豐田汽車公司的模具設計與制造技術是世界一流水平，它的管理和技術有許多獨到之處。就豐田模具生產制造技術作初步的探討。這些內容對急待改進生產方式、推進科學管理和提高制造技術水平的國內汽車模具同行，可能會有一些借鑒和啟發(fā)。

一． 豐田模具制造技術

近十年來本人曾在日本多家模具制造廠進行過較為深入的學習和考察，先后累計時間達6個多月。對比以后發(fā)現(xiàn)，豐田的模具技術在日本的模具廠家中也是十分突出的，無論是能力、效率及技術都不愧為世界一流水平。通過對豐田的了解我們可以看到，世界汽車模具制造技術正在向這些方向發(fā)展：計算機前的操作逐步代替現(xiàn)場操作，以高精度加工代替人的手工勞動，模具的設計、制造高度標準化，單件生產方式向流水線式生產方式發(fā)展等等。結合我們國內的模具制造情況，豐田在以下一些地方與我們有很大的不同，值得我們很好的借鑒。

01
沖壓工藝設計
Ⅰ.精細的模面設計
我們常說的模具設計實際上分為三個部分：沖壓工藝設計、模面設計和結構設計。這三種設計的內容和側重點是完全不同的，豐田的工作流程為先有沖壓工藝設計然后指導模面設計和模具結構設計，分別由不同的人來做，專業(yè)分工很明確。傳統(tǒng)的沖壓工藝設計采用工序圖或是dl圖，它的模面設計是非常粗略的，以這樣的圖紙指導下的工藝造型，必須在后序靠人工修整、制造工藝禰補，造成模具制造的人工鉗修量很大、周期延長。豐田在設計階段通過計算機的曲面造型，完成模面的精細設計。比如：針對進料量不同設計各種拉延筋，同一套模不同部位的拉延筋截面不同，防回彈、過拉延處理，最小壓料面設計，凸凹模不等間隙設計等等。精細模面設計的結果，可以極大的減少型面加工，減少鉗修，減少試模工時，它的作用非同小可。
對比之下，國內的模具設計還停留在結構設計階段，模面設計沒有受到很好的重視，模面實際上是靠后天完成，模具設計的落后造成了制造的落后，也就毫不奇怪了。
Ⅱ.板料成型分析技術應用情況
豐田公司從5-6年前，開始應用有限元法做計算機模擬板料成型分析，主要應用的解算軟件為美國的dyna3d，他們經(jīng)過了近三年的努力才達到實用水平。目前，豐田建立了一個整車身各種典型件的分析結果庫。對一個新車型的件，如果成型性沒有太大的變化，只是參考原工藝不做分析，只有特殊的新造型才做板料成型分析。豐田的新車要做樣車，對造型特殊的件除了做板料成型分析外一般還要做簡易模進行驗證。因此，豐田人認為目前板料成型分析還不是一件必需的、簡單的事，無論是周期還是成本都有很大代價。
本人認為，豐田的車型開發(fā)量很大，車型之間變化不大、類似件很多，又積累了豐富的人的經(jīng)驗，板料成型分析確實用武之地不多，建立一個分析結果庫是一個好方法（日本富士模具公司也是這么做的）。反觀國內現(xiàn)狀，一方面模具廠專業(yè)分工很低，各種件都會遇到，難有現(xiàn)成經(jīng)驗，似乎更需要板料成型技術。另一方面，技術水平低支持環(huán)境差（如：板料參數(shù)、摩擦系數(shù)等難掌握），模具廠應用起來，要達到實用（不講效果、不計代價的研究不算）也是非常困難的。即使是成立專業(yè)分析公司，考慮用戶數(shù)量、周期、價格等因素，恐怕也曲高和寡。目前，這項技術在國內的實際應用效果還難有定論。
Ⅲ.模面設計經(jīng)驗積累機制
