豐田汽車模具制造技術(shù).doc

豐田汽車模具制造技術(shù)津汽車模具有限公司于98年與日本豐田公司簽定了技術(shù)合作協(xié)議，根據(jù)協(xié)議天津方在98、99年派遣技術(shù)骨干到豐田公司，進行共28 個人月的專業(yè)對口培訓，同時豐田公司也將派遣40個人月的專家到天津公司現(xiàn)場進行技術(shù)指導，并向天津方提供有關(guān)的技術(shù)資料轉(zhuǎn)讓，在此期間雙方還將就合作生產(chǎn)模具等項內(nèi)容做更多的技術(shù)合作。雙方合作的目標是，在兩、三年內(nèi)將天津汽車模具有限公司的汽車模具制造技術(shù)達到，能夠滿足國內(nèi)轎車內(nèi)外覆蓋件模具所需要的水平。豐田汽車公司的模具設計與制造技術(shù)是世界一流水平，它的管理和技術(shù)有許多獨到之處。利用合作的機會，本文作者于98年先后兩次共一個半月的時間，在豐田公司的元町工場現(xiàn)場進行培訓、實際考察和較為深入的學習，掌握了大量第一手材料.在本文中僅就豐田模具生產(chǎn)制造技術(shù)作初步的探討。這些內(nèi)容對急待改進生產(chǎn)方式、推進科學管理和提高制造技術(shù)水平的國內(nèi)汽車模具同行，可能會有一些借鑒和啟發(fā)。一 豐田模具設計與制造部門概況豐田汽車公司中與沖壓模具設計制造有關(guān)的部門主要有兩個，其中負責模具設計的是第八生產(chǎn)技術(shù)部，負責模具制造的是st部（st為沖模的英文縮寫）。它們都直屬于總公司，生產(chǎn)技術(shù)1-8部屬于生產(chǎn)準備部門，沖模部（st部）屬于工機制造部門。1第8生產(chǎn)技術(shù)部其主要職責是模具設計和沖壓設備準備，加上它所屬的計劃、生產(chǎn)準備、部屬等科室共有將近350人。其中與模具設計有關(guān)的技術(shù)室有三個，它們是由從事的產(chǎn)品件類型來劃分的：部門 職責 人員一室車身周邊件模具設計 （ 車門、機蓋、后行李廂蓋）約70人二室 主車身件模具設計（側(cè)圍、翼子板、頂蓋等）約75人三室底板、梁架件模具設計 （地板、發(fā)動機艙等）約30人每個室又分為沖壓工藝與模具結(jié)構(gòu)設計兩個組。專業(yè)化分工是豐田模具設計部門工作的特點：a 模具設計內(nèi)容細分豐田把模具設計分成三個工序：工序設計、模面設計和結(jié)構(gòu)設計，分工明確，分別由專門人員負責。工序設計主要完成工序草圖、dl圖設計、作詳細的模具設計任務書、模面構(gòu)想等，模具設計的主要創(chuàng)造性勞動都在這一步靠人腦完成。模面設計幾乎是單純的曲面造型，結(jié)構(gòu)設計的重點在于模具結(jié)構(gòu)的具體實現(xiàn)。b 人員專業(yè)化分工細微各個室只負責一類產(chǎn)品件，每個人在一定時間內(nèi)負責同一個件，甚至是同一類模具。由于豐田每年開發(fā)的新車可達十種，這就是說，可能有的人在一年內(nèi)畫十套非常相似的前車門外板拉延模，其專業(yè)化程度可想而知。c. 模具的社會大分工日本的模具制造專業(yè)性分工很強，豐田雖然自己的模具制造能力很強，但它并不是什么模都干。比如，整車所有件的沖壓工藝和模具的整車協(xié)調(diào)，他自己都負責，但模具設計和制造他只干車身內(nèi)外覆蓋件，地板和梁架件全部到定點廠家外協(xié)。不但豐田如此，國外的大汽車公司所屬模具廠無不如此，比如日本大發(fā)公司模具廠，甚至只做側(cè)圍、翼子板、頂蓋等有限的幾種外覆蓋件。這可以看作是一種發(fā)展趨勢，在韓國、臺灣甚至是專業(yè)模具廠家也是向只做幾種件的更專業(yè)方向發(fā)展。2模具制造部（st部）豐田st部負責模具制造和新車整車模具的協(xié)調(diào)，并一直到大批量生產(chǎn)之前的沖壓生產(chǎn)準備。