相似制造技術在模具設計制造中的應用＊

譚永明，周敬勇

1.青島和碩環保科技有限公司（山東青島 266101）2.合肥職業技術學院（安徽合肥 241000）

1 引言

非標機械產品一直以來都是機械產品中的“貴族”，主要是因為非標機械產品很多特征不遵循通用標準，需要單獨設計，小批量甚至單件加工生產，導致效率低，成本高，維修維護代價高。隨著人們生活水平以及使用要求的日益提高，個性化產品成為產品的發展趨勢[1～4]。很多商家也改變了原有產品的研發生產模式，這其中比較典型的商家有家電巨頭企業海爾。作為批量化、標準化家電產品起家的大型國有企業，海爾多年來一直走在標準制定和執行的前沿，隨著市場的變化，消費者對家電的追求不再只是能用和好用，而提出了更高的要求，后來的“洗地瓜”的洗衣機，智能家電訂制服務以及海爾為個性定制的“小微”布局也相應出現，家電產品也由最初的小批量手工制造方式，發展為大批量標準化流水線生產方式，再到現在的小批次需求定制方式，人們生活質量在提高，對產品的成本和加工周期的要求也越來越高，新產品開發絕對數量的增加和開發周期的縮短，也給制造產品必要工具的模具行業帶來了新的契機和挑戰[5]。

近年來，快速加工技術得到飛速發展，如快速成形制造和3D打印技術的出現，使得以前只能用模具制造的產品，可以通過加工設備直接完成，極大縮短了產品的研發周期，也給模具產業造成了一定沖擊，降低成本、提高使用壽命、縮短設計制造周期成為模具產業提高競爭力的必要手段，通過相似制造技術讓非標件“標準化”，可以完善零件加工工藝，縮短零件生產流程，降低零件加工成本。

2 我國模具的設計制造技術的發展歷程

作為典型非標機械的模具行業，產品部件除了螺釘、銷釘和彈簧等標準件外，絕大多數部件為非標件，設計、工藝制造及加工重復性工作較多，效率低[6]。20世紀80、90年代，模具都是通過藍圖繪制，加工工藝流程卡的制造來控制模具的加工及檢驗，都是通過手工來完成，缺少對加工設備使用的匯總和統計，基本上都是單個零件按照流程卡單獨加工，設備在使用中經常往復換刀及零件裝卸，增加了加工周期的同時，也降低了部件的加工精度。在模具生產廠家經常會出現部分工位及設備在一段時間加班加點，而另一些工位卻長期閑置，導致生產效率低下，如圖1和表1所示。

圖1 早期汽車覆蓋件模具裝配圖

進入21世紀，隨著CAD/CAE/CAM/CAPP技術的發展，產品的設計協同化取得了很大的進步，使的產品開發進入了快車道，數據共享、資源充分利用和大數據規劃設計相結合，改變了模具的以往生產制造模式[7～10]。尤其是PLM等管理軟件的發展，讓設計加工合為一體，大大縮短了產品的開發周期，手工繪制時期一套門外板覆蓋件成形模具的設計制造周期一般需要3個月以上，表2為日本豐田模具在2,000年時車門外板拉伸模具制造周期，而通過信息互通、協同設計、相似工藝制造技術應用后，其周期縮短為現在的35天。企業對產品設計中的數據采集和分類處理也越來越重視，設計、工藝、加工和檢測不再是獨立的模塊，而是通過信息整體規劃后的具有規律特征的共享模塊。

表1 上模座加工過程卡

表2 車門外板成形模具制造周期表

3 相似制造技術的應用

相似制造技術在模具設計、工藝制造、機械加工及維護、裝配調試和檢測方面都得到了廣泛應用，并取得了很好的效果。

隨著新技術的發展和應用，模具設計和制造的智能化程度也越來越高。而智能化知識含量高，除了技術的發明和創新外，更重要的是將技術應用于生產，轉化為生產力。數據的收集、智能處理和網絡傳輸是實現智能處理及控制的基礎條件，PLM（產品生命周期管理）可以將產品的設計、制造、存儲、銷售和售后服務聯系在一起，實現數據共享、同步處理以及數據更新歷史記載等功能。在設計模塊可以實現信息儲存和同步更新如圖2所示。

圖2 三維汽車覆蓋件模具設計特征同步信息

設計中一般通過對零件的命名來區分特征，將零部件進行初步歸類[11]。國內一著名汽車模具廠對模具及零件的命名規則為：“零件（item）的編號應為FT-產品號－M-工序號－拼音簡稱，應注意拼音簡稱中不得含有GB、QM、QB等字符，零件（item）的編號的字節總數不得超過30位。零件序號按下面的規定排序：1號為下模組件，2號為上模組件、3號為頂出器（壓邊圈）組件、4號為壓件器組件、5號為沖孔組件、6、7…號為斜楔組件等，允許將頂出器（壓邊圈）組件、壓件器組件、沖孔組件、斜楔組件等組件添加在上模組件和下模組件中，組件中的零件序號按1-1、1-2、1-3的順序排列。”通過編制零件號將相似特征和近似工藝的零件歸類。如海爾等一些大公司每年申請的零件新品多達上百萬，重復申請的部件在10%以上，這部分零件占用大量資源，空置而不利用，造成了不必要的浪費。在新產品的申請中對于相同的和相近產品，PLM會給予提示此產品已申請信息，相近產品只能通過相同零件號+延伸擴展號申請，例如4822…35-A為A產品，4822…35-B為其擴展產品，兩個產品在加工工藝及特征上近乎相同，只是形狀略微有點差別。這樣不占用新品維護成本，集成方作為同一新品維護，只有分供方根據延伸號做出不同的供貨，這樣簡化了新品流程，大大提高了研發效率。

