基于模具设计的降成本方法——汽车冲压模具设计的SSC(上)

文/叶梦彬·广州汽车集团乘用车有限公司

本文介绍了冲压模具设计SSC 这一可以实现降成本的技术管理方法。从工艺简单化、机构紧凑化、模具小型化几个方面重点、详细的介绍了实现模具的SSC 的方法，并对SSC 的方法进行了总结，对开展SSC 和没有开展SSC 的效果进行了对比，指出了这一套技术管理方法的优点和意义。

当前国内的汽车冲压模具行业普遍处于利润率低甚至亏损的状态，急需寻找到一些技术、管理方法降低模具成本，提升利润率。作为汽车整车厂，迫于市场竞争和降成本的需要，也希望在冲压方面进一步降低生产成本。实现冲压及模具的降成本，既需要技术的创新、进步，也需要技术管理上的创新、发展。本文从日本的SSC 管理理念出发，基于汽车冲压模具的设计谈谈实现降成本的管理方法——汽车冲压模具的SSC，并结合当前国内汽车模具设计普遍存在的一些问题，介绍一些模具SSC的技术方法。

汽车冲压模具设计的SSC

这里谈的SSC 是来自于日本的一种成本控制理念，一般用于指导工厂的规划和设计。SSC 是三个英语单词Small、Simple、Compact 的首字母，Small、Simple、Compact 的意思分别是小型化、简单化、紧凑化。当工厂、生产线做到小型化、简单化、紧凑化后，它就能更好地做到快速、顺畅化(Smart)生产或运行，从而实现更少的投入、更低的成本、更高的效率、更多的产出。

SSC 理念被普遍应用于日系企业的能扩规划和设计中。某日系汽车三厂，根据其主要承担小型车生产的规划，规划设计结合小型车特点，导入先进设备、技术，最大可能地活用现有厂房和设备，实现了小型化、简单化生产线的目的。建成了世界面积最小、单位占地产能最高的涂装车间，总装成为世界范围和中国乘用车行业最短、单位长度产能最高的生产线。第三工厂占用的土地面积相比第二工厂下降了50%，投资减少25%，效率提升了25%。

汽车冲压模具设计SSC

SSC 理念的应用能降低生产成本、提高生产效率。模具设计是工装设备的设计，新工厂规划设计包含厂房和设备的设计。如果将SSC 理念引入模具设计，应用于汽车冲压模具行业，将对当前汽车模具行业和汽车整车厂有重要的意义。将SSC套用到模具设计上，SSC 就是通过工艺的简单化(Simple)、机构的紧凑化(Compact)、模具的小型化(Small)，实现生产的快速、顺畅化(Smart)，如图1 所示。

图1 模具设计SSC 的含义

工艺简单化是指通过优化工艺设计使工艺更合理，工序数更少。工艺简单化、合理化，可以减少模具数量，减少模具投资，减少模具存放面积，减少备件量及备件存放面积，减少生产设备降低能源费、设备费，减少模具故障和维保工作量，减少工装和生产准备费用，降低模具故障率提高运转率。

机构紧凑化是指减少不必要的功能设计(如气缸+插刀两套驱动系统来驱动CAM)，优化不合理的机构设计(如一些设计不良、经常损坏的旋转CAM、滑动CAM 设计方式)，优化不合理的结构设计(如开裂多发的压料板设计结构等)，使机构功能完备，结构简单、科学，可靠性高、故障率低，减少模具开裂、损坏，提高生产安全性，降低维保工作量，降低模具维保成本；减少标件用量，减小模具重量等目的。

模具小型化是指减小模具设计尺寸，减小模具重量，提高铸造工艺性等。通过模具小型化设计，实现减少生产能源费，提高生产安全性，减小模具投资，减少模具存放面积，减少铸造缺陷等目的。

通过工艺简单化(Simple)、机构紧凑化(Compact)、模具小型化设计(Small)，使模具工艺合理、功能完备、结构简单科学，实现成本低，故障率低，可靠性高，最终达成快速、顺畅化(Smart)生产的目的。

工艺简单化(Simple)

