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 圖1 沖壓工藝知識庫模板 模具不同于一般的制造業產品，其最大的特點是單件訂單生產，每套模具從設計到制造都是一個新品開發的過程，基本上不存在重復制造一模一樣模具的情況。因此，很多人都認為，由于模具的這些不可控特點，使得模具制造廠家的規模不可能很大，產能也不能做得太滿。但是，隨著一些先進技術在模具領域的應用，模具的開發過程發生了根本變化，尤其是技術進步促進了模具生產管理的進步，使得規模化模具生產成為可能。
規模化模具生產具有幾個特征：產值較大；服務的客戶多，項目多、標準雜；參與生產協作的企業多。沖壓模具開發的一般流程是：沖壓工藝設計－模具結構設計－泡沫型制作－鑄件及標準件采購－機械加工－模具裝配－模具調試。本文主要從汽車沖壓模具生產的主要環節討論支撐規模化模具生產的關鍵技術及管理。
沖壓工藝知識庫及智能化工藝設計
1．沖壓工藝知識庫
沖壓工藝是沖壓模具技術的核心內容，沖壓工藝做得好壞直接影響到出件的質量和周期。長期以來，沖壓工藝都依賴于經驗，因此，即使是同一個零件在不同的人看來，都會有不同的工藝方案，而且在設計階段往往還不好評價優劣，待到調試時已沒有可比性。這種現象一方面說明工藝方案不具備惟一性，只有更好；另一方面說明這項內容缺乏可控的標準，質量沒有保障。如何實現沖壓工藝的控制和規范，在沖壓模具技術中最為重要，要實現規模化生產首先要解決這個難題。
對于汽車覆蓋件沖壓模具來說，一個車型大致有300～400個沖壓件，按制件的特征分類大概幾十種，每個制件中能夠影響工藝的難點或特征點一般只有幾處，因此，可以根據這樣的特征分類建立知識庫，應用KBE技術加上人工交互功能，開發基于知識工程的智能沖壓工藝分析系統，依靠軟件技術保證優化的、標準的工藝結果。這項技術應用可以打破經驗的障礙，讓稍有一些沖壓知識的人就可以完成這些工作。圖1所示為沖壓工藝知識庫模板的界面。
值得一提的是，對沖壓工藝分析的影響除了工藝經驗之外，還有車身零件本身的設計問題。一項好的產品設計除了滿足功能、美觀等要求外，還應該考慮產品的制造工藝性和成本。實力較強的汽車公司一般都有自己的車身沖壓工藝部門，其作用就是在車身設計階段進行產品制造工藝性分析，并提供改進建議，如果是變形車設計，還會將以前的一些問題反饋到本次更改中。這樣的車身模具開發難度也大大降低。相比之下，國內一些汽車車身設計中遺留的沖壓工藝問題較大，一旦數模封版，更改的流程復雜、難度很大，既影響開發周期，也會留下質量隱患。因此，現代車身模具開發中，車身設計階段的沖壓工藝性分析越來越重要，也是掌控模具開發的重要環節。沖壓工藝作為模具開發的前端技術要逐漸融入到汽車車身設計過程中，這個需求將促進模具企業與汽車公司、設計公司的戰略聯盟。
2．沖壓CAE輔助工藝分析
CAE技術在沖壓模具領域的應用是模具行業的一項重大技術革命。現在的沖壓CAE軟件基本上都是基于有限元理論開發的，國際上比較流行的軟件有AUTOFORM、DYNAFORM和PAM-STAMP等。隨著CAE軟件在模具行業的推廣，軟件的功能也在不斷完善和加強，目前的軟件能夠完成拉伸、修邊、翻邊、整型和回彈（見圖2）等全過程仿真計算分析。
 圖2 回彈的計算分析結果 沖壓CAE技術的應用效果要發揮好它的幾個功能：
（1）建立基于CAE分析結果的沖壓工藝評判標準體系，成為控制工藝的依據；
（2）融合沖壓工藝經驗，將CAE分析與知識工程結合，成為優化沖壓工藝的工具；
（3）結合沖壓調試的實際測量，為輔助調試提供參考依據；
（4）基于CAE分析的工藝控制要有充分的裕度，提高對實際沖壓條件的適用性。
標準化、模板化的快速模具結構設計
隨著CAD軟件技術的發展，參數化三維設計在模具領域得到了廣泛應用，目前在沖壓模具領域應用的三維CAD軟件有CATIA、UG和Pro-E等，這幾種軟件都具有較強的參數化功能。滿足規模化模具生產的要求，提高模具結構設計速度、縮短設計周期是一個重要條件。依靠參數化設計軟件，研究各類沖壓模具的結構特征，開發模板化設計系統，可以減少重復的結構設計，顯著提高設計速度。但是，由于模具結構設計的單一性，追求一個萬能的模板化系統并不可行，但可以通過采用關聯的標準化參數化局部典型結構，使模具的設計過程變成局部參數化結構的累積過程，通過軟件布爾運算實現。模具模板化設計系統見圖3。
