實(shí)現(xiàn)沖壓自動(dòng)線模具廢料零堵塞的精益設(shè)計(jì)研究(上)

文／田卓華，李景德，廖昌林·金琥新能源汽車(chē)(成都)有限公司

張瑞宏·山東舜晟沖壓科技股份有限公司

楊彪，杜金·河北興林車(chē)身制造集團(tuán)有限公司

想要降低沖壓自動(dòng)線停線損失，提高生產(chǎn)效率，需要將改進(jìn)改善工作前移到覆蓋件沖壓工藝設(shè)計(jì)和模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段。廢料堵塞是造成停線的重要場(chǎng)景之一，預(yù)防堵塞較難，尤其需要深厚的技術(shù)底蘊(yùn)。切邊過(guò)程是廢料切斷瞬間，卡滯在上、下刃帶或下刃帶之間，通過(guò)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)刃帶空刀，或采取措施遏制廢料上帶，使廢料快速脫離卡滯，然后設(shè)計(jì)廢料落口開(kāi)度、滑道開(kāi)口、坡度等結(jié)構(gòu)元素。只要偵測(cè)、識(shí)別到堵廢風(fēng)險(xiǎn)，沖壓工藝和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)聯(lián)合發(fā)力與化解就是很輕松的事情了；只要管理到位、勇于擔(dān)當(dāng)、精準(zhǔn)識(shí)別、精益設(shè)計(jì)、持之以恒和不言放棄，實(shí)現(xiàn)修沖模廢料零堵塞的所有不可能一定能變?yōu)榭赡?、進(jìn)而變成現(xiàn)實(shí)。

沖壓自動(dòng)線早已在車(chē)身沖壓廠得到廣泛使用，且隨著人工成本不斷地攀升，自動(dòng)化、智能化、無(wú)人或少人化的生產(chǎn)模式將更為普遍。沖壓自動(dòng)線模式的生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品表面質(zhì)量較穩(wěn)定，深受汽車(chē)廠家青睞。在自動(dòng)沖壓系統(tǒng)中，壓力機(jī)和模具是制約生產(chǎn)效率高低的兩大決定性因素。無(wú)論壓力機(jī)性能如何，車(chē)身覆蓋件尺寸精度及型面質(zhì)量取決于模具質(zhì)量，即取決于沖壓工藝設(shè)計(jì)和模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量。沖壓過(guò)程中工件破裂、廢料堵塞、鐵屑等缺陷是造成沖壓自動(dòng)線效率與產(chǎn)品質(zhì)量下降的主要因素。據(jù)悉，國(guó)內(nèi)某合資品牌沖壓自動(dòng)線設(shè)備利用率已達(dá)到驚人的95%，除了強(qiáng)化模具維護(hù)保養(yǎng)和科學(xué)分解維護(hù)責(zé)任之外，其核心思想是把量產(chǎn)后的產(chǎn)品及模具所表現(xiàn)出的嚴(yán)重質(zhì)量問(wèn)題前移到設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)階段去規(guī)避，當(dāng)然品保也只是做他們力所能及的事，絕不可能大包大攬。

造成停線的四大主要原因：工件破裂或縮頸、鐵屑、毛刺、廢料堵塞。前三項(xiàng)雖然能造成質(zhì)量下降、成本增加，但是在不停線的情況下不至于造成模具損壞。廢料堵塞如果得不到及時(shí)清理，必定造成模具損壞，或者更大的間接損失。本文限于篇幅問(wèn)題，重點(diǎn)分析廢料堵塞場(chǎng)景，以及分析研究在設(shè)計(jì)階段解決堵塞的措施，以期對(duì)沖壓工藝設(shè)計(jì)、模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能有所啟迪和幫助，并最終實(shí)現(xiàn)沖壓自動(dòng)線零堵塞的目標(biāo)。