实现工艺简单化，包括优化工艺设计、开展生产组合；优化、组合工艺，减少工序数；优化拉延工艺，减少坯料尺寸等几个方面。

⑴优化工艺设计、开展生产组合，设计更科学、更简单的工艺方式。不同件的并模生产方式、左右件组合生产方式(图2)、不同件的一出多组合生产方式(图3)，可以极大降低生产成本和提高生产效率，工艺设计要有意识地进行这方面的分析、尝试。

图2 左右件组合生产方式

图3 不同件的一出多组合生产方式

尽量避免使用刺破工艺。尾门、前后门拉延经常用到的刺破工艺，基本都会带来掉铁屑的问题，造成零件压伤，需要停线抹模，严重影响品质和生产效率。这种工艺存在无法完全消除掉铁屑问题的先天缺陷，工艺设计应避免采用，应设计出更科学的工艺。

尽量避免坯料需要落料。很多尾门内、外板可以设计成不需要落料的工艺，设计时要有意识地开展无落料工艺分析。

⑵产品设计有先天缺陷的要提前修改产品设计。一些产品造型设计如果在两个以上有类似设计的车型出现了问题，就要分析这种造型设计是否有先天的缺陷，如果确定是的要提前修改产品设计，不要一次次的把问题带入模具调试阶段，带来调试的困难和多做很多无用功。

要分析CAE 失真风险。CAE 失真是一个很大的工艺风险，失真的分析使问题没有在工艺分析阶段暴露出来，到了模具调试阶段才被发现，由于要保证整个新车型计划的推进及受各种因素的影响，这些问题可能将无法解决。工艺分析阶段要注意分析是否存在CAE 失真的风险，要认真、反复确认，尽最大努力避免判断失误。

工艺分析要消除所有工艺风险。在工艺分析阶段要力求在这一阶段解决掉所有分析出来的问题，不能把问题留到模具调试期，给模具的制造、调试带来困难。

⑶开展工艺优化、组合，减少工序数。在确保工艺合理和产品品质的前提下应尽量减少工序数。实现4 序减成3 序，3 序减成2 序生产，每减少一序就减少一套模具，生产就减少一序的能源消耗，模具存放面积和模具维保工作量也相应减小，对减少投入、降低成本有重要意义。部分顶蓬、门外板、前后盖是可以实现3 序生产的、部分前地板还可以实现2 序生产，工艺设计要充分开展分析优化。

⑷优化拉延工艺，减小坯料尺寸。减小坯料尺寸可以提高材料利用率，降低生产成本。可以通过直接优化工艺设计减小坯料尺寸，也可以通过浅拉延、开口拉延、二次成形等一些工艺技术来减小坯料尺寸。优化拉延筋设计是直接优化工艺减小坯料尺寸最常见的手段，如外板能方筋拉出来的用方筋，地板等成形难度不大的零件能用S 形筋的就用S 形筋。浅拉延、开口拉延和二次成形对于减小坯料尺寸效果显著，侧围翼子板等能采用浅拉延设计的应多用浅拉延(图4)，发盖、尾盖等能开口拉延的要采用开口拉延设计(图5)，门内板应多采用二次成形(图6)。

图4 侧围的浅拉延工艺

图5 发盖的开口拉延工艺

图6 门内板二次成形工艺

机构紧凑化(Compact)

实现机构紧凑化，要减少不必要功能设计，优化不合理机构设计，优化不合理结构设计。

⑴减少不必要功能设计。要减少数量过多的、面积过大的、功能重复的设计。如过多的、面积过大的靠背、支撑设计，功能重复的插刀和气缸两套驱动的斜冲机构，多余的没有任何实际意义的夹料翻边设计等。