 圖3 模具模板化設計系統 模具結構設計是工藝的具體實現，傳統模具設計流程中，同一制件的各序模具結構設計由不同的人完成，相互間的交流少，上一道工序的設計變更信息不能及時傳遞，而生產中由于工藝變更影響模具結構更改的情況時有發生，導致下一道工序實際上浪費大量時間在做無用功。對于一個確定的工藝，各工序之間是有相互聯系的，如果將工藝間的聯系在各序模具結構中也能聯系起來，則可以實現模具設計中的各序并行。實現并行設計的關鍵技術是關聯設計，現在一些軟件的基于知識工程的模塊系統已經能夠幫助實現關聯設計。通過關聯設計，還可以實現近似零件的模具設計資源重復應用，縮短設計周期。
模具設計中的另一個難題是質量控制。單純從模具開發的角度而言，基本不存在在現有模具上改進得到的可能性。那么應該經歷“模具設計－實物驗證－修改設計－正式制造”的過程，才可以保證產品的質量，但是，由于周期和成本的問題，“實物驗證”與“正式制造”往往被合為一個環節，因此，實際生產中會出現各種各樣的“異常”，這些“異常”影響了產品質量和周期，甚至攪亂整個生產計劃，問題的根源在于缺少驗證過程。應用先進的數字化手段，可以實現“數字驗證”替代“實物驗證”。具體方法是：
（1）建立規范的設計方法，避免不規范的個人設計習慣帶來異常問題；
（2）建立嚴格的質量控制流程，把好審校關；
（3）利用先進數字化軟件技術進行有針對性的校核，如：開發CAD軟件功能模塊，進行自 動干涉檢查；利用有限元軟件進行結構強度分析；利用流鑄分析軟件進行鑄件鑄造性分析；利用機構運動仿真軟件進行模具和沖壓線動態運動分析；利用刀具運動仿真軟件進行加工性分析等。圖4為模具鑄造過程仿真結果。
 圖4 模具鑄造過程仿真 “數字驗證”替代“實物驗證”可以實現質量控制，但是如果每套模具都經過這樣的流程，則會花費大量的時間，因此，依靠數字化仿真計算建立各種設計標準，通過軟件的校對檢查功能來實現各種質量參數的控制才是最為有效的方法。
高速、高精密數控加工
高性能數控銑削加工技術以其高的加工精度和高的切削進給速度二者的優良匹配，成為高品質汽車模具制造的核心技術之一。模具自由曲面的高性能數控加工可以大大地提高模具加工精度、縮短加工時間，從而提高模具的制造質量和生產效率。
刀具路徑設計規劃是自由曲面高性能數控加工的首要任務。傳統的刀具路徑設計規劃以被加工零件的幾何特性為依據，根據經驗設計刀具路徑和設置切削參數，然后將其轉化為數控加工代碼，由數控設備來實現其切削加工。這樣的刀具路徑要實現高速、高精度數控加工則需要數控系統具有非常好的程序預處理、監控等先進功能，這些功能可以在控制加工的同時掃描待加工的數控代碼，并根據其計算方式相應地調節進給速度。一些數控系統還具有更好的針對高性能加工的智能誤差補償和輪廓控制功能。這些硬件上的先進功能，為保證零件加工精度起到了關鍵的作用。
模具加工中還需要考慮的問題是加工效率及可靠性。應用加工軌跡優化技術可提高加工效率，但由于設計或鑄造失誤可能引起加工實體與設計尺寸不符，造成加工撞刀的現象，因此，加工前對實體鑄件要進行檢測確認，應用仿真技術進行加工過程仿真（見圖5），確保加工的可靠性并優化加工路徑。
 圖5 加工過程仿真 高性能數控銑削加工和刀具路徑優化設計解決了單品模具制造問題，但是要保證大量模具的制造效率，則要求各種加工設備能力匹配合理。模具結構根據加工特點可分為模具本體、凸凹模、修邊鑲塊和整型鑲塊等類型，根據類型組織專業化加工，可以顯著提高效率。由于模具訂單及類型的波動性很難預測，采用適當的專門化外協加工，是提高效率、控制成本的最有效途徑。
數字化模具調試
模具調試是模具開發過程中的重要環節，由于缺少了前期“實物驗證”過程，調試階段還擔當了發現設計缺陷或失誤并改正的任務。它的完成質量和周期主要取決于3個方面：模具工藝和設計的質量；鉗工的調試經驗和水平；調試的硬件設備條件。現在大部分模具企業在這3個方面都缺少保障，模具調試階段也是最“失控”的階段，鉗工常常像救火隊員，哪個項目將到交貨期就去趕哪個項目。
