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(jìn)行共28 個人月的專業(yè)對口培訓(xùn)，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(jìn)行技術(shù)指導(dǎo)，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(biāo)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(dá)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(shè)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(jìn)行培訓(xùn)、實際考察和較為深入的學(xué)習(xí)，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(jìn)生產(chǎn)方式、推進(jìn)科學(xué)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(shè)計與制造部門概況豐田汽車公司中與沖壓模具設(shè)計制造有關(guān)的部門主要有兩個，其中負(fù)責(zé)模具設(shè)計的是第八生產(chǎn)技術(shù)部，負(fù)責(zé)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(zhǔn)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(zé)是模具設(shè)計和沖壓設(shè)備準(zhǔn)備，加上它所屬的計劃、生產(chǎn)準(zhǔn)備、部屬等科室共有將近350人。其中與模具設(shè)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(zé) 人員一室車身周邊件模具設(shè)計 （ 車門、機蓋、后行李廂蓋）約70人二室 主車身件模具設(shè)計（側(cè)圍、翼子板、頂蓋等）約75人三室底板、梁架件模具設(shè)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(shè)計兩個組。專業(yè)化分工是豐田模具設(shè)計部門工作的特點：a 模具設(shè)計內(nèi)容細(xì)分豐田把模具設(shè)計分成三個工序：工序設(shè)計、模面設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計，分工明確，分別由專門人員負(fù)責(zé)。工序設(shè)計主要完成工序草圖、dl圖設(shè)計、作詳細(xì)的模具設(shè)計任務(wù)書、模面構(gòu)想等，模具設(shè)計的主要創(chuàng)造性勞動都在這一步靠人腦完成。模面設(shè)計幾乎是單純的曲面造型，結(jié)構(gòu)設(shè)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(xì)微各個室只負(fù)責(zé)一類產(chǎn)品件，每個人在一定時間內(nèi)負(fù)責(zé)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(dá)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(fù)責(zé)，但模具設(shè)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(fù)責(zé)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(zhǔn)備。st部構(gòu)成：科室 責(zé)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(zhǔn)備、設(shè)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(shè)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(shè)備6 臺其他小件加工設(shè)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(shè)計和制造能力模具設(shè)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(biāo)準(zhǔn)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(yù)算近200億日元，人均模具產(chǎn)量2 標(biāo)準(zhǔn)套/人年，模具制造成本（不含設(shè)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(shè)計制造周期12個月（由車身設(shè)計完成至新車批量生產(chǎn)），其中包括整車全部模具設(shè)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(shè)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(yuǎn)遠(yuǎn)短于我們的一般單套模具制造周期，它的標(biāo)準(zhǔn)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(yuǎn)。4豐田一般模具制造周期豐田把模具的制造計劃標(biāo)準(zhǔn)化，根據(jù)模具的復(fù)雜程度可分為短周期、標(biāo)準(zhǔn)周期和長周期三種?，F(xiàn)以單套模具的設(shè)計制造周期（拉延模，標(biāo)準(zhǔn)周期）為例：沖壓工藝模具設(shè)計模面設(shè)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(shè)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(chǔ)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(zhǔn)時化生產(chǎn)方式進(jìn)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(jìn)行過較為深入的學(xué)習(xí)和考察，先后累計時間達(dá)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(shè)計、制造高度標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計a精細(xì)模面設(shè)計我們常說的模具設(shè)計實際上分為三個部分：沖壓工藝設(shè)計、模面設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計。這三種設(shè)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(shè)計然后指導(dǎo)模面設(shè)計和模具結(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)計采用工序圖或是dl圖，它的模面設(shè)計是非常粗略的，以這樣的圖紙指導(dǎo)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(shè)計階段通過計算機的曲面造型，完成模面的精細(xì)設(shè)計。比如：針對進(jìn)料量不同設(shè)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(shè)計，凸凹模不等間隙設(shè)計等等。