中国模具工业代表团赴美、加考察报告　　

李志刚  李玉华

　　2003年12月28日——2004年1月12日，中国模具工业协会组团赴美国和加拿大考察。代表团一行26人，由来自全国各地的模具企业厂长、经理和模协负责人组成，考察团由中国模具工业协会理事长褚克辛同志率领，先后考察了美国底特律和加拿大温莎等模具厂家较为集中的地区，访问了一些著名的模具企业和相关的软件公司，实地了解了模具工业和相关技术的最新发展状况。此次赴美国和加拿大考察，重点了解了汽车模具企业的情况、先进的仿真分析与设计软件的发展与应用、以及模具行业的人才培养等方面的问题，以下将就这些方面，对考察结果予以介绍。

　　1. 美国汽车模具技术的最新发展
　　代表团在底特律地区考察了几家汽车模具企业，了解了汽车制造业发展对模具业提出的更高要求，也了解到汽车模具技术的新发展，特别是数字化技术的应用成果。
21世纪，世界范围内的汽车制造业面临着激烈市场竞争的严重挑战，为此汽车制造厂家必须不断地将新的车型推向市场，以提高其竞争力。过去，汽车新车型的开发周期约为1.5年，现在已经缩短至少于1年了，并且还在不断缩短。美国通用汽车公司（GM），每年都有14个新车型问世。
　　在新车型的开发中，90%的工作量都是用围绕车身型面的改变而进行的。在新车型的开发费用中，约有60%是用于车身和冲压的开发。在整车成本中约40%为车身冲压件及其装配的费用。因此，冲压模具的开发是新车型开发成功的关键。在美国，一个全新车型的模具开发费十分昂贵，约为1—2亿美元。例如，翼翅板模具约需200万美元的开发费。
　　现代汽车制造业对板材冲压的要求也越来越高，因此不断有新的技术采用，例如多件复合连体冲压、高效多工位压力机组和快速换模技术等。现代汽车板材冲压生产要求生产率高于每小时500件，压力机的开工率需大于80%，板材利用率高于60%。冲压模具的重量也大大减轻了，在美国现在的冲压模具重量比10年前已经减少了20-50%。
　　汽车冲压模具的开发面临多方面的挑战。首先是车身零件的大型化和形状的复杂化。例如，整体侧围将以前采用焊接工艺连结的几个零件合并为一个零件，简化了装配工艺，提高了车身的精度，但却给冲压模具的开发带来很大的困难。为了使车身更加美观时尚，冲压零件的形状也更趋复杂化，这无疑也加大了模具开发的难度。材料多样化是车身模具技术面临的另一问题，现在不同厚度、不同材质的拼焊板使用得越来越多，为此需要解决冲压工艺和模具结构设计等多项难题。新车型投放市场的速度不断加快，相应地对汽车车身模具开发也提出了快捷化要求，模具的开发周期要少于6个月。
　　传统的模具开发过程与方法，面临现代汽车制造的种种要求，显得越来越无能为力。传统模具开发过程存在的最严重的缺陷，就是凭经验设计冲压工艺和模具，对设计结果无法预测，设计的可靠性差。在模具开发过程中，往往不得不经过反复的试模和修改，才能达到合格的要求，导致了模具开发周期的延长，整车模具的开发一般需要12-24个月的时间。相应地，模具的开发成本增加了，而且有时试模也解决不了严重的成形性问题和质量问题。
　　美国通用汽车公司近几年的实践，证明了数字化技术是解决上述难题的一个有效途径。归纳美国通用汽车公司和其他公司的成功经验，数字化汽车模具技术的应用主要包括：
　　① 可制造性设计（DFM），即在设计时考虑和分析可制造性，保证工艺的成功；
　　② 模具型面设计的辅助技术，发展智能化的型面设计技术；
　　③ CAE辅助分析和仿真冲压成形的工艺过程，预测和解决可能出现的缺陷和成形问题；
　　④ 用三维的模具结构设计取代过去的二维设计；
　　⑤ 模具的制造过程采用CAPP，CAM技术；
　　⑥ 在数字化技术指导下处理解决试模过程中和冲压生产中出现的问题。
　　为此，车身模具的数字化设计制造系统应包括冲压工艺设计系统、模具型面设计系统、成形分析系统、模具结构设计系统、模具CAM系统和冲压专家咨询系统。
