實現沖壓自動線模具廢料零堵塞的精益設計研究(上)

文／田卓華，李景德，廖昌林·金琥新能源汽車(成都)有限公司

張瑞宏·山東舜晟沖壓科技股份有限公司

楊彪，杜金·河北興林車身制造集團有限公司

想要降低沖壓自動線停線損失，提高生產效率，需要將改進改善工作前移到覆蓋件沖壓工藝設計和模具結構設計階段。廢料堵塞是造成停線的重要場景之一，預防堵塞較難，尤其需要深厚的技術底蘊。切邊過程是廢料切斷瞬間，卡滯在上、下刃帶或下刃帶之間，通過精準設計刃帶空刀，或采取措施遏制廢料上帶，使廢料快速脫離卡滯，然后設計廢料落口開度、滑道開口、坡度等結構元素。只要偵測、識別到堵廢風險，沖壓工藝和結構設計聯合發力與化解就是很輕松的事情了；只要管理到位、勇于擔當、精準識別、精益設計、持之以恒和不言放棄，實現修沖模廢料零堵塞的所有不可能一定能變為可能、進而變成現實。

沖壓自動線早已在車身沖壓廠得到廣泛使用，且隨著人工成本不斷地攀升，自動化、智能化、無人或少人化的生產模式將更為普遍。沖壓自動線模式的生產效率高、產品表面質量較穩定，深受汽車廠家青睞。在自動沖壓系統中，壓力機和模具是制約生產效率高低的兩大決定性因素。無論壓力機性能如何，車身覆蓋件尺寸精度及型面質量取決于模具質量，即取決于沖壓工藝設計和模具結構設計質量。沖壓過程中工件破裂、廢料堵塞、鐵屑等缺陷是造成沖壓自動線效率與產品質量下降的主要因素。據悉，國內某合資品牌沖壓自動線設備利用率已達到驚人的95%，除了強化模具維護保養和科學分解維護責任之外，其核心思想是把量產后的產品及模具所表現出的嚴重質量問題前移到設計開發階段去規避，當然品保也只是做他們力所能及的事，絕不可能大包大攬。

造成停線的四大主要原因：工件破裂或縮頸、鐵屑、毛刺、廢料堵塞。前三項雖然能造成質量下降、成本增加，但是在不停線的情況下不至于造成模具損壞。廢料堵塞如果得不到及時清理，必定造成模具損壞，或者更大的間接損失。本文限于篇幅問題，重點分析廢料堵塞場景，以及分析研究在設計階段解決堵塞的措施，以期對沖壓工藝設計、模具結構設計能有所啟迪和幫助，并最終實現沖壓自動線零堵塞的目標。

模具開發設計質量均質化現象

2010 年以后，國產覆蓋件模具水平提升飛快，成功實現側圍及翼子板的國產替代，但當主流模具廠基本處在同一個水平高度以后，質量檔次就拉不開，一些缺陷仍然普遍存在。此后便進入一個設計質量瓶頸期，由于不是個別現象，自然缺乏攻堅克難的信心和力度。

深入分析過后發現，一些長期困擾模具交付周期的問題無非包括制造和設計兩大類。其實制造問題較容易解決，只是一些模具廠由于諸多原因，樂于將制造過程中的最后一公里轉移到沖壓廠。由于沖壓生產線主要用于供件，非生產時間只有較短的間歇用于模具的精細研調，再加上場地受限、輔助設備欠缺等條件制約，導致整改周期變得很長。即使這樣模具廠顧不上那么多，反正模具已經出廠，犧牲時間、成本似乎也值得。還有一些個別問題，處理起來比較棘手，這些問題錯綜復雜，交織在產品、設計、制造、板材之中，反正誰都有責、又似乎誰也無責。

模具交付階段的“堵廢料”就是其中之一，徹底消除的難度很高。有的修沖模偶然堵，整改過后就件件堵；有時同一模具會一批堵數件，有時一個批次幾乎不堵，看上去十分隨機與毫無規律，如不及時清理堵點，將釀成更大的損失。大量事實證明，模具驗證階段堵廢的改善困難是因工藝定型、結構等所鑄就，受到限制太多，鉗工無法徹底解決，從而迫切需要前移到設計開發階段來解決。

