考察德國寶馬模具廠的啟示與思考

文/賀傳軍，王義華·沈陽金杯汽車模具制造有限公司

考察德國寶馬模具廠的啟示與思考

文/賀傳軍，王義華·沈陽金杯汽車模具制造有限公司

2012年10月，受德國寶馬模具廠邀請，筆者前往德國寶馬兩個(gè)模具廠考察學(xué)習(xí)，同時(shí)參觀了第二十二屆漢諾威國際金屬成形技術(shù)展覽會(huì)。參觀學(xué)習(xí)過程中，了解了目前世界最先進(jìn)的模具制造技術(shù)和金屬成形技術(shù)，深深感到我公司與世界先進(jìn)模具企業(yè)的技術(shù)和管理方面的巨大差距，拓展了視野和發(fā)展思路，受益頗深。

寶馬集團(tuán)模具廠廠區(qū)概況

寶馬模具廠（Toolshops at BMW Group），下設(shè)三個(gè)廠區(qū)。

⑴寶馬集團(tuán)慕尼黑模具廠，見圖1。廠區(qū)面積約8200m2，員工總數(shù)210人，產(chǎn)品開發(fā)人員55人，主要從事工程設(shè)計(jì)、工裝制造、熱成形模具制造等。主要設(shè)備，有6臺(tái)2300t調(diào)試壓力機(jī)，5臺(tái)大型加工中心（自動(dòng)換刀系統(tǒng)）。年產(chǎn)模具114套，約3000萬歐元。

圖1 寶馬集團(tuán)慕尼黑模具廠

⑵寶馬集團(tuán)丁戈?duì)柗夷＞邚S，見圖2。廠區(qū)面積，約13000m2，員工總數(shù)300人，沖壓車間的技術(shù)和生產(chǎn)人員55人，主要從事工程設(shè)計(jì)、工裝制造，熱成形模具制造等。主要設(shè)備，7臺(tái)2300t調(diào)試壓力機(jī)，7臺(tái)大型加工中心（自動(dòng)換刀系統(tǒng)），1臺(tái)自動(dòng)變換刀頭的數(shù)控激光熱處理和補(bǔ)焊機(jī)。年產(chǎn)模具245套，約3900萬歐元。

圖2 寶馬集團(tuán)丁戈?duì)柗夷＞邚S

⑶寶馬集團(tuán)艾森納哈（Eisenach）模具廠。廠區(qū)面積，約10300m2，員工總數(shù)230人，從事工程設(shè)計(jì)、模具制造等。主要設(shè)備，7臺(tái)1600t調(diào)試生產(chǎn)壓力機(jī)，3臺(tái)龍門銑床，1臺(tái)高速銑床，均為自動(dòng)換刀系統(tǒng)。

先進(jìn)的管理與技術(shù)水平

筆者本次考察學(xué)習(xí)了慕尼黑和丁戈?duì)柗覂蓚€(gè)工廠，并在技術(shù)、制造的多個(gè)環(huán)節(jié)與慕尼黑工廠技術(shù)主管、企劃主管、制造主管、調(diào)試主管，還有丁戈?duì)柗夜S制造主管等德國專家就技術(shù)、生產(chǎn)及管理方面進(jìn)行了交流。同時(shí)，與寶馬模具廠總經(jīng)理Juraske先生及慕尼黑、丁戈?duì)柗夜S總管Gallenberger先生就下一步雙方合作達(dá)成初步意向。

⑴工廠整體控制在寶馬專用的Proleis規(guī)劃系統(tǒng)下，實(shí)現(xiàn)各環(huán)節(jié)關(guān)聯(lián)，見圖3。工廠特別重視企業(yè)產(chǎn)品策劃，企劃管理的結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)能力規(guī)劃相融合。僅慕尼黑模具廠計(jì)劃部門就有16人，負(fù)責(zé)產(chǎn)能規(guī)劃以及4～5年的長期規(guī)劃（該規(guī)劃越來越細(xì)化），成本控制、質(zhì)量控制也在規(guī)劃之中，采購也是計(jì)劃部門負(fù)責(zé)。每年采購額度1700萬歐元左右，從德國本土、歐洲以及中國采購，年終全面總結(jié)。企劃部與生產(chǎn)管理在一個(gè)辦公場所，充分實(shí)現(xiàn)了企業(yè)產(chǎn)品策劃與生產(chǎn)加工實(shí)際相匹配，規(guī)劃實(shí)施順利實(shí)效。在采購控制系統(tǒng)中，由設(shè)計(jì)部門形成標(biāo)準(zhǔn)件目錄，制定出整體時(shí)間表，車間在生產(chǎn)控制方面制定出符合實(shí)際情況的實(shí)施計(jì)劃，并得出相關(guān)資源利用圖。