豐田的設計部門除手工勾畫草圖以外，設計已全部計算機化，一般設計人員除一臺工作站外還有一臺筆記本電腦。但，真正創(chuàng)造性的設計還是靠人腦，特別是靠人的經(jīng)驗積累。豐田特別強調經(jīng)驗積累機制：只有集體的經(jīng)驗不能有只屬于個人的經(jīng)驗，比如：資料的統(tǒng)一管理，草圖設計的小組討論，圖紙的多部門集體審核，設計標準、規(guī)范的經(jīng)常性增改等等。經(jīng)驗積累機制是豐田能夠不斷提高模面精細設計的主要手段。比如：模具加工完成之后，一般模具型面不用研合，刃口不必對間隙，鉗工只負責安裝，在初次試模時也不能隨便修調模具，調試模具有模面設計人員在場，初次試模缺陷需要記錄下來。最后的休整結果，象拉延筋、拉延圓角變動、對稱件的不對稱現(xiàn)象等，還要進行現(xiàn)場測量。這些資料的積累、整理、分析、存檔，都是模面設計的經(jīng)驗積累，并隨時加入到下一次的設計中去。
豐田的模具設計和調試過程，真正做到了是一個閉環(huán)制造系統(tǒng)，借助于這種自我完善的經(jīng)驗積累機制，模具的設計越來越精細，越來越準確。
Ⅳ.間隙圖設計
在豐田，模面設計實際上是由曲面造型和nc編程兩部分共同完成的，為了傳達和描述模面設計思想，就產生了除dl圖、模具圖之外的第三種圖---間隙圖也叫質量保證圖。
間隙圖本人在以前還沒有見識過，這可能是豐田的一種創(chuàng)造。模具的設計不是單純?yōu)榱嗽O計出一種機器，能夠完成它一定的動作就完了（這只能叫作結構設計），模具設計的最終目的是為了保證它所壓出的產品件是合格的高質量的，間隙圖就是這樣一種專為保證產品件質量的圖。質量保證圖中，主要包括這樣幾項內容：模具實際符型面區(qū)域、各個符型區(qū)域的間隙值、工藝要求的模面變化情況、拉延圓角的變化、各種模面的挖空等等。凡是無法通過曲面造型實現(xiàn)的模面設計，都通過間隙圖的傳達，依靠nc編程的設計來實現(xiàn)，在這里nc編程也不再是單純的實現(xiàn)模具結構的加工，它實際上也參與到模面設計中來了。因此，間隙圖的應用也是精細模面設計的一種必然。
Ⅴ.大規(guī)模生產對模具的影響
豐田的生產規(guī)模是世界一流的，它在模具設計如何適應大規(guī)模生產的要求方面具有豐富的經(jīng)驗。
提高材料利用率：對于大批量汽車生產來說，提高板料的利用率是模具設計的第一大事。只要把材料利用率提高幾個百分點，模具的成本就可乎略不計了。如果一套模具40萬人民幣，只相當于100噸鋼板的價格，以壽命50萬件計算，平均每件節(jié)約0。2kg鋼板，就足可節(jié)約出這套模具費用了。
減少沖壓工序：模具設計的趨勢是，零件的合并，左右對稱件合模，前后順序件合模等等，原來幾個件合成一個件，不同的件合在一套模，模具越來越大，單件工序大大減少，整車模具數(shù)量越來越少，這對降低沖壓的成本起關鍵作用。例如：豐田把整車制件的模具系數(shù)，由過去的3點幾降到2左右。
沖壓自動化：為適應沖壓線完全自動化，模具必須考慮機械手上下料，廢料的自動排出，氣動、自動和傳感裝置普遍采用等等。
模具的快速裝換：沖壓線的換模時間，也成為一個模具設計必須考慮的問題。如：拉延模完全以單動代替雙動，模具自動卡緊，換模不換氣頂桿等等。