精細(xì)模面設(shè)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(shè)計還停留在結(jié)構(gòu)設(shè)計階段，模面設(shè)計沒有受到很好的重視，模面實際上是靠后天完成，模具設(shè)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(yīng)用情況豐田公司從5-6年前，開始應(yīng)用有限元法做計算機模擬板料成型分析，主要應(yīng)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(dá)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(jìn)行驗證。因此，豐田人認(rèn)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(rèn)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(yīng)用起來，要達(dá)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(yīng)用效果還難有定論。c模面設(shè)計經(jīng)驗積累機制豐田的設(shè)計部門除手工勾畫草圖以外，設(shè)計已全部計算機化，一般設(shè)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(shè)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(shè)計的小組討論，圖紙的多部門集體審核，設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、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(xì)設(shè)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(fù)責(zé)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(shè)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(jìn)行現(xiàn)場測量。這些資料的積累、整理、分析、存檔，都是模面設(shè)計的經(jīng)驗積累，并隨時加入到下一次的設(shè)計中去。豐田的模具設(shè)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(shè)計越來越精細(xì)，越來越準(zhǔn)確。d間隙圖設(shè)計在豐田，模面設(shè)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(dá)和描述模面設(shè)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(shè)計不是單純?yōu)榱嗽O(shè)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(shè)計），模具設(shè)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(shè)計，都通過間隙圖的傳達(dá)，依靠nc編程的設(shè)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(shè)計中來了。因此，間隙圖的應(yīng)用也是精細(xì)模面設(shè)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(shè)計如何適應(yīng)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(shè)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(dāng)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(shè)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(yīng)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(shè)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(shè)計和加工設(shè)計有兩種目的：一個是面向設(shè)計本身，一個是面向制造。設(shè)計者在畫圖過程中逐步完善自己的設(shè)計思路，圖畫完了，自己也清楚了，因此圖紙首先要設(shè)計者自己看得方便，并使設(shè)計的工作效率高。另一方面，設(shè)計要面向制造，以提高生產(chǎn)效率為最終目的。我們應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到不同的生產(chǎn)工藝流程決定了圖紙的表達(dá)形式。傳統(tǒng)的模具總裝圖加零件圖的形式，適應(yīng)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(yīng)用cad設(shè)計之后，如果生產(chǎn)方式?jīng)]變，那么二維設(shè)計和總圖設(shè)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(shè)計為三維實體設(shè)計，然而效果并不好，設(shè)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(shè)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(shè)計豐田的模具設(shè)計已全部采用三維實體設(shè)計，應(yīng)用的軟件為enginner。模面設(shè)計與結(jié)構(gòu)設(shè)計的分開：豐田把模具結(jié)構(gòu)設(shè)計與模面設(shè)計完全分開的，前者是實體設(shè)計，后者仍然是曲面設(shè)計。在結(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)計，這種簡化對三維實體設(shè)計的成敗很重要。取消二維圖紙：尺寸標(biāo)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(biāo)注必要尺寸的平面簡圖。如果從三維設(shè)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(xí)慣的二維圖，將是非常費時、費事的，設(shè)計出的實體變得毫無價值，這顯然違背了實體設(shè)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(shè)計：三維實體設(shè)計采用搭積木式設(shè)計，依靠三維標(biāo)準(zhǔn)件和典型結(jié)構(gòu)庫，使模具結(jié)構(gòu)極大的標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計。這對設(shè)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(shè)計的優(yōu)勢就成了負(fù)擔(dān)，效率太低了。干涉檢查：在二維設(shè)計中，往往設(shè)計者并沒有真正的建立起三維的模具形象，對復(fù)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(shè)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(shè)計時的一個老大難問題，在實體設(shè)計面前迎刃而解。實體設(shè)計中的刪繁就簡：實體設(shè)計直接面向制造，它所設(shè)計的繁簡因加工需要而定，完全不必考慮人的看圖習(xí)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(shè)計中就不必做了；又如：標(biāo)準(zhǔn)件，完全是采購件，在設(shè)計中也可以變成示意性的簡單幾何體等等。還有許多設(shè)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(shè)計是最經(jīng)濟的設(shè)計。半自動設(shè)計：豐