存儲特征信息目的是為了將特征信息進行歸類匯總和分類處理，為加工制造提供便利。模具三維設計及圖紙標注和明細表及工藝流程卡關聯生成如圖3所示[12]，通過這些數據可以分析一套模具材料使用情況，車、銑、刨、磨、鉗和熱處理等工藝所占工時，模具的工期和成本可以非常清晰。并且可以通過信息來優化設計，通過相似制造技術來進一步縮短加工周期和更為合理安排生產。通過數據匯總可以反映出生產設備的利用效率和各工位的工作量，從而優化加工設備布局和對人力結構進行調整。

相似制造技術在模具產品的維護中作用也是相當重要，一種產品的生產銷售都需要對消耗品進行備損，零件樣數越多庫存量就會越大，占用資金和存儲成本就會越高，所以企業要求零件盡量標準化和具有相似制造性，這樣可以增加互換性降低庫存量，也可以減少加工周期，及時補充備損，很大程度上減少了PLM導入SAP數據信息量。

相似制造技術在模具產品的檢測方面的應用。產品檢測是產品研發和生產的重要一環，國內最通用的有3C認證及國外的UL認證等，有些企業為了提高產品質量提出了適合本企業產品的更高標準，例如海爾的HR認證。每個新品的開發都需要通過認證后，才能生產銷售，一些改進型產品（相近的模具產品如車門左右內板成形模具）部分特征沒有改動的情況下可以免于檢測，這樣可以減少重復檢測，對于相同特征的檢測可以成功檢測一次，檢測報告對延伸產品一樣適用，保證質量的同時縮短了檢測時間，也促進了研發人員在設計過程中盡量采用成熟的方案，保證產品的可靠性，如圖4所示。

圖3 三維汽車覆蓋件模具設計和工藝流程的同步信息

圖4 延伸產品的檢測

4 實例

相似制造技術在福田風景海獅項目6516車型上的應用。6516車型是福田汽車開發的一款面包車的車型，在設計過程中，首先需要申請整車號，各個非標零件和文檔申請時都需要和它相匹配，如圖5所示。

圖5 6516車型數據庫的建立

零件的申請號為車型號-零件圖層號-名稱，通過數據庫檢索車型號可以直接找到該車型非標件的數量和詳細部件，零件圖層號是通過部件所處位置和使用方式編制，名稱是具體零件名稱，都是通過PLM中設定的規范名稱直接選取，如車型里的“后保險杠”不能填寫為“保險杠”或其他名稱，因為名稱不規范影響歸類，不利于數據庫的儲存和查詢。到模具層，在延續整車零件號的基礎上，加入模具加工信息，BJ6516-54000310-M-1/7-00是后保險杠的加工需要經過7道模具工序，該模具為第一道工序——成形模具，最底層為模具零件層，“A”為修改版本號，通過數據庫軟件可以對不同的儲存信息進行查詢，如圖6所示。

圖6 數據庫的放置

數據庫對產品信息的存儲包括市場調研報告、競爭力分析報告、設計方案及論證、整車數字化模型、具體零件設計數模、對應模具工藝分析報告、模具設計圖紙、物料明細表、模具零件加工工藝單、檢測記錄單以及標準設計庫等等，包含圖紙UG和Auto CAD文件、文檔 OFFICE和PDF、圖片JPEG和BMP以及審批流程設定，如圖7、圖8所示。

圖7 數據庫存儲信息

模具制造周期最長的階段是加工階段，減少加工過程中的制造工序，高水平的工藝制定將最有效的提高加工效率。資源庫管理提供了專用資源的數據信息維護（包括企業的各種工裝備、設備，也包括標準工藝術語等等）,允許用戶根據需要建立新的資源庫結構，提供錄入的界面。這些信息作為工藝設計時的參考和統計匯總時的依據，如圖9、圖10所示后保險杠成形模具加工用到的各設備占用工時，標準工時、專用公式及通用公式也可在此窗口維護。

圖8 零件數模存儲

圖9 機床工時

圖10 模具的加工工序

5 總結

隨著改革開放和中國經濟的快速發展，作為素有“工業之母”稱號的模具行業迎來了跨越式發展，中國的模具行業在2000年左右進入模具的鼎盛時期。模具是精密工具，形狀復雜，承受坯料的脹力，對結構強度、剛度、表面硬度、表面粗糙度和加工精度都有較高要求，模具生產的發展水平是機械制造水平的重要標志之一。隨著市場競爭加劇，越來越多的大型模具企業將重點放在提高自身標準，降低開發周期和最大限度的降低產品成本方面，其中對相似制造和協同設計技術的應用效果最為顯著，實現產品數據參數化、標準化、模塊化及同步性相結合，解決了模具作為非標機械品種多、批量少帶來的成本問題，提升了企業在市場中的競爭力。