沖壓作業方式決定設計思維定勢

20 世紀九十年代中后期，汽車制造技術突飛猛進，主機廠和模具廠一直專注的是沖壓產品質量，對廢料堵塞問題不很重視。2010 年以前，大多數沖壓作業是手動線模式，對于滑廢的要求不高，開發者自然缺乏深入研究零堵塞的動力。手動沖壓線要求廢料滑出模體后不落到工作臺面，如果每沖數達到十件及以上需要停線撿取并收集廢料。如遇到廢料卡滯，借揀拾廢料之機可以順便人工掏取。有人工監護，不至于每次廢料堵塞就一定損壞模具，盡管偶然有因廢料堵塞而造成模具損壞的情況發生。在一套模具中，廢料卡滯而不下滑只屬于個別現象，堵點基本固定，操作工比較容易識別。手動沖壓線的作業要求不高，由于人工揀取廢料而導致停線，從而間歇式沖壓是習以為常的事，為了生產有時也就顧不了那么多了。

2018 ～2019 年，筆者曾調研某大型沖壓工廠自動線堵廢停線的原因。一般全車身核心覆蓋件的沖壓模具基本由三、四家模具廠承擔制造，關于廢料堵塞導致發生沖壓停線事件，幾乎每個模具廠的模具都或多或少存在。2010 ～2021 年，從覆蓋件模具開發設計評審過程中所表露出的無論是沖壓工藝設計，還是模具結構設計理念及心理定位，都同樣佐證了對于滑廢的風險研判缺乏深度思考。近年來隨著自動沖壓線的普及，修沖模具滑廢料受阻現象已經有所減少，但并沒有徹底消除。

透析修沖模具廢料堵塞原因

沖壓自動線的生產效率主要取決于壓力機系統和模具，每當沖壓自動線調試穩定后，沖壓生產效率主要由模具來決定。廢料堵塞是造成沖壓作業停線的主要原因之一，而廢料堵塞主要是由以下三種原因導致的。

模具設計分階段評審，錯過了系統改善的最后一個窗口期

沖壓工藝設計主要有規劃工藝路線、確定沖壓方向、送料方向、定義工序內容、布置廢料刀、標注排廢方向等內容。工藝設計只是原則性定義廢料規格、大體形式、排出方向，唯有模具結構設計完成后，方可直觀表達廢料形式和尺寸、滑道結構、跌落姿態等情況，才容易識別廢料下滑是否暢通無阻。

隨著汽車市場的競爭愈加激烈，模具開發周期逐步縮短。一些主機廠在數模下發后，首輪提樣時間為4 ～5 個月。由于首輪提樣允許不是全序模具件，自然給了一些模具設計分階段完成的機會，但并不是說明主機廠快速提樣、縮短周期就一定是分階段完成設計和評審的絕佳理由。如果能充分認識到廢料堵塞的復雜性和高風險性，誰都愿意在設計階段解決問題和徹底杜絕堵塞。

如果沖壓件全序模不能在同一時間段一氣呵成地完成設計，而是分階段供主機廠評審，并且評審修沖模之前成形類模具就已經投鑄，這是錯過在圖紙階段改進改善的主要原因。修邊沖孔模可以分階段或滯后投鑄，但一定不要滯后于設計評審。

滑廢料缺乏設計標準

符合標準且廢料不下滑，其本質是標準需要與時俱進。雖然沒有標準，設計師的思路可盡情發揮或參照舊的結構，豈不知標桿設計中可能就存在廢料堵塞的問題，導致借鑒時將成就和遺憾一并吸收。如果現在還沒有標準，可以先建立一兩個典型案例，圖文并茂地把案例講清楚、改明白，自然就形成自主標準的雛形。