圖3 各環(huán)節(jié)關(guān)聯(lián)的組織結(jié)構(gòu)

⑵設(shè)計(jì)方面流程與國內(nèi)常規(guī)流程基本一致，CAE方面主要采用Autoform、Pamstamp、Think3實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度金屬板成形模擬、回彈補(bǔ)償、流程模擬伺服壓力機(jī)和沖程次數(shù)的優(yōu)化。模具結(jié)構(gòu)采用CATIA V5進(jìn)行設(shè)計(jì)，整個(gè)過程標(biāo)準(zhǔn)化率極高。整個(gè)設(shè)計(jì)和編程過程實(shí)現(xiàn)了高度的模板化和自動(dòng)化，見圖4。設(shè)計(jì)大體過程共計(jì)4個(gè)步驟：

圖4 模具從設(shè)計(jì)到加工的技術(shù)流程

①初步設(shè)計(jì)，采用Autoform對產(chǎn)品進(jìn)行初步工藝補(bǔ)充建模，實(shí)施成形模擬、回彈和成形力分析。

②采用CATIA進(jìn)行精細(xì)建模，用Pamstamp、lsdana軟件進(jìn)行工藝模擬和回彈補(bǔ)償，成形表面滑移線和應(yīng)力分析，通過THINK3將回彈補(bǔ)償量值半自動(dòng)地補(bǔ)償?shù)焦に嚁?shù)模上，形成迭代式分析補(bǔ)償和優(yōu)化。

③采用CATIA進(jìn)行模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，應(yīng)用 “模板化”結(jié)構(gòu)，從標(biāo)準(zhǔn)庫中選擇參數(shù)化“模板”。同時(shí)，考慮與壓力設(shè)備的匹配，其中標(biāo)準(zhǔn)件自動(dòng)融入并形成明細(xì)清單或標(biāo)準(zhǔn)件目錄，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)預(yù)定準(zhǔn)備過程的自動(dòng)化。

④將模具數(shù)模輸入到伺服壓力機(jī)模擬系統(tǒng)中模擬，并進(jìn)行優(yōu)化。該系統(tǒng)將真實(shí)的壓力機(jī)組、伺服機(jī)構(gòu)、工作環(huán)境均虛擬化，模擬中將后期實(shí)際工作中可能產(chǎn)生的缺陷提前預(yù)測，通過操作實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)觀察、翻轉(zhuǎn)、放大縮小、干涉顯示報(bào)警等，及時(shí)檢查優(yōu)化改進(jìn)。

⑶機(jī)械制造方面，在Proleis系統(tǒng)下，生產(chǎn)控制臺(tái)實(shí)施動(dòng)態(tài)車間控制（DWS）。產(chǎn)能的綜合配置形成日程表，設(shè)備按計(jì)劃時(shí)間表予以提供，操作者與設(shè)備部門保持著動(dòng)態(tài)溝通，各種產(chǎn)品、工藝及生產(chǎn)數(shù)據(jù)及時(shí)到位，在大屏幕上隨需調(diào)取。模具鑲塊等部件單獨(dú)備好，物流管理規(guī)范高效，材料、標(biāo)準(zhǔn)件等均按編號(hào)分類存放于庫房間并納入數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)中，需調(diào)取時(shí)只要輸入模具編號(hào)，系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別并調(diào)出部件/材料，操作者直接取走。所有運(yùn)送小車均為同一標(biāo)準(zhǔn)，周轉(zhuǎn)箱分成大中小系列，大箱中可裝中箱，中箱中可裝小箱，且設(shè)計(jì)完美，排擺嚴(yán)絲合縫，無任何浪費(fèi)空間。

模具數(shù)控加工采用TEBIS軟件進(jìn)行一鍵式智能編程，已建立形成成熟的實(shí)際加工用刀具庫和數(shù)控編程用刀具庫、數(shù)控機(jī)床庫、加工策略模板（編程刀具選擇、加工參數(shù)設(shè)置等）及建立編程方案庫。針對不同制件（如側(cè)圍、門板、頂蓋、加強(qiáng)梁類件等），建立編程方案庫。編程過程是：