　　GM公司应用数字化模具设计制造技术取得的显著成效，给人留下了深刻印象。由于应用了仿真技术，在实际制造模具前可预测可能出现的问题，并加以改进，大大提高了设计的可靠性，降低了发生问题的可能性，所以其试模工作一般都可在1周内完成。模具的开发周期比过去缩短了80%，模具开发费用降低了50%，冲压件的质量也大为改善。由于在这个瓶颈环节上取得了突破，GM的汽车新产品开发能力也得到提高，现在可以保证每年开发14个新的车型。
　　在美国通用汽车公司，对每个覆盖件的冲压成形过程都要进行仿真分析，采用的是商品化的分析软件，包括DYNAFORM和PAM-STAMP等。在仿真分析整体侧围零件时，划分了25万个单元，采用并行计算，计算分析需14个小时。GM公司的工程师根据其应用CAE技术的经验与效果，认为目前的商品化软件在预测破裂和起皱问题方面成功率较高，一般可达80—90%，这主要是因为这些软件计算应变的精度较高。当前，需要进一步研究和改进的是回弹问题，其原因是这些软件的应力计算精度还不高，影响了回弹过程的分析和预测。对于汽车覆盖件冲压可制造性和冲压成形质量问题，还需要大力开展研究，主要包括尺寸控制、表面质量（松弛和划痕等）、难成形材料和零件的可成形性、冲压生产线模拟、工艺过程敏感性等方面的问题。
　　Autodie International公司是世界上最著名的汽车模具生产厂家之一。该公司现为Comau集团公司的子公司，已有35年制造汽车模具、自动化工具和装配工装的历史。公司雇员总数为350人，占地500,000平方口尺，具有700,000工时/年的生产能力。拥有31台数控加工机床，其最大加工尺寸范围为9140×3000×1060（mm），加工能力为100,000工时/年。车间装有28台试模机，共有140,000工时/年的能力，其中一台6000吨的压力机，带有卷料的开卷送进装置和校直装置。有2台大型压机可编程控制。此外，该公司还有一台5轴的激光切割机，用于在试模过程中确定修边线和毛坯形状。3台蔡司（Zeiss）坐标测量机和3台普朗-夏普（Brown & Sharpe）坐标测量机，工作范围达8000×2800×2100（mm），用于质量检查与控制。该公司具有每年开发10车型模具的能力，其制造的模具包括多工位传递模、多工位级进模（连续模）、液压成形模、金属热成形模和原型模具等。
　　该公司模具设计采用UG和CATIA软件，成形分析使用OPTRIS和PAM-STAMP软件。据介绍，CAE在缩短试模时间方面发挥了重要作用，利用CAE技术预测成形缺陷，改进模具设计，使模具设计的可靠性大大提高，平均可缩短试模时间40%以上。
　　在组织模具开发和生产方面，该公司采用并行工程和项目管理等新的技术和管理方法。将串行的模具开发模式改为并行的开发模式，加强了对工作流的控制，有效地缩短了模具的开发周期，保证了模具的质量。该公司大型覆盖件模具的交货期为4-6个月。
　　为了缩短模具的设计制造时间和降低成本，Autodie International公司的许多模具设计都外包给设计公司完成。因此，其周边产生了许多为其服务和协作的设计公司和机械加工公司，使其能更好地利用相关的资源。
　　近年来，我国汽车工业的发展极为迅速，但覆盖件模具技术的开发还相对滞后，是影响我国汽车工业发展的瓶颈。根据近年来进口模具的统计，我国已成为世界上最大的模具进口国。美国汽车模具厂家在模具开发中应用数字化技术，特别是应用CAE技术的经验，非常值得我们借鉴与参考。

　　2. 支持模具设计制造的软件技术
　　除了高效的加工设备与工艺、新型的模具材料和先进的质量检测技术外，软件技术在模具设计制造中的地位也十分重要。CAE技术在汽车模具中的应用成效，就很能说明软件技术的重要作用。代表团在美、加访问时，特别对相关的软件公司进行了实地考察。
　　（1）UGS公司的PLM软件
　　UGS公司是GM公司的主要软件供应商，代表团访问了其位洛杉矶的技术开发总部。UGS公司软件产品的总称为PLM （Product Lifecycle Management），即产品生命周期管理软件，其主要功能就是在产品生命周期内对产品的数字化信息进行管理、转换和传递。