st部構(gòu)成：科室 責任 人員技術(shù)室生產(chǎn)技術(shù)開發(fā)、生產(chǎn)計劃、89人生產(chǎn)準備、設備計劃nc課nc編程、檢查175人實型課驗具、實型制造142人機械課機械加工173人鉗工課鉗工、裝配237人調(diào)試課 試模、調(diào)試204人總共1020人主要數(shù)控加工設備：構(gòu)造面加工數(shù)控銑床39 臺型面加工高速、五軸五面銑15 臺新型一體化加工設備6 臺其他小件加工設備31 臺總計92 臺從人員和生產(chǎn)能力上看，st 部都算得上是世界上最大的汽車模具廠之一。3豐田的模具設計和制造能力模具設計與制造能力：每年大約可開發(fā)10個轎車整車模具；模具產(chǎn)量（標準套）約2000套/年，內(nèi)制率60%（外協(xié)40%）。主要產(chǎn)品中： 模具占80%、驗具占7%、其他占13%。全年完成模具制造成本預算近200億日元，人均模具產(chǎn)量2 標準套/人年，模具制造成本（不含設計）約600萬日元/套，工時成本（平均）約1萬日元/小時，整車模具設計制造周期12個月（由車身設計完成至新車批量生產(chǎn)），其中包括整車全部模具設計周期5個月、制造周期5個月、調(diào)試周期6個月。由此可見，豐田一年的轎車生產(chǎn)能力大約500萬輛（日本國內(nèi)部分約占50%），是中國大陸轎車產(chǎn)量的十倍，而模具設計制造能力也超過我們?nèi)珖嚹＞呱a(chǎn)能力的數(shù)倍。豐田的整車模具制造周期，遠遠短于我們的一般單套模具制造周期，它的標準單套模具制造周期為三至四個月，在我們看來還是一個夢想。我們的模具質(zhì)量水平與豐田相比相差更遠。4豐田一般模具制造周期豐田把模具的制造計劃標準化，根據(jù)模具的復雜程度可分為短周期、標準周期和長周期三種?，F(xiàn)以單套模具的設計制造周期（拉延模，標準周期）為例：沖壓工藝模具設計模面設計nc編程實型制作鑄造機加工鉗工裝配20天 -20天 -8天 -15天-7天-12天-9天 -7天-單套拉延?？傊芷?2天，其中制造周期52天，以上周期包括模具的設計、制造直至模具初次試模完成為止。如果再考慮產(chǎn)品件各序模具的總周期，單個制件各序模具的總周期，要在拉延模的基礎上再加22天（包括模具調(diào)試，但不包括整車調(diào)試），總共84天。以上天數(shù)均為工作日（節(jié)假日除外），換算為日歷日大約為20天等于一個月，也就是單套模具制造周期三至四個月。豐田的模具制造也是按照準時化生產(chǎn)方式進行的，全部倒排計劃，計劃到每一個工作日，不提前投產(chǎn)，避免增加在產(chǎn)模具。我們的倒排計劃往往是為趕工期，人為的壓縮工期。而豐田的倒排計劃，是為了在必要的時候生產(chǎn)出必要的產(chǎn)品，避免提前投產(chǎn)造成生產(chǎn)過剩的浪費。二 豐田模具制造技術(shù)近十年來本人曾在日本多家模具制造廠進行過較為深入的學習和考察，先后累計時間達6個多月。對比以后發(fā)現(xiàn)，豐田的模具技術(shù)在日本的模具廠家中也是十分突出的，無論是能力、效率及技術(shù)都不愧為世界一流水平。通過對豐田的了解我們可以看到，世界汽車模具制造技術(shù)正在向這些方向發(fā)展：計算機前的操作逐步代替現(xiàn)場操作，以高精度加工代替人的手工勞動，模具的設計、制造高度標準化，單件生產(chǎn)方式向流水線式生產(chǎn)方式發(fā)展等等。結(jié)合我們國內(nèi)的模具制造情況，豐田在以下一些地方與我們有很大的不同，值得我們很好的借鑒。1沖壓工藝設計a精細模面設計我們常說的模具設計實際上分為三個部分：沖壓工藝設計、模面設計和結(jié)構(gòu)設計。這三種設計的內(nèi)容和側(cè)重點是完全不同的，豐田的工作流程為先有沖壓工藝設計然后指導模面設計和模具結(jié)構(gòu)設計，分別由不同的人來做，專業(yè)分工很明確。傳統(tǒng)的沖壓工藝設計采用工序圖或是dl圖，它的模面設計是非常粗略的，以這樣的圖紙指導下的工藝造型，必須在后序靠人工修整、制造工藝禰補，造成模具制造的人工鉗修量很大、周期延長。豐田在設計階段通過計算機的曲面造型，完成模面的精細設計。比如：針對進料量不同設計各種拉延筋，同一套模不同部位的拉延筋截面不同，防回彈、過拉延處理，最小壓料面設計，凸凹模不等間隙設計等等。精細模面設計的結(jié)果，可以極大的減少型面加工，減少鉗修，減少試模工時，它的作用非同小可。