淺談沖壓品質(zhì)管理

文/孫侃·天津一汽豐田汽車有限公司

淺談沖壓品質(zhì)管理

文/孫侃·天津一汽豐田汽車有限公司

孫侃，從事沖壓技術(shù)及現(xiàn)場管理工作，參與泰達工廠建設(shè)，負(fù)責(zé)多款車型的新車沖壓項目，在生產(chǎn)性向上、精益管理推進、成本改善等方面深度學(xué)習(xí)實踐豐田汽車的技術(shù)及管理理念。

T FTM沖壓部門擁有6條全自動沖壓生產(chǎn)線（含4條伺服生產(chǎn)線），產(chǎn)品包括整體側(cè)圍、車身結(jié)構(gòu)件等冷沖薄板沖壓品，板厚范圍0.6～4.2mm，制件重量0.3～26kg，年有效沖程1862.2萬次，生產(chǎn)制件2312萬枚，2015年對應(yīng)工廠40萬臺產(chǎn)能。在快速、高效的生產(chǎn)當(dāng)中，保證沖壓品質(zhì)是沖壓部門永恒的課題。在長期的改善和積累過程中，形成了一整套沖壓品質(zhì)管理的工藝及方法，取得了良好的效果。

現(xiàn)代沖壓品質(zhì)管理的特點

沖壓品質(zhì)的一致性

沖壓品質(zhì)一致性主要體現(xiàn)在沖壓件符合設(shè)計品標(biāo)，包括形狀、精度、板厚減薄、面品質(zhì)以及邊緣平整無毛刺等指標(biāo)，各指標(biāo)的檢驗方法及標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

現(xiàn)代沖壓生產(chǎn)的線性特點

由于現(xiàn)代工業(yè)的進步，沖壓用薄板的材質(zhì)穩(wěn)定性達到較高水準(zhǔn)，沖壓生產(chǎn)串線基本由全自動代替人工搬運，壓力機逐步由伺服壓機替代傳統(tǒng)的油壓機或機械多連桿壓力機等?？傮w而言，人的參與逐步降低，從而提高生產(chǎn)速度、安全性、安定性，也減少了人為因素造成的不確定因素，提升了沖壓高速生產(chǎn)的品質(zhì)線性特點。表2是傳統(tǒng)沖壓生產(chǎn)方式與現(xiàn)代沖壓生產(chǎn)方式的對比。

表1 沖壓品質(zhì)一致性指標(biāo)及其檢驗方法和標(biāo)準(zhǔn)

表2 新舊沖壓生產(chǎn)方式的對比

綜上，對于現(xiàn)代化程度先進的沖壓全自動伺服生產(chǎn)線，各項生產(chǎn)參數(shù)一旦設(shè)定，影響沖壓品質(zhì)的非線性因素大大降低。沖壓的品質(zhì)管理可以根據(jù)這一特點有效地開展抽檢、分割檢查、傾向性管理等，用最低限度的人工，確保沖壓品質(zhì)的自工程完結(jié)。

沖壓生產(chǎn)準(zhǔn)備階段品質(zhì)管理的幾點做法

沖壓拉延成形的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定

⑴拉延成形調(diào)試過程中的問題點。

在沖壓模具制作及調(diào)整過程中，拉延成形的狀態(tài)決定了沖壓品的回彈、剛性、精度以及板厚減少率等各項指標(biāo)是否合規(guī)，拉延工序的調(diào)整及修理需要花費長時間來完成。但是往往閉合高壓力等參數(shù)的細(xì)微調(diào)整會使成形狀態(tài)波動巨大，即使經(jīng)驗豐富的技工有時也很難把握調(diào)整的方向。

總結(jié)下來主要存在兩大問題：①在模具廠家的設(shè)備上，參數(shù)調(diào)整后變化傾向不明；②在模具來到制造車間的設(shè)備上，由于壓機差異等原因，面臨再次調(diào)整，繼續(xù)花費大量時間和精力進行調(diào)試。針對以上問題，介紹一下豐田在拉延成形標(biāo)準(zhǔn)方面的執(zhí)行辦法。

⑵拉延成形的過程管理。

①統(tǒng)一的設(shè)備式樣。為了提高模具生產(chǎn)準(zhǔn)備的效率，降低調(diào)試時間和提高調(diào)試準(zhǔn)確度，豐田公司首先在設(shè)備選型方面采用了統(tǒng)一的設(shè)備參數(shù)，豐田現(xiàn)在全球的沖壓生產(chǎn)線，采用了統(tǒng)一的設(shè)備式樣，以中國豐田合資事業(yè)體為例，整車廠TFTM、SFTM、GTMC以及造模廠TFTD都采用了豐田與小松合作開發(fā)的壓力設(shè)備，設(shè)備式樣統(tǒng)一、共通。這不但確保了造模廠生產(chǎn)出的模具可以以最短的時間在整車廠再現(xiàn)品質(zhì)批量生產(chǎn)；而且在整車廠的各條生產(chǎn)線間模具可順利移線生產(chǎn)，從而增加了整車廠各沖壓生產(chǎn)線間生產(chǎn)負(fù)荷調(diào)整的機動性。

