相似制造技术在模具设计制造中的应用＊

谭永明，周敬勇

1.青岛和硕环保科技有限公司（山东青岛 266101）2.合肥职业技术学院（安徽合肥 241000）

1 引言

非标机械产品一直以来都是机械产品中的“贵族”，主要是因为非标机械产品很多特征不遵循通用标准，需要单独设计，小批量甚至单件加工生产，导致效率低，成本高，维修维护代价高。随着人们生活水平以及使用要求的日益提高，个性化产品成为产品的发展趋势[1～4]。很多商家也改变了原有产品的研发生产模式，这其中比较典型的商家有家电巨头企业海尔。作为批量化、标准化家电产品起家的大型国有企业，海尔多年来一直走在标准制定和执行的前沿，随着市场的变化，消费者对家电的追求不再只是能用和好用，而提出了更高的要求，后来的“洗地瓜”的洗衣机，智能家电订制服务以及海尔为个性定制的“小微”布局也相应出现，家电产品也由最初的小批量手工制造方式，发展为大批量标准化流水线生产方式，再到现在的小批次需求定制方式，人们生活质量在提高，对产品的成本和加工周期的要求也越来越高，新产品开发绝对数量的增加和开发周期的缩短，也给制造产品必要工具的模具行业带来了新的契机和挑战[5]。

近年来，快速加工技术得到飞速发展，如快速成形制造和3D打印技术的出现，使得以前只能用模具制造的产品，可以通过加工设备直接完成，极大缩短了产品的研发周期，也给模具产业造成了一定冲击，降低成本、提高使用寿命、缩短设计制造周期成为模具产业提高竞争力的必要手段，通过相似制造技术让非标件“标准化”，可以完善零件加工工艺，缩短零件生产流程，降低零件加工成本。

2 我国模具的设计制造技术的发展历程

作为典型非标机械的模具行业，产品部件除了螺钉、销钉和弹簧等标准件外，绝大多数部件为非标件，设计、工艺制造及加工重复性工作较多，效率低[6]。20世纪80、90年代，模具都是通过蓝图绘制，加工工艺流程卡的制造来控制模具的加工及检验，都是通过手工来完成，缺少对加工设备使用的汇总和统计，基本上都是单个零件按照流程卡单独加工，设备在使用中经常往复换刀及零件装卸，增加了加工周期的同时，也降低了部件的加工精度。在模具生产厂家经常会出现部分工位及设备在一段时间加班加点，而另一些工位却长期闲置，导致生产效率低下，如图1和表1所示。

图1 早期汽车覆盖件模具装配图

进入21世纪，随着CAD/CAE/CAM/CAPP技术的发展，产品的设计协同化取得了很大的进步，使的产品开发进入了快车道，数据共享、资源充分利用和大数据规划设计相结合，改变了模具的以往生产制造模式[7～10]。尤其是PLM等管理软件的发展，让设计加工合为一体，大大缩短了产品的开发周期，手工绘制时期一套门外板覆盖件成形模具的设计制造周期一般需要3个月以上，表2为日本丰田模具在2,000年时车门外板拉伸模具制造周期，而通过信息互通、协同设计、相似工艺制造技术应用后，其周期缩短为现在的35天。企业对产品设计中的数据采集和分类处理也越来越重视，设计、工艺、加工和检测不再是独立的模块，而是通过信息整体规划后的具有规律特征的共享模块。

表1 上模座加工过程卡

表2 车门外板成形模具制造周期表

3 相似制造技术的应用

相似制造技术在模具设计、工艺制造、机械加工及维护、装配调试和检测方面都得到了广泛应用，并取得了很好的效果。

随着新技术的发展和应用，模具设计和制造的智能化程度也越来越高。而智能化知识含量高，除了技术的发明和创新外，更重要的是将技术应用于生产，转化为生产力。数据的收集、智能处理和网络传输是实现智能处理及控制的基础条件，PLM（产品生命周期管理）可以将产品的设计、制造、存储、销售和售后服务联系在一起，实现数据共享、同步处理以及数据更新历史记载等功能。在设计模块可以实现信息储存和同步更新如图2所示。

图2 三维汽车覆盖件模具设计特征同步信息

设计中一般通过对零件的命名来区分特征，将零部件进行初步归类[11]。国内一著名汽车模具厂对模具及零件的命名规则为：“零件（item）的编号应为FT-产品号－M-工序号－拼音简称，应注意拼音简称中不得含有GB、QM、QB等字符，零件（item）的编号的字节总数不得超过30位。零件序号按下面的规定排序：1号为下模组件，2号为上模组件、3号为顶出器（压边圈）组件、4号为压件器组件、5号为冲孔组件、6、7…号为斜楔组件等，允许将顶出器（压边圈）组件、压件器组件、冲孔组件、斜楔组件等组件添加在上模组件和下模组件中，组件中的零件序号按1-1、1-2、1-3的顺序排列。”通过编制零件号将相似特征和近似工艺的零件归类。如海尔等一些大公司每年申请的零件新品多达上百万，重复申请的部件在10%以上，这部分零件占用大量资源，空置而不利用，造成了不必要的浪费。在新产品的申请中对于相同的和相近产品，PLM会给予提示此产品已申请信息，相近产品只能通过相同零件号+延伸扩展号申请，例如4822…35-A为A产品，4822…35-B为其扩展产品，两个产品在加工工艺及特征上近乎相同，只是形状略微有点差别。这样不占用新品维护成本，集成方作为同一新品维护，只有分供方根据延伸号做出不同的供货，这样简化了新品流程，大大提高了研发效率。

