⑸開裂的預防效果。

在2013年泰達工廠沖壓車間推行開裂的傾向性管理方法后，開裂的發生呈遞減趨勢，如圖15所示。

圖14 利用超聲減薄設備在線檢查板厚變化傾向

未來高品質沖壓工藝的展望

眾所周知，豐田公司的崛起受益于上一次大蕭條中選擇了精益管理TPS的模式。在當前全球經濟低迷，消費下滑的狀況下，眾多的汽車企業如何在新的一輪洗牌當中脫穎而出將取決于各個企業自己選擇的道路。在沖壓工藝方面，無論是壓機設備還是自動化裝置將更加專業化。與此同時，少人化、無人化、互聯網+、大數據、制品ID（每一枚沖壓件都會有自己的生產品質履歷），這些變革將會一件一件實現，企業要做的就是看清行業發展的趨勢，并結合自身特點進行創新。

圖15 導入傾向管理后開裂發生被控制在目標線以下