②壓力波形的導(dǎo)入。在統(tǒng)一設(shè)備式樣的基礎(chǔ)上，豐田公司導(dǎo)入了又一項過程可視化技術(shù)，即壓力成形曲線，它是通過在設(shè)備上增加壓力傳感器，并收集壓力反饋信號來實現(xiàn)的，是一種專業(yè)化的基于應(yīng)用的壓力設(shè)備二次開發(fā)。

圖1、圖2、圖3是由外接C-PAS儀器讀出的某模具在造模工廠TFTD壓機設(shè)備上的壓力成形曲線，左側(cè)是各生產(chǎn)設(shè)定參數(shù)，右側(cè)是成形壓力與時間的曲線。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)壓（2215kN）寸動沖壓下的320A側(cè)圍成形壓力—時間曲線

圖2 標(biāo)準(zhǔn)壓（2215kN）行程沖壓下的320A側(cè)圍成形壓力—時間曲線

圖3 上限壓（3014kN）行程沖壓下的320A側(cè)圍成形壓力—時間曲線

在實際的生產(chǎn)準(zhǔn)備過程中，合理運用以上過程參數(shù)可以高效再現(xiàn)成形性品質(zhì)，側(cè)圍在線調(diào)試時間由國內(nèi)平均水平36小時降低到2小時以內(nèi)，由于篇幅有限，曲線的具體讀圖方法和運用不在本文詳述。

沖壓模具閉合高的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定

在模具制造生產(chǎn)準(zhǔn)備階段，模具的平行度也是重要的品質(zhì)因素，但是沖壓過程中，上模與下模接觸的一剎那，用肉眼判斷0.1mm以下的細(xì)微偏差是非常困難的。下面介紹一下豐田在模具平行度方面采取的做法。

圖4所示是模具接觸調(diào)整塊的設(shè)置。接觸調(diào)整塊的目的是，在沖壓過程當(dāng)中的下死點（壓機達到180°，上模與下模壓實）角度，在調(diào)整塊表面設(shè)置感壓紙，測量并記錄調(diào)整塊接觸的面積及狀態(tài)。這是記錄模具調(diào)試到最佳狀態(tài)的一種方法。

圖4 模具接觸調(diào)整塊設(shè)置圖

圖5是利用感壓紙測出的模具出廠時各位置狀態(tài)與在TFTM設(shè)備上調(diào)試后各位置的狀態(tài)對比圖。

圖5 各調(diào)整塊測試后感壓紙狀態(tài)

網(wǎng)格模具的導(dǎo)入

⑴網(wǎng)格模具。

Cross cut網(wǎng)格模具技術(shù)起源于豐田公司現(xiàn)場員工的創(chuàng)意與不斷改善，通過在模具表面橫縱切割凹槽，達到減少模具與制件的接觸面，從而降低面品質(zhì)不良。

⑵網(wǎng)格模具的加工規(guī)格。

如圖6所示，加工規(guī)格圖中顯示的是模具剖面，凹槽規(guī)格寬1.05mm，深0.15mm，凹槽加工間距2.5mm，凹槽以與生產(chǎn)Feed方向45度角進行雙向加工，在模具表面形成網(wǎng)格。圖7是網(wǎng)格模具的實物照片。

⑶網(wǎng)格模具導(dǎo)入的效果。

天津一汽豐田沖壓車間導(dǎo)入網(wǎng)格模具后，面品質(zhì)不良由5%～6%降低到3%以內(nèi)。

圖6 網(wǎng)格模具的加工規(guī)格

圖7 網(wǎng)格模具實物照片

沖壓生產(chǎn)階段品質(zhì)管理的幾點做法

標(biāo)準(zhǔn)樣件管理、抽樣檢查以及初、中、終品的保障

在批量沖壓生產(chǎn)過程中，如何保證一致性及通過高速沖壓線性特點設(shè)定抽檢的頻度及方法，是沖壓日常品質(zhì)管理的基礎(chǔ)。

⑴標(biāo)準(zhǔn)樣件管理、抽樣檢查以及初、中、終品的管理內(nèi)規(guī)。

豐田對標(biāo)準(zhǔn)樣件管理、抽樣檢查以及初、中、終品的管理內(nèi)規(guī)詳見表3。

⑵沖壓QC工程圖。

下面以391A車型的沖壓在線品質(zhì)管理文件為例進行說明。

①檢查項目，如圖8所示。檢查項目中記錄了產(chǎn)品的必要信息，在加工過程中，各工藝產(chǎn)生不良的類型及檢查的方法。

②檢查頻度，如圖9所示。檢查頻度是根據(jù)此沖壓品的特點，確定多少枚抽檢一次以及不同階段的抽檢內(nèi)容、檢查方法以及記錄方法等。

③不良履歷，如圖10所示。不良履歷是更加形象地記錄此部品曾經(jīng)發(fā)生過的重大品質(zhì)問題，讓員工第一時間第一意識去查看相關(guān)部位。