模具開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)質(zhì)量均質(zhì)化現(xiàn)象

2010 年以后，國(guó)產(chǎn)覆蓋件模具水平提升飛快，成功實(shí)現(xiàn)側(cè)圍及翼子板的國(guó)產(chǎn)替代，但當(dāng)主流模具廠基本處在同一個(gè)水平高度以后，質(zhì)量檔次就拉不開(kāi)，一些缺陷仍然普遍存在。此后便進(jìn)入一個(gè)設(shè)計(jì)質(zhì)量瓶頸期，由于不是個(gè)別現(xiàn)象，自然缺乏攻堅(jiān)克難的信心和力度。

深入分析過(guò)后發(fā)現(xiàn)，一些長(zhǎng)期困擾模具交付周期的問(wèn)題無(wú)非包括制造和設(shè)計(jì)兩大類。其實(shí)制造問(wèn)題較容易解決，只是一些模具廠由于諸多原因，樂(lè)于將制造過(guò)程中的最后一公里轉(zhuǎn)移到?jīng)_壓廠。由于沖壓生產(chǎn)線主要用于供件，非生產(chǎn)時(shí)間只有較短的間歇用于模具的精細(xì)研調(diào)，再加上場(chǎng)地受限、輔助設(shè)備欠缺等條件制約，導(dǎo)致整改周期變得很長(zhǎng)。即使這樣模具廠顧不上那么多，反正模具已經(jīng)出廠，犧牲時(shí)間、成本似乎也值得。還有一些個(gè)別問(wèn)題，處理起來(lái)比較棘手，這些問(wèn)題錯(cuò)綜復(fù)雜，交織在產(chǎn)品、設(shè)計(jì)、制造、板材之中，反正誰(shuí)都有責(zé)、又似乎誰(shuí)也無(wú)責(zé)。

模具交付階段的“堵廢料”就是其中之一，徹底消除的難度很高。有的修沖模偶然堵，整改過(guò)后就件件堵；有時(shí)同一模具會(huì)一批堵數(shù)件，有時(shí)一個(gè)批次幾乎不堵，看上去十分隨機(jī)與毫無(wú)規(guī)律，如不及時(shí)清理堵點(diǎn)，將釀成更大的損失。大量事實(shí)證明，模具驗(yàn)證階段堵廢的改善困難是因工藝定型、結(jié)構(gòu)等所鑄就，受到限制太多，鉗工無(wú)法徹底解決，從而迫切需要前移到設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)階段來(lái)解決。

沖壓作業(yè)方式?jīng)Q定設(shè)計(jì)思維定勢(shì)

20 世紀(jì)九十年代中后期，汽車(chē)制造技術(shù)突飛猛進(jìn)，主機(jī)廠和模具廠一直專注的是沖壓產(chǎn)品質(zhì)量，對(duì)廢料堵塞問(wèn)題不很重視。2010 年以前，大多數(shù)沖壓作業(yè)是手動(dòng)線模式，對(duì)于滑廢的要求不高，開(kāi)發(fā)者自然缺乏深入研究零堵塞的動(dòng)力。手動(dòng)沖壓線要求廢料滑出模體后不落到工作臺(tái)面，如果每沖數(shù)達(dá)到十件及以上需要停線撿取并收集廢料。如遇到廢料卡滯，借揀拾廢料之機(jī)可以順便人工掏取。有人工監(jiān)護(hù)，不至于每次廢料堵塞就一定損壞模具，盡管偶然有因廢料堵塞而造成模具損壞的情況發(fā)生。在一套模具中，廢料卡滯而不下滑只屬于個(gè)別現(xiàn)象，堵點(diǎn)基本固定，操作工比較容易識(shí)別。手動(dòng)沖壓線的作業(yè)要求不高，由于人工揀取廢料而導(dǎo)致停線，從而間歇式?jīng)_壓是習(xí)以為常的事，為了生產(chǎn)有時(shí)也就顧不了那么多了。

