CN100汽车车身冲压模具开发并行工程研究.doc

cn100汽车车身冲压模具开发并行工程研究 声 明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均己在论文 中作了明确的说明。 2011年歹月jel ：巫讧 研究生签名 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 f黾 工口l|年rl ：继 研究生签名 f i 工程硕士学位论文 摘 要 随着汽车市场的竞争日益剧烈，作为其中决定汽车市场竞争力的新车型开发能力， 已经成为国内及国外汽车企业的核心竞争力，而作为汽车新车型开发过程中的最重要环 节汽车车身大型覆盖件冲压模具开发，决定着新车型推出的速度。 近年来，各大汽车企业推出的新车型中，80以上为中型改进项目，即只对全车外 观进行全新造型，车身及内外饰全新开发，发动机及底盘按照模块化组合，不需重新开 发。因此汽车车身冲压模具开发就成为新车型开发中投资最大、周期最长的开发工作。 致力于缩短该项开发工作的周期，已成为各大汽车企业提高自身核心竞争力的主要努力 方向。 针对如何缩短汽车车身冲压模具开发周期，目前普遍趋向于运用并行工程的方法对 产品及工艺开发进行研究，以求缩短整个开发周期。但目前有关汽车车身冲压模具开发 的并行工程研究中，只局限于对产品开发的某一个阶段或模具开发的某一个阶段等局部 过程进行并行工程研究，对汽车新车型开发与大型覆盖件冲压模具开发整个全局过程的 并行研究基本是一个空白。导致汽车企业在缩短新车型开发周期方面的工作成效并不显 bp 者。 本文结合我公司cnl00汽车车身冲压模具开发的实例，运用计算机模拟仿真分析技 术、开发过程输入输出的条件管理、组织机构项目矩阵管理等并行工程原理及方法，对 新车型开发从汽车外形造型设计到样车制造全过程各个关键环节之间开展并行工程研 究，同时借鉴部分国内外先进的汽车车身冲压模具并行开发经验，形成了汽车造型设计、 车身零件结构设计、冲压模具结构设计、冲压模具制造加工、样车制造等关键环节之间 可操作的基于并行工程原理的流程和方法，并将上述方法运用到cnl00新车型开发的全 过程中，充分实现产品开发与工艺装备开发的并行，在保证了开发质量的前提下，使整 个新车型开发周期由原来计划的24个月缩短为实际的18个月，同时这一研究成果，也 成为后续新车型开发中开展开发计划编制、组织机构制定、定义各环节之间交付物等工 作的重要参考依据。 关键词：汽车车身设计开发，冲压模具开发，并行工程 abstract 工程硕士学位论文 abstract withthe inautomotivemarketthe ofnewvehicle increasinglycompetition development becomethedomesticand auto core foreign companys competitivecapabilities，has of vehicle new wouldbe competitivenesshowever,theimportantpart developmentprocess die therateintroductionofnew of vehicle largebodypanelstampingdevelopment,determine in had at recent automakersintroducednew least80 years，major models，improvement forthe is the oftheentirevehiclefornew medium,that projects onlyappearance style，new of andinteriorandexterior andchassisinaccordancewiththe developmentbody trim，engine modular donotneedto of combination,and diehasbecomethe investmentandthe automotive of bodystamping largest longestpedod new for modelscommittedtoshortenthe becomea- development developmentcycle，has automotive to theircore ofthemainendeavors major companiesimprove competitiveness onhowtoshortenthe ofautomobile current dies，the developmentcycle bodypress use trendinthe ofconcurrent methodsfor and general engineering productprocess ordertoshortenthe developmentresearch,in development automotive die ofconcurrent limitedtoacertain pressdevelopment body engineering，only of ordie of andother concurrent stage productdevelopmentdevelopmentprocess engineering local newmodelsofcarsand die whole research，to develop largepressdevelopment，the