標準不但需要把滑道系統的主要元素描述清楚，而且要有底線和天花板。如果按照標準設計后出現偶然堵、或堵的頻次較高，這個時候需要證明為什么標準設計了，可還是“不標準”。只要繼續探索、追蹤，一定能發現些許可供改進改善的元素，以資補充、完善標準條款。標準是一個與時俱進的，不斷完善修訂的過程，通過一兩次類似開發，就會搞明白一切的。

滑道是一個動、靜態系統，靜態結構由廢料形狀、尺寸、滑道豎井深度（廣義指沖壓方向廢料跌落深度）、落入開口、滑板角度等構成；動態結構由剪切速度、廢料動能大小、廢料應力釋放、脫離模體瞬間姿態、觸滑板姿態等構成。

修沖廢料的形狀、大小、重量、邊線等千變萬化，跌落至滑板的高度有深有淺，滑板坡度有大有小，要在較短的時間建立起所有廢料滑道標準相當困難，可以重點鎖定個別導致停線的復雜廢料，諸如正側交刀＋刃對背，側滑廢料＋廢料端頭為空間曲線等。對于復雜的廢料排放，初學者容易按照常規廢料來處理，模具驗證證明：側滑、側修、刃對背、曲面廢料等4種最難排放，并且一旦模具鑄就后幾乎無法改造。圖1 為某修邊廢料堵塞場景，可以看出改造的約束較多，只可治標不可治本。

圖1 某修邊廢料堵塞場景

還有人士擔心標準約束了設計者的思路，會不利于創新，所以才一直不建立或不完善設計標準。其實這是對標準的誤解，標準從來不曾制約創新，標準可以修訂和不斷地完善，如果有比現有標準中更好的結構，經過驗證確認后可隨時補充或更新進標準里。

廢料下滑虛擬分析軟件亟待提高

在設計評審階段，常見虛擬演示結果中廢料的下滑暢通無阻、干凈利落，即使是高風險廢料，虛擬分析結果也可能顯示廢料下滑十分流暢。事實證明許多只是假象，主要有以下5 個方面原因。

⑴廢料不是剛體，但軟件錯誤地把廢料視為剛體。正常情況下，當廢料被切斷并與母體分離后，由于重力作用自由落體式跌落、下滑，如果滑道開口小于廢料尺寸就會造成受阻。事實上，當廢料被切斷后也可能由于應力釋放而抱緊模體，但這些卻被軟件忽略了。

⑵虛擬與現實有差別，模具實體的廢料道的結構尺寸可能與軟件中模擬出的理想結構差別較大。

⑶修切邊與模體之間存在粘連，軟件分析時忽視了廢料毛刺與模具的粘連作用。

⑷軟件分析忽略了廢料與刃帶的摩擦力，刃對背廢料刀上帶廢料模擬不出來。在此，應該辯證地看待上帶：如果不過橋，上帶有利于下滑；如果過橋，上帶可能被橋體內邊緣絆住。具體解決方法下面會有詳述。

⑸未充分考慮到廢料初速度，修切速度附加廢料的動能及旁逸斜出也被忽視。

實體修切廢料要遠比虛擬模態復雜得多，例如拉延補充邊型面本身有殘余應力、邊線有凸耳、正側交刀有二次變形等情況，這些都會使廢料分離母體后容易抱住下模刃帶，或在上下刃帶間卡滯，從而失去下沖的機會，動能遠不及虛擬世界那么強烈、那么一瀉千里。

軟件系統升級之前，唯有借助實體堵塞場景來研究和找到堵點原因，解決問題才會是非常簡單的事情。

實現沖壓自動線零堵塞

將目標分解、轉化為設計師的語言、模具設計參數和技術要求，充分在設計中踐行才有可能實現零堵塞的目標。

依據相關報道，北京某沖壓工廠的自動線設備利用率已經達到95%，其中自然少不了模具品保在維護保養方面的貢獻，品保一直在努力做他們力所能及的事，然而北京某沖壓工廠是將破裂吸頸、廢料堵塞等缺陷前移到設計階段實現的，這個案例說明“廢料零堵塞”是可以實現的，目前解決廢料堵塞主要有四條途徑。

