汽車覆蓋件復制模具開發思路探討

楊 律，龐高磊，黃 維

廣汽乘用車有限公司（廣東廣州 511434）

1 引言

在激烈的汽車市場的競爭中，某些車型會脫穎而出，銷量遠遠領先于其他車型。而單一車型產銷量飆升，帶來是汽車覆蓋件模具生命周期內沖次數超出設計壽命的情況，模具可能出現多種失效的形式及生產風險。為了滿足市場的增量需求，分擔產能需求和降低生產風險，需要對現有量產中的模具重新開發復制一套用于替換逐漸老化磨損的量產模具。因此，復制模具開發的經濟性、必要性以及切換的模式是值得思考的課題。

本文以某一車型為例，總結了在模具沖次數超出模具壽命的2倍多的情況下，出現的主要的失效形式和生產風險，并總結了復制模具開發的思路和切換生產的方案。

2 汽車覆蓋件模具失效風險的形式

2.1 型面/壓料面壓凹

隨著生產沖次數增加，模具表面壓凹的次數越來越多，制件品質波動大，修復時間長難度大，給沖壓生產供件帶來極大的斷供風險。以某一車型翼子板拉伸模為例（見表1），壓邊圈壓料面多出壓凹，型面多處壓凹，制件品質惡化嚴重。

表1 翼子板型面/壓料面壓凹分析

2.2 拉伸筋磨損

隨著生產沖次增多，尤其單批次生產量大，模具發熱嚴重，拉伸筋磨損加劇，型面損傷，材料流入量變化較大，造成品質波動。在生產異常對應中，通過調整壓力機參數、材料性能等要素維持制件品質。并且對于模具本身可改善的手段有限，一些臨時生產對應手段對模具本身會造成創傷，如果模具大修必將影響生產供件。模具后續生產會繼續發生變化，容易造成品質異常，產生惡性循環。

對于深拉伸制件，其對流入量波動敏感，生產的風險大。例如側圍、翼子板、門板、行李箱內外板等。以某車型前后門外板為例（見表2），生產將近50萬沖次的狀態與CAE設計分析狀態差異明顯，局部材料邊緣已經流進拉伸筋，起不到控料的作用，材料流入過多，制件面品惡化。

2.3 模具結構裂紋

由于金屬材料性能以及模具結構限制，模具本身具有一定設計壽命，沖壓模具不可能永遠使用下去，當超過壽命臨界點，模具可能損壞至無法正常安全生產的情況或者模具故障率直線飆升，生產效率低，無法正常保障供件需求。

將模具結構劃分為4大塊：上模本體、下模本體、壓料板/壓邊圈、插刀機構/滑車機構。針對模具受力部分、薄弱部分、易損部分進行日常維護保養，并進行探傷檢查，詳細記錄裂紋數據，實施趨勢化管理。在發生微小裂紋的情況下，提前做對策，防止惡化，適當補強加固，延長模具使用壽命，減少量產安全風險。

某一車型累計生產超過130萬輛，遠超出模具設計壽命的2倍多。借此機會，給出近距離直觀觀察到模具可能出現的疲勞斷裂的案例，經過專項的跟蹤，整理出模具出現裂紋重點區域簡介，如表3所示。

2.4 鍍鉻失效風險

在高速沖壓生產過程中，模具和制件會產生巨大的沖擊和摩擦，模具和材料上容易產生拉傷和燒壞等不良現象，增加制件的返修和報廢率。汽車外覆蓋件模具通常選擇表面鍍鉻提升模具的光潔度、硬度、耐磨和耐腐蝕性能，保證模具穩定生產，提升制件品質和生產效率。