is andresearch toauto toshortenthe process basicallyvacancyleadcompanies ofnewmodelsofwork isnot developmentcycle performancesignificant inthis our cn100die as simulation company paper,take developexample，usecomputer and process analysis，developmentinput output project and ofnew methods，the management，concurrentengineering，matrixtheory development fromthe of whole models to the forsimultaneous shapedesignmanufacturingprocess researchcombine、析廿lsomedomesticandoverseaadvancedauto engineering body die comeoutwith stampingdevelopmentexperience，had shapedesign,autobodyparts structure structure vehicle design,die design，diemanufacturingprocess，sample other concurrent between manufacturing，andkeyoperational engineeringprocessprinciples andmethodsthemethodisusedcni00 achieveof product developprocess，fully and ensurethe ofthe under will developmentfacilitytoolingthat development quality months oftheentire ofnew as24 had models，such plan premise developmentcycle original reduced modelshasbecome to18 feedback ofnew a months，the shows，development to out of follow-upcarry developmentplanning，organizational tt 工程硕士学位论文 型!塑兰兰皇苎堡堡墨茎垄堑堡三堡堡窒 一 betweenthe referencework suchasthelinks deliverables important white of in die，concurrentengineering design，developmentstamping keyword-body iii 目录 工程硕士学位论文 目 录 摘 要i abstractii 目 录iv 1绪论1 11目前国内、国外汽车车身冲压模具开发管理现状介绍1 111国内开发管理现状介绍1 112国外开发管理现状介绍2 113并行工程在冲压模具开发中的运用现状3 12汽车车身冲压模具开发过程中开展并行工程研究的意义4 121汽车车身冲压模具开发过程中开展并行工程的必要性4 122汽车车身冲压模具开发过程并行工程研究范围4 2汽车车身产品设计与冲压模具开发之间并行工程研究6 21汽车车身产品设计开发管理研究6 211汽车车身产品设计开发策略研究6 212汽车车身产品设计开发流程及交付物研究8 22汽车车身冲压模具开发管理研究10 221汽车车身冲压模具开发策略研究11 222汽车车身冲压模具开发流程及输入输出条件研究13 23汽车车身产品设计开发与冲压模具开发之间并行工程研究14 231开发策略并行研究。14 232开发流程及方法并行研究16 233汽车车身产品设计交付物细化研究21 3汽车车身冲压模具开发过程工序之间并行工程研究23 31汽车车身冲压模具设计过程并行工程研究23 311汽车车身冲压模具设计工作内容细化研究23 312汽车车身冲压模具设计过程并行工程研究25 313汽车车身产品设计交付物细化研究27 32汽车车身冲压模具制造过程并行工程研究27 321汽车车身冲压模具制造管理过程优化研究28 322汽车车身冲压模具制造过程交付物细化研究29 323汽车车身冲压模具制造过程并行工程研究30 w cnl00汽车车身冲压模具开发并行工程研究 工程硕士学位论文 33汽车车身冲压模具设计与制造并行工程研究33 331冲压模具设计与制造策略并行研究33 332冲压模具设计与制造流程及方法并行研究34 4汽车车身冲压模具开发与样车制造之间并行工程研究38 41汽车样车制造介绍38 411新车型开发各阶段样车需求研究38 412新车型开发各阶段样车制造流程研究39 42汽车车身样件制造介绍40 421汽车车身样件需求研究40 422汽车车身样件制造流程及方法研究4l 43汽车样车制造与车身冲压模具开发并行工程研究42 431开发流程及方法并行研究43 432输入输出条件细化研究45 5结论46 致 谢。48 参考文献49 v 工程硕士学位论文 cnl00汽车车身冲压模具开发并行工程研究 1绪论 汽车车身冲压件模具，是汽车车身零件制造的关键工艺装备，对其开发过程进行充 分研究、控制，以求缩短这一关键工艺装备的开发时间，是缩短整个汽车新车型开发时 间的关键。目前，各大汽车企业都在关注如何缩短大型汽车覆盖件冲压模具开发时间， 以期能够快速推出新车型，争取更大的市场份额。 