對比之下，國內(nèi)的模具設計還停留在結(jié)構(gòu)設計階段，模面設計沒有受到很好的重視，模面實際上是靠后天完成，模具設計的落后造成了制造的落后，也就毫不奇怪了。b板料成型分析技術(shù)應用情況豐田公司從5-6年前，開始應用有限元法做計算機模擬板料成型分析，主要應用的解算軟件為美國的dyna3d，他們經(jīng)過了近三年的努力才達到實用水平。目前，豐田建立了一個整車身各種典型件的分析結(jié)果庫。對一個新車型的件，如果成型性沒有太大的變化，只是參考原工藝不做分析，只有特殊的新造型才做板料成型分析。豐田的新車要做樣車，對造型特殊的件除了做板料成型分析外一般還要做簡易模進行驗證。因此，豐田人認為目前板料成型分析還不是一件必需的、簡單的事，無論是周期還是成本都有很大代價。本人認為，豐田的車型開發(fā)量很大，車型之間變化不大、類似件很多，又積累了豐富的人的經(jīng)驗，板料成型分析確實用武之地不多，建立一個分析結(jié)果庫是一個好方法（日本富士模具公司也是這么做的）。反觀國內(nèi)現(xiàn)狀，一方面模具廠專業(yè)分工很低，各種件都會遇到，難有現(xiàn)成經(jīng)驗，似乎更需要板料成型技術(shù)。另一方面，技術(shù)水平低支持環(huán)境差（如：板料參數(shù)、摩擦系數(shù)等難掌握），模具廠應用起來，要達到實用（不講效果、不計代價的研究不算）也是非常困難的。即使是成立專業(yè)分析公司，考慮用戶數(shù)量、周期、價格等因素，恐怕也曲高和寡。目前，這項技術(shù)在國內(nèi)的實際應用效果還難有定論。c模面設計經(jīng)驗積累機制豐田的設計部門除手工勾畫草圖以外，設計已全部計算機化，一般設計人員除一臺工作站外還有一臺筆記本電腦。但，真正創(chuàng)造性的設計還是靠人腦，特別是靠人的經(jīng)驗積累。豐田特別強調(diào)經(jīng)驗積累機制：只有集體的經(jīng)驗不能有只屬于個人的經(jīng)驗，比如：資料的統(tǒng)一管理，草圖設計的小組討論，圖紙的多部門集體審核，設計標準、規(guī)范的經(jīng)常性增改等等。經(jīng)驗積累機制是豐田能夠不斷提高模面精細設計的主要手段。比如：模具加工完成之后，一般模具型面不用研合，刃口不必對間隙，鉗工只負責安裝，在初次試模時也不能隨便修調(diào)模具，調(diào)試模具有模面設計人員在場，初次試模缺陷需要記錄下來。最后的休整結(jié)果，象拉延筋、拉延圓角變動、對稱件的不對稱現(xiàn)象等，還要進行現(xiàn)場測量。這些資料的積累、整理、分析、存檔，都是模面設計的經(jīng)驗積累，并隨時加入到下一次的設計中去。豐田的模具設計和調(diào)試過程，真正做到了是一個閉環(huán)制造系統(tǒng)，借助于這種自我完善的經(jīng)驗積累機制，模具的設計越來越精細，越來越準確。d間隙圖設計在豐田，模面設計實際上是由曲面造型和nc編程兩部分共同完成的，為了傳達和描述模面設計思想，就產(chǎn)生了除dl圖、模具圖之外的第三種圖-間隙圖也叫質(zhì)量保證圖。間隙圖本人在以前還沒有見識過，這可能是豐田的一種創(chuàng)造。模具的設計不是單純?yōu)榱嗽O計出一種機器，能夠完成它一定的動作就完了（這只能叫作結(jié)構(gòu)設計），模具設計的最終目的是為了保證它所壓出的產(chǎn)品件是合格的高質(zhì)量的，間隙圖就是這樣一種專為保證產(chǎn)品件質(zhì)量的圖。質(zhì)量保證圖中，主要包括這樣幾項內(nèi)容：模具實際符型面區(qū)域、各個符型區(qū)域的間隙值、工藝要求的模面變化情況、拉延圓角的變化、各種模面的挖空等等。凡是無法通過曲面造型實現(xiàn)的模面設計，都通過間隙圖的傳達，依靠nc編程的設計來實現(xiàn)，在這里nc編程也不再是單純的實現(xiàn)模具結(jié)構(gòu)的加工，它實際上也參與到模面設計中來了。因此，間隙圖的應用也是精細模面設計的一種必然。e大規(guī)模生產(chǎn)對模具的影響豐田的生產(chǎn)規(guī)模是世界一流的，它在模具設計如何適應大規(guī)模生產(chǎn)的要求方面具有豐富的經(jīng)驗。