鍍鉻的原理是通過電化學方法在固定表面沉積一層鉻合金的過程。在高速生產的過程鉻層也會磨損脫落，通常壽命在10萬沖次。鉻層脫落后需要重新鍍鉻，鍍鉻的次數越多鉻層的附著力變差（見表4），按照經驗值鍍鉻次數通常在7以內，效果比較理想，超過7次后，鉻層很容易脫落或者鍍鉻失效，達不到保護型面的作用，生產效率大大降低保證不良大批量的生產。因此，對應受力大的部位來說，在模具生產了約70萬沖次后，鍍鉻可能會失效，維持不了大批量生產的需求，生產供件的風險變大。在某一車型上，對模具鍍鉻進行了持續跟進，結果驗證表明：脫鉻破壞基體原子組織序列，鍍鉻次數增多破壞模具型面，鍍鉻次數受限，鍍鉻次數超過7次，鍍鉻失效的風險較大，影響模具大批量生產。

表2 前后門外板流入量對比

表3 模具裂紋損壞統計

表4 鍍鉻次數對基體的影響

2.5 模具老化，維保工時長

當模具超過一定的使用壽命周期后，生產數量與維保時間是正相關。模具老化后，模具故障率急劇上升，生產效率下降，很難維持正常的產量。以某一車型量產模具后期為例：

（1）某一車型車型模具點檢周期：OP10工序為每1萬沖次點檢1次；后工序模具為每2萬沖次點檢1次。

（2）OP10能在8h的生產間隔時間內完成點檢。

（3）后工序一般需要分兩次（約16h）才能完成，完成一組制件需要4天時間，完成10組制件需要40天的時間完成一個輪回（此處還不考慮點檢發現異常時的維修時間），因此后工序模具無法實現深度保養檢查，出現突發問題維修保養時間不足，給生產供件帶來嚴重風險。

3 模具使用壽命差異和復制模具開發的思路

當單一車型生產數量超出模具使用壽命時，為了維持正常生產，確保量產安全，就必須對老化出現損壞的模具進行復制切換。模具屬于非標工裝，每副模具使用材料、工藝排布和結構設計存在著差異，因此每副模具使用壽命存在一定的差異。但是每副模具設計時都需要保證最低的使用壽命，表5為行業內普遍認可的標準。

由于每副模具使用壽命存在差異，因此每副模具在出現疲勞損害或失效的節點可能不一樣。那么，模具復制的模式也存在多種不同的方案，各種方案都存在各自的優勢和不足。大致分為以下3種可行方案：

（1）方案一：零部件單獨復制開發。每副模具由各種零部件裝配而成，零部件的使用壽命各有差異。因此可以通過復制開發出現損壞或者有風險的零部件進行組裝替換，達到延長模具生產使用壽命的目的。適合產量超出使用壽命1.5倍以內的情況，優勢：對制件精度影響較少，有效縮短調試周期，達到快速切換效果。

（2）方案二：單工序模具整套復制開發。每組制件的模具最多由4個工序組成（拉伸/修邊/沖孔/整形），每工序模具由于工藝排布和結構設計的差異，模具壽命差異較大。本方案只復制出現損害或者風險較大工序的整套模具。適合產量超出使用壽命1.5倍以內并且模具調試時間不足的情況選擇，需要前后工序匹配調試和精度調試。

（3）方案三：全工序同步開發，同一個制件全序模具全部復制，適合產量超出使用壽命2倍以上的情況。優勢：減少品質、精度匹配次數，對量產模具做變化點小，量產風險最小；但是成本最高/周期最長，需更早策劃。

以下為3種復制方案在質量（Q）、成本（C）、周期（D）、調試方式（M）各有優劣（見表6），根據實際情況，選擇最佳的復制方案，方能事半功倍，給企業創造最大價值。

表5 模具設計使用壽命參考

（2）行業內交流：①沖壓模具屬單件生產，不同于標準件依靠設備進行大量重復性疲勞耐久試驗；②模具設計、驗證工作主要參考筋板和材料選用標準。

表6 方案優劣分析對比

通過在累計生產超過130萬沖次的某一車型車型上摸索，大致總結出模具損壞失效的形式和實際使用壽命。將汽車覆蓋件劃分為A、B、C、D 4大類，可達到使用壽命對應為50萬/80萬/100萬/150萬沖次4檔（見表7），根據經驗總結如下：