建立模具品質設計責任制

模具的質量和成本是設計出來的，制造、調試、使用等都是在竭盡全力追求、逼近、轉化、體現設計師的美好意圖。

模具預驗證、交付驗證、量產驗證表現出的主要問題，諸如廢料堵塞、破裂吸頸等均與設計績效掛鉤、與年終獎掛鉤、與勞動模范評選表彰掛鉤。

如果當復雜覆蓋件，例如側圍、翼子板量產驗證三個批次不堵塞，預驗證、交付驗證幾乎不堵，一定要重獎設計師及小組人員。獎勵基數可以為昔日類似產品模具交付周期內交付鉗工的工資總數，也可按一定比例兌現。

執行此項制度的初衷是壓實設計師的責任擔當與提高設計質量，目標是實現廢料零堵塞，但一定要注意節奏、力度：如果是在復雜覆蓋件首次出現堵塞，不要急著兌現負激勵，可以先分析原因、列入公關項目；如果是在第二次類似產品出現堵塞，可以兌現負激勵；特別對于學徒設計，當前兩次出現堵塞缺陷不要急著兌現負激勵，可先考核指導老師，如校對、審核、批準等。

深入研究廢料堵塞場景

在設計階段能夠識別廢料堵塞風險的基礎是大量研讀廢料堵塞的第一現場，必須親歷親為，不能只是道聽途說。首先，對于同一件事物，由于每個人的成長閱歷、分析問題、解決問題等的能力不同，觀點也往往會不一樣。例如，在量產階段有些廢料不是每件都堵，可能只有百分之一二、或千分之一二，所以要有量的積累，有耐心。其次，每當碰到第一次廢料堵塞，它會告訴你堵塞的可能原因，諸如滑道坡度低、滑道開口小、廢料上帶、廢料傾斜翻轉等，但這些個“可能原因”，單憑肉眼觀察經常看不完整。廢料從被切斷瞬間到被堵的中間過程，一般無法被目視到，只能通過分析廢料形狀、斷口毛刺、廢料變形等以此來作推斷，除非使用高速攝像機拍攝。

總之，改進需要的是多策并舉、系統治理，有時可能改變了滑道開口，但不改變背空、不阻止或減緩上帶，只能降低風險，卻不能杜絕風險。

模具設計和評審全序化推進

提供評審的模具圖必須是全序模，設計和會簽一氣呵成。如果因為設計資源問題不能同時會審，起碼在模具鑄件投鑄前，修沖類模具會簽必須關閉。開發者需要采取措施擴充設計資源，開展全序化設計，不能因此而滯后提樣和開發周期。

補充完善沖壓設計標準

初建標準未必能夠精準、完整、詳細。在設計實踐中遇到問題要不斷補充、日臻完善，直到某一天只有嚴格執行標準廢料才不堵塞，偏離標準就堵塞。

修邊廢料的形態、大小各異，不太可能做到面面俱到，需要梳理分類、建立廢料下滑道結構標準。事實上，每一套或每一批模具中總有個別廢料不下滑，只要將典型事件研究透徹，就能逐步實現、確保零堵塞。

可以劃分典型覆蓋件廢料的形式（概略指出相對滑廢風險的高低）：

⑴按修切廢料位置分為拉延補充邊廢料、封閉邊廢料兩大類，后者堵塞的風險較大。

⑵按照拉延補充特征，補充邊分為基本平板廢料端口、“S”形曲面廢料端口，后者易堵塞。

⑶按照廢料刀布局形式，分刃對背廢料、刃對刃廢料、背對背廢料三類。需要重點考慮刃對背、背對背廢料：背對背極少，僅設計在角部，且廢料重心遠離支點聯線，側修背對背比正修風險大。

⑷按照廢料滑道布局形式，分模具前后側廢料下滑、模具左右側廢料下滑，后者相對前者易堵。

⑸按修切方向，分側修邊廢料和正修邊廢料，側修邊廢料易堵。

當然還有別的形式及以上情況的復合形式，這里不再一一展開。