提高材料利用率：對于大批量汽車生產(chǎn)來說，提高板料的利用率是模具設計的第一大事。只要把材料利用率提高幾個百分點，模具的成本就可乎略不計了。如果一套模具40萬人民幣，只相當于100噸鋼板的價格，以壽命50萬件計算，平均每件節(jié)約0。2kg鋼板，就足可節(jié)約出這套模具費用了。減少沖壓工序：模具設計的趨勢是，零件的合并，左右對稱件合模，前后順序件合模等等，原來幾個件合成一個件，不同的件合在一套模，模具越來越大，單件工序大大減少，整車模具數(shù)量越來越少，這對降低沖壓的成本起關(guān)鍵作用。例如：豐田把整車制件的模具系數(shù)，由過去的3點幾降到2左右。沖壓自動化：為適應沖壓線完全自動化，模具必須考慮機械手上下料，廢料的自動排出，氣動、自動和傳感裝置普遍采用等等。模具的快速裝換：沖壓線的換模時間，也成為一個模具設計必須考慮的問題。如：拉延模完全以單動代替雙動，模具自動卡緊，換模不換氣頂桿等等。2模具結(jié)構(gòu)的設計和加工設計有兩種目的：一個是面向設計本身，一個是面向制造。設計者在畫圖過程中逐步完善自己的設計思路，圖畫完了，自己也清楚了，因此圖紙首先要設計者自己看得方便，并使設計的工作效率高。另一方面，設計要面向制造，以提高生產(chǎn)效率為最終目的。我們應當認識到不同的生產(chǎn)工藝流程決定了圖紙的表達形式。傳統(tǒng)的模具總裝圖加零件圖的形式，適應的是非框架結(jié)構(gòu)的模具生產(chǎn)。采用大型數(shù)控銑加工以后，模具總成圖成為更好的形式。在全面應用cad設計之后，如果生產(chǎn)方式?jīng)]變，那么二維設計和總圖設計也不會變，只是把圖板換成了屏幕和鍵盤。我公司在97年曾一度改二維設計為三維實體設計，然而效果并不好，設計效率降低、生產(chǎn)上也沒有得多少實惠。豐田在cad三維實體設計與制造緊密相配合方面為我們提供了比較成功的經(jīng)驗。a實體設計豐田的模具設計已全部采用三維實體設計，應用的軟件為enginner。模面設計與結(jié)構(gòu)設計的分開：豐田把模具結(jié)構(gòu)設計與模面設計完全分開的，前者是實體設計，后者仍然是曲面設計。在結(jié)構(gòu)設計中模面部分只是示意性的，可用于實型加工，不能用于模具加工。這種分工大大簡化了模具實體設計，這種簡化對三維實體設計的成敗很重要。取消二維圖紙：尺寸標注大約占繪圖工作量的40%，豐田不繪制傳統(tǒng)意義上的二維圖紙，也就完全省去了這一部分的工作量。取而代之的是根據(jù)各工序需要，給出必須的三維立體簡圖，和標注必要尺寸的平面簡圖。如果從三維設計出發(fā)，最終得二維圖的結(jié)果，那把一個三維實體轉(zhuǎn)變成符合人看圖習慣的二維圖，將是非常費時、費事的，設計出的實體變得毫無價值，這顯然違背了實體設計的初衷，豐田的成功之處就是沒有這么做。搭積木和編輯式設計：三維實體設計采用搭積木式設計，依靠三維標準件和典型結(jié)構(gòu)庫，使模具結(jié)構(gòu)極大的標準化，變二維繪圖構(gòu)思為三維立體布置。同時大量借用已有的相似模具結(jié)構(gòu)，經(jīng)過簡單編輯、修改，完成新模設計。這對設計者來說，是觀念上的一場革命，如果還墨守成規(guī)，先畫平面圖再生成立體型，那三維設計的優(yōu)勢就成了負擔，效率太低了。干涉檢查：在二維設計中，往往設計者并沒有真正的建立起三維的模具形象，對復雜的空間問題只能靠斷面圖，一旦經(jīng)驗不足，考慮不周，空間干涉就再所難免。三維實體設計最直接的好處，就是非常直觀方便的干涉檢查，甚至可以作運動干涉分析。以往二維圖設計時的一個老大難問題，在實體設計面前迎刃而解。實體設計中的刪繁就簡：實體設計直接面向制造，它所設計的繁簡因加工需要而定，完全不必考慮人的看圖習慣。比如：鑄件的倒角，在加工中凹角靠刀具完成，凸角靠人工修整，所以，設計中就不必做了；又如：標準件，完全是采購件，在設計中也可以變成示意性的簡單幾何體等等。還有許多設計工作，實際上是靠后序的工藝規(guī)范完成的，如螺釘孔位置，鑲塊形狀等。因加工需要而設計是最經(jīng)濟的設計。半自動設計：豐