鉗工的工作量主要體現在兩個方面，即著色研合和出件調試。這兩個方面也相互關聯，提高研合率也是為了保證出件調試的質量。著色研合是為了保證上下模與工件均勻貼合，尤其對于外板件面品質量影響很大，這項工作一般靠鉗工手工推模逐漸改善，有時工作量很大。上下模間隙分布情況，經著色研合后色料的厚度分布反映出來，通過“試著色研合－精密照相測量分析－二次精加工”，可以顯著減少鉗工研合量甚至無需研合，實現的關鍵要依照相色料的顏色深淺反映到厚度值，并對應到模具型面的加工修正，要由特殊的曲面處理軟件來完成。制件著色研合見圖6。
 圖6 制件著色研合 鉗工的調試類似沖壓工藝的階段，可以依靠數字化手段，打破對經驗的依賴，實現調試的標準化，其數字化手段主要依靠硬件。其實調試階段沖壓結果已非常客觀，只要有精密的儀器進行測量，應用材料變形理論知識完全可以找到解決問題的方法，根本不需依賴經驗。
調試也可以建立制件分類知識庫，以這些測量數據為基礎，開發基于知識工程的智能化調試分析系統，實現依靠軟件系統的數字化調試技術。
數據的流程控制及規模數據管理
模具的生產過程包括：工藝－設計－實型制作－鑄造、標準件采購－機械加工－調試，每個環節由不同的部門負責，大量的模具信息數據要在各部門間流動，而且來自上游的產品數據更改非常頻繁，沒有一個很好的流程控制和數據版本管理，結果不堪設想。PDM系統就是具有這樣功能的信息系統（見圖7）。
 圖7 PDM的數據管理 PDM技術最早出現于20世紀80年代初期，目的是為了解決大量工程圖紙、技術文檔以及CAD文件的計算機化的管理問題，后來逐漸擴展到產品開發中的3個主要領域：設計圖紙和電子文檔的管理、材料報表（BOM）的管理以及與工程文檔的集成、工程變更請求／指令的跟蹤與管理。利用PDM框架軟件，底層以大型工程數據庫為支撐，采用信息與功能適配器技術，分別開發與CAD/CAE/CAPP/CAM等軟件系統的集成接口，實現多種信息的順暢流轉和平滑轉換，實現統一數據源和各類數據的共享應用。PDM的流程管理見圖8。
 圖8 PDM的流程管理
利用PDM系統還可以有效控制項目流程，監控項目管理，解決規模化模具生產的項目管理困難。在PDM系統中，數據流在規定的流程中傳遞，每個流程處理的節點都設有明確的責任人和督辦人，當項目進程受阻時，很容易找到問題的癥結進行協調處理。
產業鏈信息化管理
汽車模具產業鏈（見圖9）的四大主體包括：汽車整車廠或委托沖壓件協作廠；汽車模具龍頭企業；汽車模具中小企業；鑄造廠、標準件廠等供應商。目前產業鏈中的各主體企業基本處于各自為政狀態，缺乏有效的聯盟和協作，不能滿足規模化模具生產的需要。面向產業鏈3個層次的業務需要開發相應的服務系統：客戶協同系統、協同制造系統和供應協同系統，并集成統一的網絡化平臺，實現支持規模化模具生產的網絡化協作是未來模具產業發展的重要形式。汽車整車廠或委托沖壓件協作廠作為產業鏈的重要節點，可以通過平臺實現訂單的發布、項目跟蹤和質量管理；汽車模具龍頭企業作為產業鏈的主體，可利用平臺尋求商機，分解訂單、外協或采購，控制項目過程并實現基于業務的企業內外應用系統集成；汽車模具中小企業作為產業鏈主體的延伸，利用平臺可獲得訂單、融入制造鏈、執行項目以及技術服務等，通過租賃或購買平臺提供的軟構件，實現企業輕量型的信息化；鑄造廠、標準件廠等供應商，可獲得供需信息、發布信息并完成交易。
 圖9 汽車模具產業鏈 網絡化公共平臺還可以解決資源重復浪費問題，實現汽車模具行業資源優化配置。目前整個行業現在的制造資源不能充分發揮作用，利用率較低，而公共服務平臺正是實現行業跨越企業、優化利用企業資源的有效手段。通過建立網絡化協同設計制造環境，利用遍布全球的信息網絡，企業可以在廣泛的地域范圍內尋求合作伙伴，構成網上虛擬企業聯盟，該聯盟以市場為驅動，以共同利益為紐帶，將不同企業和機構的制造資源動態連接起來，進而實現資源優化重組，并提高資源的利用率。
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