　　PLM产品包括NX，Solid Edge，E-factory， Teamcenter和PLM Open。
　　NX是一个CAD/CAM/CAE软件包，即在模具业已广泛使用的UG软件。除人们已熟知的参数化技术、变异设计和相关性设计外，NX另一个突出特点是知识驱动的自动化技术（Knowledge-Driven Automation，KAD），即可以获取运用除几何信息以外的其他知识，完成和优化设计。Solid Edge是一个较NX档次为低的设计软件。E-factory（电子工厂）的功能是提供一个数字化工厂的环境。Teamcenter（团队中心）可提供一个数字化企业的框架，可以在一个数字化的环境内进行产品规划、产品设计、数字化制造和服务支持，可以支持知识的管理和动态的协作。PLM Open为PLM的二次开发工具，为用户提供了一个开放的应用开发接口，以支持和集成用户的专业应用开发。
　　PLM有2个模具设计制造应用模块，即Mold Wizard和Prodie Wizard。前者用于塑料模的设计，其功能包括数据输入和零件创建、形状缩放处理、凸、凹模与镶块的设计、分模面设计、模架和模具标准件库、BOM表创建等。后者用于多工位级进模的设计，主要功能有数据输入与零件创建、毛坯展开与排样、条料排样、工艺力计算、模具结构设计、模具标准件库和BOM表创建等。
　　对于PLM产品中的Teamcenter软件，国内模具业对其还不甚了解，这里对其主要组成及功能作一概括性介绍。
　　Teamcenter用于建立一个网络信息处理环境，其对象可以包括供应商、合作厂家和客户。其功能是维护产品整个生命周期内通畅的信息表，允许用户访问各种信息，包括产品需求、项目数据、工艺过程数据、几何信息、供应商资料、产品文件以及其他形式的产品数据。
　　Teamcenter软件主要由以下部分组成：
　　Teamcenter Enterprise；
　　Teamcenter Engineering；
　　Teamcenter Manufacturing；
　　Teamcenter Project；
　　Teamcenter Requirements；
　　Teamcenter Visualization；
　　Teamcenter Community；
　　Teamcenter Integrator.
　　Teamcenter Enterprise（企业）：允许用户的企业，包括其供应商、协作者与客户，管理、获取、共享和应用所用的产品信息和产品配置，例如产品需求、工程数据、工艺数据、产品文件等。可以提供目标管理、关系管理、产品结构管理、产品配置管理、零件分类管理、发布管理、工作流管理、告示服务、联邦数据库管理和系统安全服务等多种功能。
　　Teamcenter Engineering（工程）：通过将数据管理与可视化技术、模型化技术相结合，可提供一个协同工作环境，可使多种CAD系统，如UG，Catia，Pro-E、AutoCAD等，实现紧密集成。在此协同工作环境中可以实现工作流的管理与控制。
　　Teamcenter Manufacturing（制造）：提供了一个集成的数字化的制造环境，可以创建和管理产品、工艺过程、工厂和资源等方面的信息，在此环境下可验证制造过程的可行性和有效性。
　　Teamcenter Project（项目）：用于建立一个工作空间，使分散的开发团队成员可以创建、管理和共享项目信息，利用这些信息可制定团队的计划、组织实施、管理资源，并进行项目的跟踪管理。
　　Teamcenter Requirements（需求）：可允许授权的用户创建、获取、分享和管理产品需求信息。在收集了产品需求后，该软件可将需求分配到特定的设计部分，并建立可量化的目标。当需求改变时，该软件可以评价这种改变对产品设计的影响。当设计改变时，它也可以评价其对满足产品需求的影响。
　　Teamcenter Visualization（可视化）：其功能主要是可视化与虚拟样机，可对产品设计进行虚拟试验。