除了翻边、整形镶块由于侧向力大需要设计支撑，一般的切边镶块有销钉就足够了，没有太大必要设计支撑。本田的模具切边镶块一般不设计支撑，仅仅依靠销钉定位螺钉锁紧。在有销钉定位的前提下，设计过多、过大的靠背、支撑没有必要，要减少不必要的支撑(图7)。水平安装或接近水平安装的导板(CAM 用)不需要设计支撑，水平布置的顶升导板和竖向、倾斜安装的导板要设计支撑(图8)。支撑面不必设计太大，太大增加装配难度，容易影响装配质量。一般一个镶块有两个支撑面，每个支撑面有30mm×20mm 左右就足够大。导板支撑不要设计太高，10mm高就足够了，宽度10～20m，太高反而不好。翻边、整形的支撑位置可设计高一些，尽量与翻边、整形工作面同一水平，有利于改善受力。斜楔断裂多发，必须尽可能设计较大支撑以加强斜楔的强度，防止疲劳损坏。

图7 不必要的支撑

图8 必须有的支撑

设计必须的、足够强度的支撑(图9)使强度更好，防止断裂。要优化斜冲机构有插刀和气缸两套重复驱动的设计，取消受力不合理，容易发生断裂的插刀设计，避免动作的不良和机构的损坏。要取消没意义的夹料翻边设计。

图9 两套驱动的CAM

⑵要优化不合理的CAM 设计，以滑动CAM 和旋转CAM 为代表的机构设计，较多存在结构不合理，受力上设计不科学，动作上存在窜动、干涉等问题，要进行结构优化，改善受力，消除干涉，防止损坏。CAM 的常见不良有：①受力偏载，包括非标CAM 使用受侧向力且未设计支撑进行力平衡(图10a)，标准CAM 被用于翻边、整形等产生了侧向力场合未设计支撑。②设计不良。包括非标CAM 结构设计不符合技术要求造成偏载(图10b)，非标CAM 的设计结构强度不足，非标CAM 设计动作不符合技术要求，非标CAM 的设计导向不良，非标CAM 的设计约束不良等。最常见的造成CAM 损坏的设计问题是偏载和约束不良、动作存在窜动(点头效应)。如果不是结构设计问题，偏载可以通过加个支撑进行平衡。要减少窜动发生，CAM 滑块支承面与驱动力交叉点到支承面末端距离必须不小于10mm(图11)。对于复杂的非标CAM，其可能承担切边、冲孔、翻边、整形等多种工艺，受力复杂，左右导向不平齐。要防止出现窜动，要求CAM 承受的冲压力的合力线与CAM导向线的交点必须尽量在导向面范围内且距离导向端点不小于10mm，如图12 所示。

图10 偏载损坏的非标CAM 和结构设计就偏载的CAM

图11 CAM 受力与支承面的技术要求示意图

图12 复杂、非标CAM 的受力与支承要求示意图

要尽量避免使用旋转CAM。旋转CAM 存在一些先天的不足，如存在间隙导致压料不紧、零件变形等，旋转CAM 还特别容易损坏(图13)，损坏后维修困难、更换麻烦，要尽量避免使用旋转CAM。如果不能不使用旋转CAM，要尽可能对旋转斜楔进行优化，消除隐患或降低影响。特别要加强受力分析和运动分析，尽可能地避免发生损坏。如果能用DOUBLE CAM 代替旋转CAM 要尽量选用DOUBLE CAM 的形式。

图13 损坏的旋转CAM

⑶要优化力学上不合理的结构设计。如侧围后翼子板后下部压料连接设计、翼子板压料板结构设计(图14)。要优化以侧围、翼子板等的压料板不符合力学要求容易损坏的设计(图15)。类似结构设计在力学上存在严重不合理，极易损坏。强度上存在不足，结构上存在应力集中。优化设计能改善受力提高强度，还能压缩模具尺寸。

图14 侧围、翼子板不良结构设计导致的损坏

图15 侧围、翼子板结构的优化

要优化以侧围、翼子板模具为主的一些小压料块不合理结构设计防止损坏(图16)。以侧围、翼子板为代表的模具存在非常多这类小压料块，开裂损坏多发，主要问题在导向设计不良、限位设计不良、结构设计不良等方面，必须进行优化。

图16 小压料块的损坏

要尽量避免门内、外板等一模两件的模具两压料板连接设计。类似连接筋设计力学结构上存在严重隐患，强度也无法设计达到要求(图17)，要避免类似结构的设计。如果不能避免也要最大限度进行补强。

图17 不良连接筋设计