试制是按照设计要求将设计方案由图纸转换为实车来验证设计的正确性、符合性,并暴露存在可装配性、符合性等各类问题和结构、整车匹配的优化性建议,反馈给设计部门进行修改后的实物再次验证,直至闭环为止,确保向生产线输出正确的图纸。

 

在汽车试制过程中,降低试制的成本,建立科学合理的整车试制验证流程具有非常重要的意义。本文根据作者的工作经验,讲述降低试制降本,并用实际案例进行分析。

 

1、试制成本概述

在了解如何降低试制成本之前,我们需要对试制过程中需要成本的设备、流程等作出具体的了解。

 

试制工作的主要成本构成有:工装设备(包括现有工装、夹具、检具、设备改制、设备投入)、物料零件(装车件、备件、辅料、物流仓储运输等)、人力工时(车辆装配时的工艺制定、组装车辆、问题处理工时,以及设计开发工时包括工装开发验证、委外支持工时等)

 

所有试制过程中的要用到的费用大概分为以下几个方面:

 

材料费:指完成零部件或者工装夹具等所消耗的原材料费用。材料费=材料单价 x 材料消耗量

 

工艺处理费:为满足试制产品技术条件要求采用的工艺措施所发生的费用,主要包括材料热处理、表面处理、材料检验等。工艺处理费=计费单价 x 计费数量

 

工时费:是指完成零部件或者工装夹具制造所发生的加工费及人工费

工时费=加工费+操作人工费

加工费=设备台时 x 加工工时

人工费=人工成本 x 人工工时

 

管理费:供应商为组织和管理试制产品相关的生产经营活动而发生的各项费用,主要包括生产管理费、财务管理费、服务费、包装费、运输费。

 

工艺设计费:是完成零部件试制过程中所产生的技术支持费用,主要包括模具设计、夹具设计工艺分析、工艺设计等费用。工艺设计费=人工成本 x 人工工时。

 

利润:供应商供货价格扣除管理费和生产成本的余额利润=(材料费+工时费+工艺设计费+工艺处理费)x10%

 

试制的大致车辆数目

 

 

通常来说试制单车成本是量产 3-10 倍,最简单最直观的降 本点是:减少样车 数量,最大化利用车辆, 提升试制产能,留给验证充分时间。

 

2、试制成本优化思路

最优的人力资源(提升装配速度、确保装配质量)

试制人员有完善的培训体系支撑,过硬的技术水平,具备现场质量控制知识、经验丰富。

 

能够识别特殊工序操作、具备专业的知识和操作技能,特殊岗位持证上岗。

 

严格遵守公司制度和严格按照工艺文件操作,对工作和质量认真负责。

 

检验人员能严格按工艺规程和检验指导书进行检验,做好检验原始记录,并按规定报送。

 

最优的工装夹具设备(提升装配效率,较少人力工时)

 

有完整的设备管理办法,包括设备的购置、流转、维护、保养、检定等均有明确规定。

 

合理开发通用型工装夹具,减少新项目中工装夹具设备的开发成本

 

检验设备、工装工具、计量器等均符合工艺规程要求,能满足工序能力要求,加工条件若随时间变化能及时采取调整和补偿,保证质量,确保随时处于完好状态和受控制。

 

最优的试制环境

有试制现场安全、环境、卫生方面的管理制度。

 

材料、工装、夹具等均定制整齐存放。

 

最优的物料操控方式(提升配送效率,减少仓储周转成本)

有明确可行的物料采购、仓储、运输、质检等方面的管理制度,并严格执行。

具备样件验证,入库、保管、标识、发放制度,并认真执行,严格控制质量。

对自制件、不合格品进行有效的流程管控,物料信息管理有效,质量问题可追溯。

 

最优的工艺工序及质量管控流程(提升装配效率,提高装配质量)

工序流程布局科学合理,能保证试制装配节拍和质量,具备正规有效质量控制办法和工艺操作文件。

 

能区分关键工序、特殊工序和一般工序,有效确立工序质量控制点,对工序和控制点能标识清楚。

 

主要工序都有工艺规程或者作业指导书,工艺文件对人员、工装、设备、操作方法、生产环境、过程参数等提出具体的技术要求。

 

最优的质量检查与反馈(提升装配质量,减少装配返工)