面品質(zhì)問題的發(fā)生源管理

對于沖壓件面品質(zhì)的管理始終是薄板沖壓的難題，由于在沖壓成形過程當(dāng)中，各種細(xì)小的顆粒（一般認(rèn)為直徑大于30μm的硬質(zhì)顆粒）都會造成沖壓件表面的缺陷，由于顆粒小，用肉眼很難區(qū)分顆粒是什么，無法找到顆粒的發(fā)生源頭，就無法進行改善。這里介紹一項豐田沖壓現(xiàn)場員工的創(chuàng)意舉措，利用民用觀測寶石的電子放大鏡，可使異物材質(zhì)一目了然（圖11），改善事半功倍。

表3 對標(biāo)準(zhǔn)品、初品、中品、終品的管理描述

圖8 QC工程圖中的檢查項目部分

圖9 QC工程圖中的檢查頻度部分

圖10 QC工程圖中不良履歷部分

圖11 便攜式電子顯微鏡及拍攝放大后的切粉照片

圖12 異物→改善的經(jīng)驗圖庫

另外，在現(xiàn)場改善的長期積累過程中，現(xiàn)場工作人員還總結(jié)出了一套異物→改善對策的經(jīng)驗庫，如圖12所示。

通過傾向管理預(yù)防開裂

⑴開裂。

在薄板沖壓成形過程中，隨著變形的發(fā)展，材料的承載面積不斷縮小，其應(yīng)變強化效應(yīng)也不斷增加。當(dāng)應(yīng)變強化效應(yīng)的增加能夠補償承載面積縮減時，變形可以穩(wěn)定地進行下去；當(dāng)兩者恰好相等時，變形處于臨界狀態(tài)；當(dāng)應(yīng)變強化效應(yīng)的增加不能補償承載面積縮減，并越過了臨界狀態(tài)時，板料的變形將首先發(fā)生在承載能力弱的位置，繼而發(fā)展成為隱裂，最終導(dǎo)致板料出現(xiàn)破裂現(xiàn)象。

圖13 利用AutoGrid成像設(shè)備在FLD圖中找到容易開裂的部位

⑵極限成形曲線FLD。

根據(jù)破裂的原理，在薄板沖壓過程中的開裂及隱裂可以借助成形極限圖（FLD）進行描述。成形極限圖（FLD）是板料在不同應(yīng)變路徑下局部失穩(wěn)的極限應(yīng)變（工程應(yīng)變或真應(yīng)變）構(gòu)成的條帶形區(qū)域（或曲線FLC），它全面反映了板料從單向拉伸向雙向等拉伸的應(yīng)力作用下板料的成形能力。

⑶利用FLD測試找到最容易開裂的部位。

如圖13所示，導(dǎo)入Autogrid三維成像設(shè)備測試鋼板減薄的FLD曲線。將最容易開裂的部位進行標(biāo)記，根據(jù)沖壓的線性變化特性，只要抽檢最容易開裂的部位。如果最容易開裂的部位不開裂，則判斷制件整體安全。

⑷在線的板厚檢測辦法。

如圖14所示，在生產(chǎn)線上利用超聲波金屬減薄測定儀，對容易開裂的點進行抽檢檢測，并把握傾向性（線性發(fā)展規(guī)律）就能有效預(yù)防開裂。

⑸開裂的預(yù)防效果。

在2013年泰達工廠沖壓車間推行開裂的傾向性管理方法后，開裂的發(fā)生呈遞減趨勢，如圖15所示。

圖14 利用超聲減薄設(shè)備在線檢查板厚變化傾向

未來高品質(zhì)沖壓工藝的展望

眾所周知，豐田公司的崛起受益于上一次大蕭條中選擇了精益管理TPS的模式。在當(dāng)前全球經(jīng)濟低迷，消費下滑的狀況下，眾多的汽車企業(yè)如何在新的一輪洗牌當(dāng)中脫穎而出將取決于各個企業(yè)自己選擇的道路。在沖壓工藝方面，無論是壓機設(shè)備還是自動化裝置將更加專業(yè)化。與此同時，少人化、無人化、互聯(lián)網(wǎng)+、大數(shù)據(jù)、制品ID（每一枚沖壓件都會有自己的生產(chǎn)品質(zhì)履歷），這些變革將會一件一件實現(xiàn)，企業(yè)要做的就是看清行業(yè)發(fā)展的趨勢，并結(jié)合自身特點進行創(chuàng)新。

圖15 導(dǎo)入傾向管理后開裂發(fā)生被控制在目標(biāo)線以下