文/黃湘蘭·廣汽本田汽車有限公司

智能化的生產(chǎn)模式，依賴于最新的信息通訊科技和尖端的制造科技的深入結(jié)合，涵蓋了從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)、從管理到服務(wù)的所有制作過程，并且擁有自我認(rèn)識、自我學(xué)習(xí)、自我決定、自我實(shí)施、自我調(diào)整的特性。

汽車行業(yè)作為中國最大的制造業(yè)之一，已經(jīng)形成了一條龐大的產(chǎn)業(yè)鏈，對于現(xiàn)代國民經(jīng)濟(jì)起著至關(guān)重要的作用。而汽車行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型不僅可以提高汽車制造業(yè)的效率和產(chǎn)出質(zhì)量，還有利于實(shí)現(xiàn)汽車產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級。筆者在汽車車身領(lǐng)域工作多年，主要從車身模具制造方面闡述數(shù)字化、智能制造在沖壓模具設(shè)計(jì)制造環(huán)節(jié)的應(yīng)用。

數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級對汽車制造有重大推進(jìn)作用

數(shù)字化轉(zhuǎn)型為汽車制造帶來了很大改變。在生產(chǎn)效率、質(zhì)量控制、工藝升級、產(chǎn)品設(shè)計(jì)等方面帶來了更全面的升級與優(yōu)化。

⑴生產(chǎn)效率。工廠數(shù)字化、供應(yīng)鏈數(shù)字化、自動化制造等技術(shù)，可以大力提升汽車的生產(chǎn)效率和質(zhì)量。

⑵質(zhì)量控制。通過智能化和數(shù)字化監(jiān)控，可以減小生產(chǎn)誤差率、減少產(chǎn)品不合格率，更好地保證生產(chǎn)過程和產(chǎn)品質(zhì)量的一致性。

⑶工藝升級。汽車工藝在汽車制造中極其重要，數(shù)字化轉(zhuǎn)型可以提升汽車工藝更高級的自動化與信息化。智能化和數(shù)據(jù)化的工廠將成為未來汽車工業(yè)的主流，數(shù)字化車間突破傳統(tǒng)生產(chǎn)的困境，讓每個(gè)人都可以參與質(zhì)量的管理。

⑷產(chǎn)品設(shè)計(jì)。汽車工廠依據(jù)用戶需求進(jìn)行更加個(gè)性化的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)量身定制。

車身模具設(shè)計(jì)制造轉(zhuǎn)型對汽車工業(yè)轉(zhuǎn)型升級有重大推動作用

車身模具設(shè)計(jì)制造周期長的瓶頸

隨著我國社會的不斷發(fā)展，技術(shù)的不斷創(chuàng)新，汽車工業(yè)的快速發(fā)展，沖壓模具每年以20%的增速快速發(fā)展。沖壓件生產(chǎn)效率和成本與車身模具的制造有直接關(guān)系。車身零件模具的開發(fā)約占汽車開發(fā)周期一半以上，在整車開發(fā)周期中占比很大。將數(shù)字化技術(shù)運(yùn)用至沖壓模具設(shè)計(jì)與制造之中，可以大幅提高生產(chǎn)效率，所以利用數(shù)字化技術(shù)提升模具制造效率，縮短設(shè)計(jì)制造周期有重要作用。

傳統(tǒng)模具制造流程如圖1 所示，從工藝流程中可見，傳統(tǒng)模具制造主要是利用軟件進(jìn)行建模，然后根據(jù)三維模型制造鑄件，經(jīng)過機(jī)械加工、鉗工調(diào)試，從而達(dá)到零件精度要求。該期間短則18 個(gè)月，長則24個(gè)月，甚至更長。

圖1 傳統(tǒng)模具制造流程

我們對此痛點(diǎn)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：由于沖壓模具CAE的軟件技術(shù)目前還無法全面、準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)模具設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問題，嚴(yán)重依賴設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)。大幅增加了整體設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)難度，不利于縮短沖壓模具的設(shè)計(jì)工期。雖然為實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)目標(biāo)提供有利條件，但是因?yàn)椴痪邆渲悄芑疉I 等技術(shù)，無法達(dá)到智能決策的要求，對于實(shí)際應(yīng)用還存在較大的差距。

合理運(yùn)用數(shù)字孿生技術(shù)，將模具的結(jié)構(gòu)利用軟件在三維空間中進(jìn)行相應(yīng)的加工與生產(chǎn)模擬。充分考慮到后期調(diào)試過程中存在的反彈、變形等問題，從而減少模具的反復(fù)人工調(diào)試。相當(dāng)于將人工的物理調(diào)試搬移至軟件分析過程，大大縮短模具設(shè)計(jì)制造的周期，同時(shí)也大幅減少后期調(diào)試期間的人財(cái)物的成本投入。

數(shù)字孿生技術(shù)在模具設(shè)計(jì)制造的應(yīng)用

模具設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用主要包括以下幾個(gè)方面。

第一，優(yōu)化模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。對模具的不同設(shè)計(jì)方案進(jìn)行模擬和比較分析，從而找出最優(yōu)的方案并進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

第二，預(yù)測模具的工作狀態(tài)及運(yùn)行情況。通過建立數(shù)字孿生模型，預(yù)測模具在使用過程中的運(yùn)行情況和工作狀態(tài)，減少實(shí)物試制的次數(shù)和試制周期。