及时有效的问题发现、调查、解决、关闭流程,确保试制顺利开展。

 

规定工艺质量标准,明确技术要求,检验项目、指标、方法、频次、仪器等要求,并在工序流程中合理设置检验点,编制检验流程。

 

严格控制不合格品,对返修、返工能追踪记录,明确处理流程。

 

3、试制降本实例

1.3D 打印机的应用

汽车行业是 3D 打印技术最早的应用领域之一,近年来,许多前沿汽车制造企业已经将 3D 打印技术应用于汽车研发过程。

 

3D 打印技术在汽车塑料件的开发过程中,极大地缩短了零件的试制周期,使得零件研发周期大大缩短。同时,3D 打印在制造汽车改装部件上变得更加快速、灵活和经济,尤其是针对试制需求。相比之下,传统的注射成型工艺就显得“臃肿”了许多, 因为它不但需要开发额外的工具,而且会造成大量的材料浪费和库存堆积。我们以某车型后排吹脚风道为例:

 

 

采用 PLS 技术(Plastic Laser  Sintering,选择性激光烧结)制作的样件具有良好的强度和优异的抗冲击 性能,并且能够实现快速修改设计方案幵反复大量迭代,在确保原型产品设计质量的同时,大大缩短了产品设计和原型开发所需的时间,提高了研发效率,降低研发成本,缩短开发周期。

 

2. 无模金属板料成形(单点渐进式成形)

无模金属板料的成形技术是国际上一种先迕的柔性加工工艺。该工艺不需要专用模具,具有生产周期短、成本低的优点;若采用无模金属板料成形技术,则在一台高度柔性化的设备上,在很短时间内就能完成多种覆盖件的加工, 无疑将节省巨额的模具投入,显著缩短新车型的开发周期。 

 

无模金属板料的成形技术适合试制车、概念车、豪华车以及改装车等个性化的产品试制。

 

图:无模板料成形加工实例

 

其技术原理是将复杂的三维数字模型沿高度方向分层,形成一系列断面二维数据,并根据这些断面轮廓数据,从顶层开始逐层对板材行进局部的塑性加工。即在计算机控制下,安装在三轴联动的数控成形机床上的成形压头, 先走到模型的顶部设定位置,对板材压下设定的压下量,然后按照第一层断面轮廓,以等高线的方式,对板材施行渐进塑性加工。在模型顶部板材加工面形成第一层轮廓曲面后,成形压头再压下一个设定高度,沿第二层断面轮廓运动,并形成第二层轮廓曲面,如此重复直到整个工件成形完毕 。

 

无模成形方法不软模成形技术对比:

 

 

无模成形方法不软模成形技术对比:大幅度降低对模具的依赖,样件制造快捷而价廉;数字化设计更易于修改;易于三轰(2.5)数控实现;可成形 0.1~4 毗米的大部分材料,包括碳钢,不锈钢,铝,钛板及金属网。

 

4、冲压成本优化

汽车车身由各种各样的钣金件通过焊装焊接而成,而这些零件基本都是通过冲压生产的。在一台汽车上,60%以上的零部件都是冲压件。在冲压件的成本中,材料费用一般占到 60%以上。因此,探认汽车冲压方面的成本控制措施,选择合适的冲压工艺、不断优化模具机构、合理选择模具材料和在模具开发上充分考虑材料利用率等,对整车成本控制具有十分重要的意义。

 

1. 冲压工艺选择

合理设计冲压工

合理设计冲压工序,使其达到结构最好、工序最少,例如:某公司某车型右侧围模具为 5 个工 序(丌包括落料模),共 10 副模具,而新开发 的两款车型,左、右侧围模具只有 4 个工序(丌 包括落料模),共 8 副模具。在合理拆分冲压工序后,减少了两副模具的开发成本。从生产方 面来说,减少两副模具后,大大提高了生产效率,事半功倍。

 

采用联合安装方式

联合安装的操作方式就是在同一副模具内,完成两个或者两个以上工序内容的作业方式,例如:某车型中加油口盒共有 5 副模具,如果连线生产就需要占用 5 台机床来 满足其要求。为了提高生产效率,减少对机床的占用, 将后 3 副模具采用联合安装的方式,组合拼装在同一副模具上。

 