2018 ～2019 年，筆者曾調(diào)研某大型沖壓工廠自動(dòng)線堵廢停線的原因。一般全車(chē)身核心覆蓋件的沖壓模具基本由三、四家模具廠承擔(dān)制造，關(guān)于廢料堵塞導(dǎo)致發(fā)生沖壓停線事件，幾乎每個(gè)模具廠的模具都或多或少存在。2010 ～2021 年，從覆蓋件模具開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)評(píng)審過(guò)程中所表露出的無(wú)論是沖壓工藝設(shè)計(jì)，還是模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念及心理定位，都同樣佐證了對(duì)于滑廢的風(fēng)險(xiǎn)研判缺乏深度思考。近年來(lái)隨著自動(dòng)沖壓線的普及，修沖模具滑廢料受阻現(xiàn)象已經(jīng)有所減少，但并沒(méi)有徹底消除。

透析修沖模具廢料堵塞原因

沖壓自動(dòng)線的生產(chǎn)效率主要取決于壓力機(jī)系統(tǒng)和模具，每當(dāng)沖壓自動(dòng)線調(diào)試穩(wěn)定后，沖壓生產(chǎn)效率主要由模具來(lái)決定。廢料堵塞是造成沖壓作業(yè)停線的主要原因之一，而廢料堵塞主要是由以下三種原因?qū)е碌摹?/p>

模具設(shè)計(jì)分階段評(píng)審，錯(cuò)過(guò)了系統(tǒng)改善的最后一個(gè)窗口期

沖壓工藝設(shè)計(jì)主要有規(guī)劃工藝路線、確定沖壓方向、送料方向、定義工序內(nèi)容、布置廢料刀、標(biāo)注排廢方向等內(nèi)容。工藝設(shè)計(jì)只是原則性定義廢料規(guī)格、大體形式、排出方向，唯有模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，方可直觀表達(dá)廢料形式和尺寸、滑道結(jié)構(gòu)、跌落姿態(tài)等情況，才容易識(shí)別廢料下滑是否暢通無(wú)阻。

隨著汽車(chē)市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)愈加激烈，模具開(kāi)發(fā)周期逐步縮短。一些主機(jī)廠在數(shù)模下發(fā)后，首輪提樣時(shí)間為4 ～5 個(gè)月。由于首輪提樣允許不是全序模具件，自然給了一些模具設(shè)計(jì)分階段完成的機(jī)會(huì)，但并不是說(shuō)明主機(jī)廠快速提樣、縮短周期就一定是分階段完成設(shè)計(jì)和評(píng)審的絕佳理由。如果能充分認(rèn)識(shí)到廢料堵塞的復(fù)雜性和高風(fēng)險(xiǎn)性，誰(shuí)都愿意在設(shè)計(jì)階段解決問(wèn)題和徹底杜絕堵塞。

如果沖壓件全序模不能在同一時(shí)間段一氣呵成地完成設(shè)計(jì)，而是分階段供主機(jī)廠評(píng)審，并且評(píng)審修沖模之前成形類模具就已經(jīng)投鑄，這是錯(cuò)過(guò)在圖紙階段改進(jìn)改善的主要原因。修邊沖孔?？梢苑蛛A段或滯后投鑄，但一定不要滯后于設(shè)計(jì)評(píng)審。

滑廢料缺乏設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

符合標(biāo)準(zhǔn)且廢料不下滑，其本質(zhì)是標(biāo)準(zhǔn)需要與時(shí)俱進(jìn)。雖然沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)師的思路可盡情發(fā)揮或參照舊的結(jié)構(gòu)，豈不知標(biāo)桿設(shè)計(jì)中可能就存在廢料堵塞的問(wèn)題，導(dǎo)致借鑒時(shí)將成就和遺憾一并吸收。如果現(xiàn)在還沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)，可以先建立一兩個(gè)典型案例，圖文并茂地把案例講清楚、改明白，自然就形成自主標(biāo)準(zhǔn)的雛形。

標(biāo)準(zhǔn)不但需要把滑道系統(tǒng)的主要元素描述清楚，而且要有底線和天花板。如果按照標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)后出現(xiàn)偶然堵、或堵的頻次較高，這個(gè)時(shí)候需要證明為什么標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)了，可還是“不標(biāo)準(zhǔn)”。只要繼續(xù)探索、追蹤，一定能發(fā)現(xiàn)些許可供改進(jìn)改善的元素，以資補(bǔ)充、完善標(biāo)準(zhǔn)條款。標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)與時(shí)俱進(jìn)的，不斷完善修訂的過(guò)程，通過(guò)一兩次類似開(kāi)發(fā)，就會(huì)搞明白一切的。