二、 模具結構的設計和加工

設計有兩種目的：一個是面向設計本身，一個是面向制造。設計者在畫圖過程中逐步完善自己的設計思路，圖畫完了，自己也清楚了，因此圖紙首先要設計者自己看得方便，并使設計的工作效率高。另一方面，設計要面向制造，以提高生產效率為最終目的。
我們應當認識到不同的生產工藝流程決定了圖紙的表達形式。傳統(tǒng)的模具總裝圖加零件圖的形式，適應的是非框架結構的模具生產。采用大型數(shù)控銑加工以后，模具總成圖成為更好的形式。在全面應用cad設計之后，如果生產方式?jīng)]變，那么二維設計和總圖設計也不會變，只是把圖板換成了屏幕和鍵盤。我公司在97年曾一度改二維設計為三維實體設計，然而效果并不好，設計效率降低、生產上也沒有得多少實惠。
豐田在cad三維實體設計與制造緊密相配合方面為我們提供了比較成功的經(jīng)驗。
 
一
實體設計
豐田的模具設計已全部采用三維實體設計，應用的軟件為enginner。
模面設計與結構設計的分開：豐田把模具結構設計與模面設計完全分開的，前者是實體設計，后者仍然是曲面設計。在結構設計中模面部分只是示意性的，可用于實型加工，不能用于模具加工。這種分工大大簡化了模具實體設計，這種簡化對三維實體設計的成敗很重要。
取消二維圖紙：尺寸標注大約占繪圖工作量的40%，豐田不繪制傳統(tǒng)意義上的二維圖紙，也就完全省去了這一部分的工作量。取而代之的是根據(jù)各工序需要，給出必須的三維立體簡圖，和標注必要尺寸的平面簡圖。如果從三維設計出發(fā)，最終得二維圖的結果，那把一個三維實體轉變成符合人看圖習慣的二維圖，將是非常費時、費事的，設計出的實體變得毫無價值，這顯然違背了實體設計的初衷，豐田的成功之處就是沒有這么做。
搭積木和編輯式設計：三維實體設計采用搭積木式設計，依靠三維標準件和典型結構庫，使模具結構極大的標準化，變二維繪圖構思為三維立體布置。同時大量借用已有的相似模具結構，經(jīng)過簡單編輯、修改，完成新模設計。這對設計者來說，是觀念上的一場革命，如果還墨守成規(guī)，先畫平面圖再生成立體型，那三維設計的優(yōu)勢就成了負擔，效率太低了。
干涉檢查：在二維設計中，往往設計者并沒有真正的建立起三維的模具形象，對復雜的空間問題只能靠斷面圖，一旦經(jīng)驗不足，考慮不周，空間干涉就再所難免。三維實體設計最直接的好處，就是非常直觀方便的干涉檢查，甚至可以作運動干涉分析。以往二維圖設計時的一個老大難問題，在實體設計面前迎刃而解。
實體設計中的刪繁就簡：實體設計直接面向制造，它所設計的繁簡因加工需要而定，完全不必考慮人的看圖習慣。比如：鑄件的倒角，在加工中凹角靠刀具完成，凸角靠人工修整，所以，設計中就不必做了；又如：標準件，完全是采購件，在設計中也可以變成示意性的簡單幾何體等等。還有許多設計工作，實際上是靠后序的工藝規(guī)范完成的，如螺釘孔位置，鑲塊形狀等。因加工需要而設計是最經(jīng)濟的設計。
半自動設計：豐田在實體設計的基礎上，對拉延模等一些結構典型而標準化比較高的模具，已經(jīng)開發(fā)出具有一定功能的輔助程序，做到半自動設計。比如：拉延模結構設計一般都交給，新手、女職員來完成，設計一套模全部工作也用不了一周時間。

二 
實型數(shù)控加工
實體設計的第一個用途，就是鑄件泡沫實型完全采用數(shù)控加工。豐田的實型模是用一整塊矩形泡沫數(shù)控加工出來的。實型的數(shù)控化加工生產，就是通過對實體模型的工藝編輯（如：加工面貼加工余量，模型分層編輯等），再經(jīng)過數(shù)控編程，泡沫毛坯下料，數(shù)控加工，人工粘接和修整等幾道工序完成的。在豐田，實型的生產員工，已完全從手工制作轉變到大量的數(shù)控編程上來了，現(xiàn)場的簡單人工粘接和修整工作，由臨時工所充當。實型的數(shù)控化生產直接得利于實體設計，而又提高了鑄件的精度，為后序的精細加工帶來極大的優(yōu)勢。

三 
構造面數(shù)控加工
模具構造面就是模具型面以外的機加工面，如：導向面、鑲塊安裝面、螺釘孔、其他需加工面等等。這些在豐田也都是靠編程，數(shù)控加工出來的。實體設計為模具的構造面數(shù)控編程加工帶來了可能。構造面加工編程化，可以大大提高機加工效率，減少現(xiàn)場的人為操作失誤，提高加工的自動化程度。當然要做到這一點，除實體設計之外，還要作許多工作，如：自動對刀、刀具管理、加工參數(shù)、編程經(jīng)驗等等，這方面我們與豐田的差距就更大，沒有這些基礎，構造面的編程加工是不可能的。
豐田通過實體設計真正做到在模具結構上的cad/cam一體化，也只有一體化，取消繪制二維圖的束縛，實體設計才顯示出的它的價值，兩者應該同步發(fā)展相宜得彰，這就是豐田為我們提供的經(jīng)驗。
 