联合安装的作业方式,一般常用亍中、小型冲压件,大型件、外板件等产品表面质量要求高的零件不建议采用。

 

拉延模上安装废料切刀的工艺方案

减少冲压工序是控制冲压成本的一个重要途径。减少工序有多种方法,在拉延模上安装废料切刀就是其中之一。一些工件型面复杂,落差较大,成形困难,如果直接用整块板料成形可能 难度较大。如果开发落料模,不但增加模具投入,而且也增加了工序,从经济性角度考虑不合适。在工艺设计上可以考虑在拉伸废料上切 角,这样既可保证拉延成形,减少一副模具, 又可以提高经济性。

 

这种方法常用于汽车冲压 件车门内、外板的拉延模上。

 

尽量实现左、右件共模生产

 

 

采用左、右件共模生产丌但更利亍材料的成形, 重要的是要比单件生产更能发挥节材效能。采用左、右件分别拉伸成形,材料利用率为 26.8%, 采用左、右件共模拉伸,材料利用率达到 33.5%, 相比高出 6.7%,每生产一件(左或右)要少消耗 材料 2.8kg,少开发 5 套模具,减少了工序数,降低了设备及人员的占用和资源消耗等。从成本控制的角度来看,两种方案的优劣比较明显。

 

2. 模具结构的设计

不断优化、简化模具结构

一般情况下,模具结构越复杂,加工难度越大,制造成本越高, 相应的价格也高。如果能在保证使用要求的前提下,不断优化甚至简化模具结构,那么模具的制造成本就可能降低,从而适当降低模具的开发成本。

 

针对目前的模具结构,有以下措施可以考虑:模具上的刚性存放块,改为空心、管状的存放块,避免在生产中遗忘拿下,而损坏模具铸件,甚至导致模具报废的事情 发生;改进模具上不必要的进、出料托架,在设计时充分考虑生产中是否实用;部分模具废料刀数量过多,切出的废料尺寸过小, 直接影响操作工捡废料的生产效率,多出来的废料刀模具导致成本也提高了,间接影响模具的开发成本控制。

 

提高国内模具铸件质量

中国大陆主流模具结构的主筋为 45mm,而台湾模具公司模具主筋厚度为 40mm。当今日本宫谨、富士和荻原等一些模具企业的模具的主筋厚度仅为 35mm。不国内主流模具相比较,模具结构内主筋 的厚度相差 10mm,这就意味着设计出一副大型侧围模具的质量相差几吨。影响主筋厚度的不是设计水平,而是目前国内的铸件质量赶不上韩国、日本等国。考虑到模具整体强度以及寿命等方面, 目前国内铸件主筋的厚度为 45mm。

 

提高落料模的通用性

在车型进行的冲压节料改迕中,考虑到同类对称的零件有大致相近的曲线外形,在落料模的开发上,充分考虑通用性,分别针对对称和非对称弧形板料,可以实现一副落料模完成几个零件的落料,只需调整定位即可。

 

需要注意的是,采用通用落料的零件应 考虑到材质和料厚的因素。具体情况如下:相同料厚、相同材质 的零件可以实现落料模共用;相同料厚、相同材质而外形尺寸相似或者相近的零件可以通过调整定位来实现落料模共用;不同料厚不能实现落料模共用。

 

凹凸模模仁优化

凸模模仁与模座做成两种材质,凹模模仁与模座采用镶块结构。为了降低模具的开发成本,通常情冴下,可以把拉延模的凸模模仁和模座分成两部分来浇铸 。凸 模 模 仁采 用 钼 铬 铸 铁 (GM246),模座采用 FC30 材质。拉延模的凹模和压边圈都是由镶块和模座两部分构成。凹模模仁、压边圈的压料面采用镶块 SKD11 , 模 座 采 用 FC30 材 质 。因 为 FC30 材 质 比 GM246 和 SKD11 便宜很多,每吨相差数千乃至上万元。在不影响模具强度 的情冴下,把两者拼装起来,组成凸模,模具的制作成本大大降低,维修也方便。

 

3. 材料选择和利用率控制

合理选择模具材料

模具材料的选择要坚持保证在使用前提下的低价原则。在材料选择上,并非材料越高档越好。材料档次过高, 一般意味着价格越高,模具、新车的开发成本也越高, 而且还关系到如何合理确定冲压生产纲领。