滑道是一個(gè)動(dòng)、靜態(tài)系統(tǒng)，靜態(tài)結(jié)構(gòu)由廢料形狀、尺寸、滑道豎井深度（廣義指沖壓方向廢料跌落深度）、落入開(kāi)口、滑板角度等構(gòu)成；動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)由剪切速度、廢料動(dòng)能大小、廢料應(yīng)力釋放、脫離模體瞬間姿態(tài)、觸滑板姿態(tài)等構(gòu)成。

修沖廢料的形狀、大小、重量、邊線等千變?nèi)f化，跌落至滑板的高度有深有淺，滑板坡度有大有小，要在較短的時(shí)間建立起所有廢料滑道標(biāo)準(zhǔn)相當(dāng)困難，可以重點(diǎn)鎖定個(gè)別導(dǎo)致停線的復(fù)雜廢料，諸如正側(cè)交刀＋刃對(duì)背，側(cè)滑廢料＋廢料端頭為空間曲線等。對(duì)于復(fù)雜的廢料排放，初學(xué)者容易按照常規(guī)廢料來(lái)處理，模具驗(yàn)證證明：側(cè)滑、側(cè)修、刃對(duì)背、曲面廢料等4種最難排放，并且一旦模具鑄就后幾乎無(wú)法改造。圖1 為某修邊廢料堵塞場(chǎng)景，可以看出改造的約束較多，只可治標(biāo)不可治本。

圖1 某修邊廢料堵塞場(chǎng)景

還有人士擔(dān)心標(biāo)準(zhǔn)約束了設(shè)計(jì)者的思路，會(huì)不利于創(chuàng)新，所以才一直不建立或不完善設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。其實(shí)這是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的誤解，標(biāo)準(zhǔn)從來(lái)不曾制約創(chuàng)新，標(biāo)準(zhǔn)可以修訂和不斷地完善，如果有比現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中更好的結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證確認(rèn)后可隨時(shí)補(bǔ)充或更新進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)里。

廢料下滑虛擬分析軟件亟待提高

在設(shè)計(jì)評(píng)審階段，常見(jiàn)虛擬演示結(jié)果中廢料的下滑暢通無(wú)阻、干凈利落，即使是高風(fēng)險(xiǎn)廢料，虛擬分析結(jié)果也可能顯示廢料下滑十分流暢。事實(shí)證明許多只是假象，主要有以下5 個(gè)方面原因。

⑴廢料不是剛體，但軟件錯(cuò)誤地把廢料視為剛體。正常情況下，當(dāng)廢料被切斷并與母體分離后，由于重力作用自由落體式跌落、下滑，如果滑道開(kāi)口小于廢料尺寸就會(huì)造成受阻。事實(shí)上，當(dāng)廢料被切斷后也可能由于應(yīng)力釋放而抱緊模體，但這些卻被軟件忽略了。

⑵虛擬與現(xiàn)實(shí)有差別，模具實(shí)體的廢料道的結(jié)構(gòu)尺寸可能與軟件中模擬出的理想結(jié)構(gòu)差別較大。

⑶修切邊與模體之間存在粘連，軟件分析時(shí)忽視了廢料毛刺與模具的粘連作用。

⑷軟件分析忽略了廢料與刃帶的摩擦力，刃對(duì)背廢料刀上帶廢料模擬不出來(lái)。在此，應(yīng)該辯證地看待上帶：如果不過(guò)橋，上帶有利于下滑；如果過(guò)橋，上帶可能被橋體內(nèi)邊緣絆住。具體解決方法下面會(huì)有詳述。