三、消滅鉗工
原來我們認為，模具這種單件生產、型面復雜的產品，離開手工是不可能的，而豐田提出要消滅鉗工。消滅鉗工是一種目標，主要是指極大減少或完全避免修磨和調整鉗工（裝配鉗工還是要的）。正如我們在前面所介紹的，目前豐田的這一目標已基本實現(xiàn)，除修磨拉延面和拉延凸圓角外，推磨、修模和調配鉗修，已大部分屬于異常或禰補設計、制造的缺陷，不再是一件必要的和正常的工作。
我們舉個例子，拉延模型面的光潔度歷來是我們強調的質量標準，過去為達到這一點主要是靠鉗工推磨。為減少或不推磨，就要減少銑削刀痕余量，有人主張采用垂直型面加工的五軸銑床，也有采用數(shù)控型面磨。這些豐田也都采用過，但實踐證明，五軸機床成本高、效率低，編程十分困難，效果也十分不理想。最后，豐田采用高速、小移行的三軸銑削加工方式，得到高精度型面，把圓角人工推磨，而其他型面干脆不修磨，模面帶刀痕拉延。結果證明，雖然模面談不上光潔度（還帶刀痕呢），但即使是表面質量要求很高的轎車外板件，除制件內表面有一些拉痕外，對有用的制件外表面沒有任何不良影響，就是需要電鍍的那些模面，也同樣是帶刀痕電鍍。據(jù)說德國和美國有些汽車模具廠也早已廢除了型面推磨。這對那些追求模具表面光潔度的人來說，真是命運開了一個大玩笑。同樣，對型面凹角采用清虧，立面加工采用30度頭防讓刀，用不等間隙控制制件成型壓力等等各種方法，現(xiàn)在凸凹模的配合精度，使研合和鉗修失去意義。
因此，某種意義上的消滅鉗工，不再是一個夢。當然，在國內，目前一個模具廠怎樣說服用戶接受這種帶刀痕的模具還是一個大課題.

四、一體化加工

豐田的機加工車間現(xiàn)場，有三種數(shù)控加工線：第一種是由幾臺床身可互換的數(shù)控機床組成的加工線，一條線里包括底面加工、臥銑、粗銑、精銑各種機床，配套分工明確，工件換機床時不必重新裝卡找正，這條流水線大約是80年代的產品。第二種是帶立體倉庫的無人職守的揉性加工機群，這是90年代初的產物。第三種是近年才投入使用的粗精加工一體化、高速、高精度、五面加工中心。第一種加工線，它的單機就是我們目前使用的數(shù)控機床，但機床為多工作臺式，它的不重新裝卡找正方面效率很高，而我們還基本上停留在單機作業(yè)的水平上，很值得我們借鑒。對于揉性加工機群，雖然很先進，但操作起來很困難，準備工作和時間很長，如果沒有很大量的精加工任務，使用起來并不實用，就是在豐田也是如此，看來這不是一個成功的方向。一體化加工中心是目前正在發(fā)展的最新技術，它的優(yōu)點是，集各種機床優(yōu)點之大成，除底面加工之外，一次裝卡，粗、精、臥，高功率、高精度、高速面面俱到，十八班武藝樣樣精通，加工效率很高。缺點是機床成本很高，需要環(huán)境要求也很高，用它來粗活、重活一起干時是不是很經(jīng)濟呢？還不得而知。但，無疑這是一個很理想主義的技術，代表著數(shù)控加工技術的發(fā)展，應引起我們的注意。
 

小結

豐田的技術告訴我們：好的模具應該是設計出來的；模具也可以流水線生產；高新技術應用是模具制造技術發(fā)展的動力；國內汽車模具業(yè)與世界先進水平相比還有較大差距，如果我們不努力，這種差距不是縮小，而是會拉大。
通過上文，我們只是把在豐田公司所看到的一些印象深刻的、與國內對比性比較強的東西簡單羅列在一起，并不全面也不細致，希望這些材料能給同行以思考。
我們感到我們與世界先進水平的差距是一種很大的壓力，面對世界經(jīng)濟一體化的潮流，你如果不是世界上最好的，你可能在國內也站不住腳。國內的汽車模具廠家不是很多，但卻吃不飽，我們高質量模具的市場被周邊國家和地區(qū)的模具廠占領了，我們不向世界上最先進的模具技術學習，還能生存么？