 

使用寿命的要求直接影响到模具的结构设计及材料选择。一般要求模具的使用寿命为 50 万冲次,但在目前多品种、中小批 量生产的市场销售形势下,模具使用寿命继续按 50 万冲次的要求是否合理值得重新考虑,降低为 40 万冲次甚至 30 万冲次也在考虑之中。

 

丰田公司的拉延模材料主要采 用球墨铸铁(KSCD-800IS),而且是目前国内流行的合金铸铁(GM246),丰田公司从成本控制方面考虑所做 的恰当选择,其原因在亍球墨铸铁的焊接性能和可加工 性能好,耐磨性能和表面淬火硬度都比较理想,成本却比合金铸铁要低得多。考虑到铸钢成本高,丰田公司采用基体不刃口一体化的铸铁材料作修边模,使模具的机 加工成本大大降低。铸铁整体刃口只需经表面火焰淬火, 就可直接用亍几十万次寿命的薄板料修边模。

 

减小压料面

在模具设计开发中,减小板材消耗的思路之一就是尽量减小拉伸压料面的尺寸,尽量不布置模具的拉延筋或拉延槛;必须布置时,尽可能靠近零件的修边线,以减小模具外廓尺寸,增加材料利用率。

 

 

举例:上图中,左、右侧围上边框主加强板拉延序拉伸筋所占余量多,导致后序修边冲孔料边很多,经现场试模调整(板材尺寸宽度 方向缩小 30mm),试制后料边最小处为 10mm,不影响该件的成形和修边质量 。同 时 将 材 料 规 格 由 1.50mm×1500.00mm×300.00mm 改为 1.50mm×1500.00mm×270.00mm , 拉延模宽度方向定位由 300.00mm 调整为 270.00mm。

 

更改前材料利用率是 31.89%,更改 后材料利用率为 35.44%,两个件更改后比更改前单台节约用料 1.06kg。该零件现在材料宽度方向已经更改到了极限,如果换一种思维,在设计模具时把左、右侧围上边框主加强板左、右共模生产, 则材料浪费会更少,材料利用率将更高。

 

合理设计零部件落料的排样方法

排样是指零件或毛坯在条料、板料上的布置方法。在落料模设计时必须考虑到零件的排样,排样方法是否合理,不仅影响模具结构,最重要的是影响材料利用率。

 

 

举例:上图中,对左、右 A 柱内板下段板的落料模料片的 3 种排样方案进行比较,很明显,在材料利用率上方案 A 比丌上方案 B 和方案 C。而通过计算进行比较,放大计算 100 个料片所需 要的板材重量,可以得知方案 C 优于方案 B,方案 C 的材料利用率高于方案 B。

 

4. 其他成本优化技术

虚拟装配

是利用 VR 和 AI 技术在没有实物 装车的情冴下,进行部分工艺 验证工程样车功能验证,适用于工程样车验证。

 

当下最流行的就是虚拟技术不人工智能,不久的将来,设计验证阶段的车就丌需要试制,仅仅用 VR 模拟装配通过 AI 自动 校核,从而达到设计验证的目的。同样,技师培训也可以通 过 VR 方便很多。某美系公司 VR 开发部门的 Immersion Lab。设计师利用 VR 技术检查汽车的外观不内饰设计,可设置各种模拟境,例如暴晒等,观察车辆外观的变化情况某德系车企 迪的“虚拟装配线校检”技术利用 3D 投射和手势控制,使工人在三维虚拟空间内完成对实际产品装配工作的预估和校准。

 

锌系磷化的替 代 -TecTalis 氧 化锆转化膜

即采用一种表面处理剂对金属 表面迕行处理。该技术具有良 好的化学不热稳定性,近年来 倍受关注。适用于汽车喷涂的前处理。

 

1、具有较高的耐腐蚀性可比拟三元低锌磷化(但底材为冷轧板时,耐腐蚀性低亍传统三元低锌磷化)。2、工艺参数均实现自动化,无需手工操作。3、可减少 10 % 以上的工艺成本。4、降低能源消耗,减少废弃物、有害重金属和 CO2 的排放。5、工艺流程简短、成膜速率较快,一般形成完整的膜只需 30s 左右处理,产能得到提升。