⑸未充分考慮到廢料初速度，修切速度附加廢料的動(dòng)能及旁逸斜出也被忽視。

實(shí)體修切廢料要遠(yuǎn)比虛擬模態(tài)復(fù)雜得多，例如拉延補(bǔ)充邊型面本身有殘余應(yīng)力、邊線有凸耳、正側(cè)交刀有二次變形等情況，這些都會(huì)使廢料分離母體后容易抱住下模刃帶，或在上下刃帶間卡滯，從而失去下沖的機(jī)會(huì)，動(dòng)能遠(yuǎn)不及虛擬世界那么強(qiáng)烈、那么一瀉千里。

軟件系統(tǒng)升級(jí)之前，唯有借助實(shí)體堵塞場(chǎng)景來(lái)研究和找到堵點(diǎn)原因，解決問(wèn)題才會(huì)是非常簡(jiǎn)單的事情。

實(shí)現(xiàn)沖壓自動(dòng)線零堵塞

將目標(biāo)分解、轉(zhuǎn)化為設(shè)計(jì)師的語(yǔ)言、模具設(shè)計(jì)參數(shù)和技術(shù)要求，充分在設(shè)計(jì)中踐行才有可能實(shí)現(xiàn)零堵塞的目標(biāo)。

依據(jù)相關(guān)報(bào)道，北京某沖壓工廠的自動(dòng)線設(shè)備利用率已經(jīng)達(dá)到95%，其中自然少不了模具品保在維護(hù)保養(yǎng)方面的貢獻(xiàn)，品保一直在努力做他們力所能及的事，然而北京某沖壓工廠是將破裂吸頸、廢料堵塞等缺陷前移到設(shè)計(jì)階段實(shí)現(xiàn)的，這個(gè)案例說(shuō)明“廢料零堵塞”是可以實(shí)現(xiàn)的，目前解決廢料堵塞主要有四條途徑。

建立模具品質(zhì)設(shè)計(jì)責(zé)任制

模具的質(zhì)量和成本是設(shè)計(jì)出來(lái)的，制造、調(diào)試、使用等都是在竭盡全力追求、逼近、轉(zhuǎn)化、體現(xiàn)設(shè)計(jì)師的美好意圖。

模具預(yù)驗(yàn)證、交付驗(yàn)證、量產(chǎn)驗(yàn)證表現(xiàn)出的主要問(wèn)題，諸如廢料堵塞、破裂吸頸等均與設(shè)計(jì)績(jī)效掛鉤、與年終獎(jiǎng)掛鉤、與勞動(dòng)模范評(píng)選表彰掛鉤。

如果當(dāng)復(fù)雜覆蓋件，例如側(cè)圍、翼子板量產(chǎn)驗(yàn)證三個(gè)批次不堵塞，預(yù)驗(yàn)證、交付驗(yàn)證幾乎不堵，一定要重獎(jiǎng)設(shè)計(jì)師及小組人員。獎(jiǎng)勵(lì)基數(shù)可以為昔日類似產(chǎn)品模具交付周期內(nèi)交付鉗工的工資總數(shù)，也可按一定比例兌現(xiàn)。

執(zhí)行此項(xiàng)制度的初衷是壓實(shí)設(shè)計(jì)師的責(zé)任擔(dān)當(dāng)與提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)廢料零堵塞，但一定要注意節(jié)奏、力度：如果是在復(fù)雜覆蓋件首次出現(xiàn)堵塞，不要急著兌現(xiàn)負(fù)激勵(lì)，可以先分析原因、列入公關(guān)項(xiàng)目；如果是在第二次類似產(chǎn)品出現(xiàn)堵塞，可以兌現(xiàn)負(fù)激勵(lì)；特別對(duì)于學(xué)徒設(shè)計(jì)，當(dāng)前兩次出現(xiàn)堵塞缺陷不要急著兌現(xiàn)負(fù)激勵(lì)，可先考核指導(dǎo)老師，如校對(duì)、審核、批準(zhǔn)等。