表7 汽車覆蓋件模具壽命參考

因此，可以根據車型壽命周期內預估產量，針對各制件選用最合適的復制方案。根據各制件的使用壽命情況制定復制模具切換的節點，再根據復制制造周期反推出來啟動復制的節點。在做決策時，這兩個節點非常重要，守住這兩個節點可以確保復制模具發揮最大的價值，同時確保量產風險可以將降到最低。

以A類制件側圍外板為例（根據經驗總結實際使用壽命約50萬沖次），結合生產模式和單一車型預計產量，復制模具的開發方式（見表8）和重要節點可以參考以下方式：①生命周期內產量≤50萬，模具不用復制；②生命周期內產量50～80萬，建議損壞或者風險較大的部件復制或者單工序復制，在50萬沖次前后進行切換，大約在生產了25萬沖次時就需要啟動模具復制了；③生命周期內產量＞80萬，建議全序同步復制。在50萬沖次前后進行切換，大約在生產了20萬沖次時就需要啟動模具復制了。

4 復制模具制造策略

量產模具經過充分、深度、大批量的生產驗證，可以暴露出來量產模具固有的設計缺陷。復制模具進入制造環節后，應該吸收量產模具的經驗教訓，在工藝或結構上進行源頭上進行針對性改善，提高模具生產穩定性和提升制件品質狀態。

4.1 量產模具型面掃描

量產模具經過調試和生產驗證，制件面品達到較優的狀態，制件精度對裝車無不良影響。通過掃描量產模具把握真實狀態（見圖1），通過數據分析，直接體現在復制模具加工數據上，可以快速恢復至量產模具的狀態，縮短調試周期。這樣復制模具的精度狀態更接近量產模具，制件互換性更好。

圖1 模面掃描分析數據

表8 復制模具開發思路說明

4.2 充分利用SA問題改善

通過總結量產模出現的SA問題點，在復制模具開發中體現改善對策，將調試過程中可能出現的問題點在源頭解決掉，減少問題點數量，達到快速切換的目標，如表9所示。

5 復制模具調試切換策略

復制模具的首要使命是快速達到切換條件，分擔量產模具的產量，解決量產模具老化帶來生產效率低下的問題，減低供件潛在風險。因此，復制模具面臨如何快速達到量產狀態的調試難題，下面主要總結了以下幾方面：

（1）精度數據與量產件基本保持一致，以裝車結果為導向。復制模具精度單品制件精度調試過程中不要盲目追求更高的制件精度合格率，保持與量產狀態一致對整車的不良影響最小。因為在整車生產制造環節復制模具屬于唯一的變量，為了減少其他制件的變更帶來的不確定因素。第一原則需要將復制模具的制件精度無限向量產制件靠攏。第二原則需要堅持以裝車結果為導向進行整改，復制模具生產出來的制件必須保證整車合格的前提。

表9 SA問題點對策落實

（2）模具良品條件做到位，快速削減生產模具故障率。復制模具的導入沒有新車型開發階段的產能爬坡階段，為了保證生產線每天的產量目標要求和足夠的調試機時，復制模具本身的基礎工作要求更嚴苛，因此需要對模具各項良品條件確認到位，確保上線生產故障率在容許的范圍內。

（3）盡快達成鍍鉻條件并開展鍍鉻，面對產量快速爬坡。復制模具沒有特定的產能爬坡階段，為了滿足供件需求，每批次生產量非常大，為了更好的保護模具和確保生產穩定性，需要在批量生產前達成鍍鉻條件并開展鍍鉻工作。

6 結束語

汽車沖壓復制模具是特定條件下的產物，為解決模具老化帶來的一系列生產性問題；為了正常保障生產供件，持續為企業創造價值，它具有一定的迫切需求。因此，復制模具開發的思路和調試切換的策略顯得尤為重要，需要綜合考慮利益最大化和周期、風險等各方面的平衡。本文為需要開發復制模具的車型提供一些經驗數據總結和開發思路參考。