存储特征信息目的是为了将特征信息进行归类汇总和分类处理，为加工制造提供便利。模具三维设计及图纸标注和明细表及工艺流程卡关联生成如图3所示[12]，通过这些数据可以分析一套模具材料使用情况，车、铣、刨、磨、钳和热处理等工艺所占工时，模具的工期和成本可以非常清晰。并且可以通过信息来优化设计，通过相似制造技术来进一步缩短加工周期和更为合理安排生产。通过数据汇总可以反映出生产设备的利用效率和各工位的工作量，从而优化加工设备布局和对人力结构进行调整。

相似制造技术在模具产品的维护中作用也是相当重要，一种产品的生产销售都需要对消耗品进行备损，零件样数越多库存量就会越大，占用资金和存储成本就会越高，所以企业要求零件尽量标准化和具有相似制造性，这样可以增加互换性降低库存量，也可以减少加工周期，及时补充备损，很大程度上减少了PLM导入SAP数据信息量。

相似制造技术在模具产品的检测方面的应用。产品检测是产品研发和生产的重要一环，国内最通用的有3C认证及国外的UL认证等，有些企业为了提高产品质量提出了适合本企业产品的更高标准，例如海尔的HR认证。每个新品的开发都需要通过认证后，才能生产销售，一些改进型产品（相近的模具产品如车门左右内板成形模具）部分特征没有改动的情况下可以免于检测，这样可以减少重复检测，对于相同特征的检测可以成功检测一次，检测报告对延伸产品一样适用，保证质量的同时缩短了检测时间，也促进了研发人员在设计过程中尽量采用成熟的方案，保证产品的可靠性，如图4所示。

图3 三维汽车覆盖件模具设计和工艺流程的同步信息

图4 延伸产品的检测

4 实例

相似制造技术在福田风景海狮项目6516车型上的应用。6516车型是福田汽车开发的一款面包车的车型，在设计过程中，首先需要申请整车号，各个非标零件和文档申请时都需要和它相匹配，如图5所示。

图5 6516车型数据库的建立

零件的申请号为车型号-零件图层号-名称，通过数据库检索车型号可以直接找到该车型非标件的数量和详细部件，零件图层号是通过部件所处位置和使用方式编制，名称是具体零件名称，都是通过PLM中设定的规范名称直接选取，如车型里的“后保险杠”不能填写为“保险杠”或其他名称，因为名称不规范影响归类，不利于数据库的储存和查询。到模具层，在延续整车零件号的基础上，加入模具加工信息，BJ6516-54000310-M-1/7-00是后保险杠的加工需要经过7道模具工序，该模具为第一道工序——成形模具，最底层为模具零件层，“A”为修改版本号，通过数据库软件可以对不同的储存信息进行查询，如图6所示。

图6 数据库的放置

数据库对产品信息的存储包括市场调研报告、竞争力分析报告、设计方案及论证、整车数字化模型、具体零件设计数模、对应模具工艺分析报告、模具设计图纸、物料明细表、模具零件加工工艺单、检测记录单以及标准设计库等等，包含图纸UG和Auto CAD文件、文档 OFFICE和PDF、图片JPEG和BMP以及审批流程设定，如图7、图8所示。

图7 数据库存储信息

模具制造周期最长的阶段是加工阶段，减少加工过程中的制造工序，高水平的工艺制定将最有效的提高加工效率。资源库管理提供了专用资源的数据信息维护（包括企业的各种工装备、设备，也包括标准工艺术语等等）,允许用户根据需要建立新的资源库结构，提供录入的界面。这些信息作为工艺设计时的参考和统计汇总时的依据，如图9、图10所示后保险杠成形模具加工用到的各设备占用工时，标准工时、专用公式及通用公式也可在此窗口维护。

图8 零件数模存储

图9 机床工时

图10 模具的加工工序

5 总结

随着改革开放和中国经济的快速发展，作为素有“工业之母”称号的模具行业迎来了跨越式发展，中国的模具行业在2000年左右进入模具的鼎盛时期。模具是精密工具，形状复杂，承受坯料的胀力，对结构强度、刚度、表面硬度、表面粗糙度和加工精度都有较高要求，模具生产的发展水平是机械制造水平的重要标志之一。随着市场竞争加剧，越来越多的大型模具企业将重点放在提高自身标准，降低开发周期和最大限度的降低产品成本方面，其中对相似制造和协同设计技术的应用效果最为显著，实现产品数据参数化、标准化、模块化及同步性相结合，解决了模具作为非标机械品种多、批量少带来的成本问题，提升了企业在市场中的竞争力。