深入研究廢料堵塞場(chǎng)景

在設(shè)計(jì)階段能夠識(shí)別廢料堵塞風(fēng)險(xiǎn)的基礎(chǔ)是大量研讀廢料堵塞的第一現(xiàn)場(chǎng)，必須親歷親為，不能只是道聽(tīng)途說(shuō)。首先，對(duì)于同一件事物，由于每個(gè)人的成長(zhǎng)閱歷、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題等的能力不同，觀點(diǎn)也往往會(huì)不一樣。例如，在量產(chǎn)階段有些廢料不是每件都堵，可能只有百分之一二、或千分之一二，所以要有量的積累，有耐心。其次，每當(dāng)碰到第一次廢料堵塞，它會(huì)告訴你堵塞的可能原因，諸如滑道坡度低、滑道開(kāi)口小、廢料上帶、廢料傾斜翻轉(zhuǎn)等，但這些個(gè)“可能原因”，單憑肉眼觀察經(jīng)?？床煌暾?。廢料從被切斷瞬間到被堵的中間過(guò)程，一般無(wú)法被目視到，只能通過(guò)分析廢料形狀、斷口毛刺、廢料變形等以此來(lái)作推斷，除非使用高速攝像機(jī)拍攝。

總之，改進(jìn)需要的是多策并舉、系統(tǒng)治理，有時(shí)可能改變了滑道開(kāi)口，但不改變背空、不阻止或減緩上帶，只能降低風(fēng)險(xiǎn)，卻不能杜絕風(fēng)險(xiǎn)。

模具設(shè)計(jì)和評(píng)審全序化推進(jìn)

提供評(píng)審的模具圖必須是全序模，設(shè)計(jì)和會(huì)簽一氣呵成。如果因?yàn)樵O(shè)計(jì)資源問(wèn)題不能同時(shí)會(huì)審，起碼在模具鑄件投鑄前，修沖類模具會(huì)簽必須關(guān)閉。開(kāi)發(fā)者需要采取措施擴(kuò)充設(shè)計(jì)資源，開(kāi)展全序化設(shè)計(jì)，不能因此而滯后提樣和開(kāi)發(fā)周期。

補(bǔ)充完善沖壓設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

初建標(biāo)準(zhǔn)未必能夠精準(zhǔn)、完整、詳細(xì)。在設(shè)計(jì)實(shí)踐中遇到問(wèn)題要不斷補(bǔ)充、日臻完善，直到某一天只有嚴(yán)格執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)廢料才不堵塞，偏離標(biāo)準(zhǔn)就堵塞。

修邊廢料的形態(tài)、大小各異，不太可能做到面面俱到，需要梳理分類、建立廢料下滑道結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)。事實(shí)上，每一套或每一批模具中總有個(gè)別廢料不下滑，只要將典型事件研究透徹，就能逐步實(shí)現(xiàn)、確保零堵塞。

可以劃分典型覆蓋件廢料的形式（概略指出相對(duì)滑廢風(fēng)險(xiǎn)的高低）：

⑴按修切廢料位置分為拉延補(bǔ)充邊廢料、封閉邊廢料兩大類，后者堵塞的風(fēng)險(xiǎn)較大。

⑵按照拉延補(bǔ)充特征，補(bǔ)充邊分為基本平板廢料端口、“S”形曲面廢料端口，后者易堵塞。

⑶按照廢料刀布局形式，分刃對(duì)背廢料、刃對(duì)刃廢料、背對(duì)背廢料三類。需要重點(diǎn)考慮刃對(duì)背、背對(duì)背廢料：背對(duì)背極少，僅設(shè)計(jì)在角部，且廢料重心遠(yuǎn)離支點(diǎn)聯(lián)線，側(cè)修背對(duì)背比正修風(fēng)險(xiǎn)大。

⑷按照廢料滑道布局形式，分模具前后側(cè)廢料下滑、模具左右側(cè)廢料下滑，后者相對(duì)前者易堵。

⑸按修切方向，分側(cè)修邊廢料和正修邊廢料，側(cè)修邊廢料易堵。

當(dāng)然還有別的形式及以上情況的復(fù)合形式，這里不再一一展開(kāi)。