第三，進(jìn)行多工況的仿真試驗(yàn)。在虛擬環(huán)境中對模具進(jìn)行多工況的仿真試驗(yàn)，對工作狀態(tài)和性能進(jìn)行準(zhǔn)確評估和測試。

第四，保障模具的安全性和可靠性。在模具設(shè)計(jì)過程中，對成形力的計(jì)算及沖壓工藝嚴(yán)重依賴設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)和知識儲備。如果利用計(jì)算機(jī)孿生技術(shù)，可對模具的結(jié)構(gòu)和性能提前進(jìn)行模擬和分析，在設(shè)計(jì)過程中發(fā)現(xiàn)并解決問題，保障模具的安全性和可靠性。

針對該課題，創(chuàng)建一個(gè)物理汽車模具生產(chǎn)與設(shè)計(jì)仿真的、匹配的數(shù)字孿生模型，包括伺服調(diào)試壓力機(jī)、設(shè)備性能、模具模型、運(yùn)動仿真、材料力學(xué)性能等方面的模型，如圖2 所示。通過對數(shù)字孿生模型進(jìn)行模擬和分析，設(shè)計(jì)部門已可以提前發(fā)現(xiàn)潛在的設(shè)計(jì)缺陷，并進(jìn)行優(yōu)化。此外，數(shù)字孿生還可以實(shí)時(shí)監(jiān)測沖壓模具生產(chǎn)的工作狀態(tài)。使用數(shù)字孿生技術(shù)后，模具上線調(diào)試時(shí)間大幅縮短，模具設(shè)計(jì)周期縮短至12 ～18 個(gè)月內(nèi)。

圖2 汽車模具調(diào)試的數(shù)字孿生模型

車身模具制造成本投入大

車身模具設(shè)計(jì)制造過程中有較大的成本投入，利用數(shù)字化手段可以打造最優(yōu)的QCD 優(yōu)勢，主要可從以下幾個(gè)方面進(jìn)行展開升級。

第一，優(yōu)化工藝。利用數(shù)字化技術(shù)，可對坯料尺寸、余料進(jìn)行優(yōu)化，提高坯料的利用率，優(yōu)化沖壓成形的過程，比如減少沖壓工序數(shù)。減少模具投資、降低存儲場地(租賃費(fèi))等。比如將4 工序零件優(yōu)化成3 工序，可減少1 套模具的投資。圖3 為某車型前門外板沖壓工藝優(yōu)化。

圖3 某車型前門外板沖壓工藝

第二，優(yōu)化結(jié)構(gòu)。除了優(yōu)化工藝和材料的合理選用，對模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化也是降低成本的重要方法。比如：利用數(shù)字孿生技術(shù)(可解決不平衡問題)，在單套模具上實(shí)現(xiàn)多件零件的生產(chǎn)(圖4)，提高單次零件成形數(shù)量，從而降低成本。

圖4 一模多件

車身模具制造過程的數(shù)字化升級

為了滿足當(dāng)前市場對汽車換代的需求，最近幾年模具的需求量急劇增加。在模具制造階段，為滿足日程要求，需要實(shí)現(xiàn)高速加工。高速加工技術(shù)主要是運(yùn)用小切深的、高速進(jìn)給的方式，不僅能夠降低加工表面的粗糙度，更能保證產(chǎn)品的質(zhì)量。再者無需鉗工對模面進(jìn)行反復(fù)打磨與加工，大大降低了員工的工作量。

同時(shí)在實(shí)現(xiàn)高速加工后，還可利用機(jī)器視覺、人工智能AI 技術(shù)，實(shí)現(xiàn)刀具狀態(tài)監(jiān)測、加工質(zhì)量監(jiān)測。

數(shù)字化技術(shù)在生產(chǎn)管理中的應(yīng)用

數(shù)字化管理體系的構(gòu)建

數(shù)字化改變了傳統(tǒng)模具制造的模式。從QCDMES各個(gè)方面實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的數(shù)字化采集、實(shí)現(xiàn)各領(lǐng)域的數(shù)據(jù)共享，充分挖掘數(shù)據(jù)的潛力，產(chǎn)生最大的價(jià)值，從而提升QCD 市場競爭力。

數(shù)據(jù)管理、經(jīng)驗(yàn)管理中的應(yīng)用

在沖壓模具設(shè)計(jì)與制造中，數(shù)字化技術(shù)還可應(yīng)用于數(shù)據(jù)管理、經(jīng)驗(yàn)管理。在模具設(shè)計(jì)過程中，將設(shè)計(jì)、制造的過程數(shù)據(jù)利用數(shù)字化手段予以采集和分析，利用AI 大模型進(jìn)行分析，進(jìn)而優(yōu)化工作流程和步驟，提高效能。另外在數(shù)據(jù)管理上，也相對于傳統(tǒng)紙質(zhì)版數(shù)據(jù)有質(zhì)的提升?？傊?，數(shù)字化可實(shí)現(xiàn)各環(huán)節(jié)信息數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、分析、使用，提升模具設(shè)計(jì)、制造的品質(zhì)、成本、生產(chǎn)周期等優(yōu)勢。

結(jié)束語

綜上所述，沖壓模具設(shè)計(jì)與制造中，合理應(yīng)用數(shù)字化設(shè)計(jì)、數(shù)字化制造、數(shù)字化裝配等技術(shù)，降低制造成本，提升設(shè)計(jì)精度和品質(zhì)，為企業(yè)帶來實(shí)實(shí)在在的經(jīng)濟(jì)效益。