①輸入加工數(shù)模；輸入編程用刀具庫；建立坐標(biāo)系與邊界。

②在編程方案庫中選擇加工方案，設(shè)置自動(dòng)處理加工參數(shù)。

③保存為系統(tǒng)自動(dòng)處理文件，上傳至主機(jī)。

④主機(jī)自動(dòng)完成以下工作，包括：產(chǎn)生并計(jì)算刀具路徑；過切檢查；遵循刀具選擇原則進(jìn)行刀具選擇；刀具路徑碰撞檢查過程中自動(dòng)選擇刀具；根據(jù)刀具參數(shù)自動(dòng)裝載刀具路徑的轉(zhuǎn)速與進(jìn)給；產(chǎn)生清角刀具路徑；自動(dòng)產(chǎn)生輪廓刀具路徑；產(chǎn)生后處理程序；可自動(dòng)對刀具路徑生成補(bǔ)刀刀具路徑；可對部件忽略加工設(shè)置；對部件不等余量設(shè)置加工；記錄加工方案的相關(guān)信息，做到自動(dòng)出刀具清單、程序單、刀具路徑加工位置照片或仿真視頻。

⑤后處理刀路，上傳至數(shù)控機(jī)床服務(wù)器。

數(shù)控具體操作過程是：找正工件；將程序傳至機(jī)床硬盤；操作者啟動(dòng)數(shù)控加工主程序。整個(gè)加工過程中，沒有數(shù)控操作者的人為因素干預(yù)。模具的最終質(zhì)量是由機(jī)床與程序保證的。

模具鑲塊底面的機(jī)器打磨采用研磨機(jī)進(jìn)行，具備速度快、精度好、表面美觀。熱處理采用激光程控表面淬火，補(bǔ)焊采用激光程控熔覆技術(shù)，補(bǔ)焊表面規(guī)整層薄，非常易于加工和打磨，見圖5、6。研配合模機(jī)采用上翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，便于場上維修與打磨，見圖7。寶馬模具的整個(gè)開發(fā)制造流程見圖8，周期已由1995年的30個(gè)月縮短到現(xiàn)在的9個(gè)月，歷史發(fā)展績效見圖9。寶馬模具廠現(xiàn)場情況，如圖10所示。

圖5 研磨機(jī)

圖6 激光程控熔覆技術(shù)

⑷寶馬模具廠還擁有先進(jìn)的內(nèi)高壓模具制造技術(shù)與碳纖維增強(qiáng)材料的模具制造技術(shù)，如圖11所示。目前，碳纖維增強(qiáng)材料主要生產(chǎn)商是日本及美國。近幾年，中國已經(jīng)有部分企業(yè)能夠獨(dú)立生產(chǎn)出較高品質(zhì)的碳纖維材料。碳纖維是一種力學(xué)性能優(yōu)異的新材料，它的比重不到鋼的25%，碳纖維樹脂復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度一般都在3500MPa以上，是鋼的7～9倍，在工程中應(yīng)用前景廣闊。碳纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料，可用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料、電磁屏蔽除電材料以及制造火箭外殼、機(jī)動(dòng)船、汽車板簧、驅(qū)動(dòng)軸等。

⑸熱壓成形車間。熱成形工藝主要是運(yùn)用馬氏體應(yīng)變原理，通過將硼鋼加熱到奧氏體化溫度區(qū)間（大約在900℃），快速輸送到壓機(jī)上，在材料具有很高延展性的時(shí)候沖壓成形，采用水冷卻的模具能保證鋼板在成形時(shí)實(shí)現(xiàn)淬火，得到馬氏體組織。因此，零件具有1500MPa的抗拉強(qiáng)度。熱沖壓不單是簡單的“冷轉(zhuǎn)熱”過程，涉及到了十分復(fù)雜的金屬材料熱—力—相變多物理場耦合和多尺度問題以及熱邊界摩擦非線性力學(xué)問題。

圖7 翻轉(zhuǎn)式研配合模機(jī)

圖8 模具開發(fā)流程

圖9 發(fā)展績效

圖10 寶馬模具廠現(xiàn)場情況

圖11 內(nèi)高壓模具制造

在寶馬工廠觀察到的熱壓成形，其工藝流程是：將高強(qiáng)板制件（A/B柱）在伺服壓力機(jī)上冷壓預(yù)成形，留有一定余量；送到熱壓成形生產(chǎn)線，經(jīng)過一系列的加熱，達(dá)到規(guī)定溫度；由機(jī)械手將其放到熱沖壓壓力機(jī)上成形；機(jī)械手將成形后的沖壓件抬舉至上方，按照來時(shí)路徑反方向經(jīng)過一系列冷卻；制件取出。此時(shí)，制件已經(jīng)實(shí)現(xiàn)金屬組織結(jié)構(gòu)優(yōu)化、應(yīng)力消除，強(qiáng)度提升、形狀穩(wěn)定以及精度提高等。而熱沖壓模具也在工作過程中不斷地進(jìn)行冷卻降溫，確保了模具尺寸精度和強(qiáng)度。