　　Teamcenter Community（协作）：可提供一个网络协同环境，此环境提供的协同服务可以允许用户访问其数据库，建立虚拟的团队工作室，邀请其他相关成员参加讨论，可召开在线会议等。
　　Teamcenter Integrator（集成器）：这部分的主要功能是集成分散在企业各部门的产品数据，以支持PDM，ERP，SCM（供应链管理）等应用。
　　（2）Cornerstone Technology公司的XMD软件
　　Cornerstone Technology Inc。是加拿大温莎市的一家长期从事模具设计软件业务的公司。中国模具工业代表团应邀访问了该公司，了解其注塑模设计软件的功能与应用情况，并观看了设计注塑模的全过程演示。
　　该公司的XMD（Expert Mold Design）软件是一个基于CADKEY的塑料模具设计软件，其设计自动化程度较高。
　　该软件可以接受多种数据格式的塑料零件的产品信息，在软件对塑件产品信息进行分析后，可向设计者提出动模、定模尺寸以及分模线轮廓的建议方案。如果必要，设计者可对这些建议方案进行修改。利用其Setup功能，设计者可以准确地控制零件在模具中的定位。
　　在确定的定模和动模尺寸基础上，XMD提出模架中其余板件的尺寸建议，同样地，设计者可以接受这些建议，也可以根据情况修改其尺寸。当设计者对上述基本尺寸满意后，XMD运用其知识库，产生出尺寸合理的模具零件，并将其模具中定位，包括导向、顶出、复位等模具零件。XMD会在板件上自动产生安装这些零件的孔。这些设计具有相关性，如果零件删除、移动、修改或添加，相关的零件设计也会随之改变。
　　XMD的标准零件库中包括了DME、DMS等厂家的标准件，同时也允许用户将自己的标准件加入库中。
　　XMD软件设计自动化程度较高。例如，当在模具中设置顶料杆时，设计者只需在平面投影图上点出其位置即可，其余的工作均由软件自动完成，包括计算顶杆长度，确定与制件相吻合的顶杆头部形状，以及确定顶杆是否需要加键等。XMD提供了设计冷却水道的功能，可以较快地完成水道的布置。
　　全部设计工作完成后，XMD既可产生3D模型，也可以输出2D工程图。
　　Cornerstone Technology公司现正在开发XMM（Expert Mold Maker）软件，将主要用于塑料模的工艺设计和数控加工的自动编程。

　　3. 福特先进制造培训中心
　　加拿大历来重视模具技术的培训工作，在全国共有10多家关于模具的培训机构。为了解这方面的情况，代表团访问了圣?克莱尔应用技术学院（St?Clair College of Applied Arts & Technology），参观了其福特先进制造中心（The Ford Center for Excellence in Manufacturing）。
　　福特先进制造中心是美国福特汽车公司出资3200万美元在该校建立的培训中心，包括工业自动化实验室、工程实验室、冶金实验室、坐标测量实验室、应用研究实验室、塑料加工实验室、快速成型实验室、CAD/CAM实验室、金属模具制造实验室、塑料模具制造实验室、计算机数控（CNC）实验室和精密金属加工实验室。
　　该中心具有接纳1300名学员的培训能力，可提供1-4年的培训项目。学员可以是全日制的或业余的，可以是技工、工程师或者是管理人员。学习完毕后，根据不同类型的培训，可发给证书或学位证。例如，2年的塑料模具技术课程包括塑料模具的理论与实践两方面的内容，学习塑料模设计和CAD/CAM等方面的技术。该中心的实验条件很好，学员可以在实验室内实际加工制造和装配模具，可熟悉各种先进的CNC加工机床的操作与编程方法。
　　据介绍，在该中心培训的学员中，毕业后6个月内找到工作的占91%，就业率较高。因此，许多学员都是利用业余时间来中心学习“充电”，或是学习一门新的技术去寻找更理想的工作。
　　该中心负责人介绍其学生来源时说，有不少学生来自国外，欢迎中国的学员来福特中心学习。