11目前国内、国外汽车车身冲压模具开发管理现状介绍 汽车车身冲压件模具作为生产汽车车身的关键工艺装备，其设计制造过程中的技术 含量相对较高，涉及计算机模拟仿真、材料运用、机械加工、热处理、焊接、电器控制 等多方面知识和工艺，模具工业被尊称为帝王工业。各个国家汽车车身冲压件模具设计 制造的水平代表着这个国家汽车工业的发展水平。汽车车身冲压件模具开发管理水平也 在一定程度上决定了其汽车开发的水平。 111国内开发管理现状介绍 目前中国大陆地区汽车车身冲压件模具企业与汽车制造企业之间主要有下面两种 运作模式，第一种，汽车企业与模具企业之间纯属商务关系，汽车企业通过公开招投标 选择合适的模具企业为其开发某一车型的车身冲压件模具，由汽车企业提供汽车车身产 品数据，模具企业完成后续的模具冲压工艺设计、模具设计、制造、调试等工作，最后 交付给汽车企业指定的冲压车间或冲压厂生产车身冲压件。目前大多数合资汽车企业比 如上海通用、上海大众、广州本田等都采用这种方式开发模具。第二种，汽车企业建立 了自己的模具车间或模具工厂，为自己所开发的新车型设计制造车身冲压件模具，部分 国内大型国企汽车企业如一汽、二汽和部分传统汽车企业如重庆庆铃汽车等企业都有自 己的模具车间或模具工厂。 第一种类型的运作模式，有如下两个特点，一、模具企业相对于汽车企业独立运作， 自负盈亏。与汽车制造企业之间是纯粹的商务关系，这种关系可以减轻汽车企业的负担。 给多少模具让模具企业开发，就按照合同支付多少费用，不需承担模具企业的其他时间 的管理运营费用。二、这种模式下，模具企业为汽车企业开发模具，是一个相对封闭的 过程。汽车企业提供产品信息、生产信息等必要的输入，模具企业按照交钥匙工程的要 求提供合格的模具给汽车企业。双方在信息共享、并行工程、快速响应等方面无法有效 进行。 第二种类型的运作模式，其特点与第一种模式刚好相反，一、模具企业从属于汽车 企业，其人事、管理、财务、营销都有汽车企业控制，无论其是否有模具开发任务，汽 l绪论 工程硕士学位论文 车企业都必须承担起日常运行管理费用，对以生产制造汽车为主业的汽车企业来说属于 非增值的后勤工厂，也是一种隐性的负担。二、模具企业从属于汽车企业，双方在信息 交流、并行工作、快速响应等方面可以有效进行，提高模具开发的质量，缩短开发时间。 第一种模式对模具开发的管理主要还是遵行串行开发的管理方法，其目的是明确汽 车企业和模具企业之间工作的职责、权责关系，为规避开发过程中商务风险必须做到工 序之间输入输出明确，从而导致并行工程的运用缺乏制度支撑，无法有效开展，其模具 开发的速度也受到一定的制约。第二种模式由于模具企业从属于汽车企业，具有并行开 展相关工作的基础，在一定程度上可以有效开展并行工程。 目前国内各大汽车企业都把关注点放在提升产能，扩大销量上，对于类似模具车间 或模具厂这样的非增值机构都逐渐剥离出汽车企业，让其成为独立的模具企业，走向市 场，自负盈亏，以减轻汽车企业自身的负担，全力投入增加汽车产能等项目中。 112国外开发管理现状介绍 国外模具企业与汽车企业之间的关系也经过了三个阶段的发展。第一个阶段，二十 世纪初期，汽车工业启蒙于美国、欧洲等国家，汽车产量较低，规模较小。汽车模具作 为生产汽车的必备工艺装备，其开发制造被视为关键工作，各大汽车企业都建立了自己 的模具车间或模具工厂，如德国奔驰汽车公司自己的模具车间、美国福特汽车公司自己 的模具工厂等等，都属于自己汽车企业的一个从属部分，当时建立自己的汽车模具企业， 是基于汽车质量需要不断提高，汽车车型需要不断改进的需求而设立的，在这种运行模 式下，模具企业能够快速响应汽车企业的需求，全力以赴配合汽车企业为提高汽车质量 进行相关工作，开发过程中的并行工作也得以较大范围的开展，为快速提升汽车质量及 其更新换代做出了一定的贡献。第二个阶段，二十世纪中后期，包括美国、欧洲、日本 等汽车强国开始进入大批量生产制造汽车的时代，汽车在这些国家成为家庭必备的交通 工具，对汽车企业的要求也随之发生了变化，即大批量、标准化、一致性的要求成为主 流，而各大汽车企业为了利润最大化，把模具车间、模具工厂等附属功能剥离，只保留 冲压、焊接、涂装、总装等生产汽车必备的工艺车间或工厂，只在需要进行为数不多的 新模具开发时，才通过购买的形式向其他模具企业订制新模具。这种模式下，模具开发 的并行工作受到了极大的制约，模具开发质量也受到一定影响。第三个阶段，经过理性 回归后的国外汽车工业，已经从大批量、同一性的汽车生产中苏醒过来，市场也从对汽 车产品追求实用性为主逐渐转变为追求个性上来。各大汽车企业为了开发出更多个性不 同的汽车满足市场观念转变后的需求，重新建立或收购属于自己的模具企业，全面为自 己快速开发模具工作，同时建立了细致完善的汽车企业及其模具企业之间的并行开发流 程，运用现代管理技术结合充分并行的方法，短周期、高质量的开发自己汽车企业需求 的新模具，日本的丰田、本田等企业目前已经重新拥有了自己强大的模具开发体系，为 2 cnl00汽车车身冲压模具开发并行工程研究 工程硕士学位论文 适应市场多变、追求个性的需要做好了充分准备。 113并行工程在冲压模具开发中的运用现状 并行工程是一种系统工程的方法，它以集成的、并行的方法处理产品设计及工艺装 备开发的相关过程。这种方法力图使覆盖件模具开发人员在设计一开始就考虑到产品从 概念设计到报废处理的所有因素，包括质量、成本、进度计划和用户的要求。并行工程 中的“并行”的概念具体体现在设计阶段集中有关部门的工程技术人员协同作战、信息 共享，设计模具和有关过程，并对模具结构和有关过程进行计算机模拟仿真、分析和评 价，提出改进意见，力求取得最佳效果。通过这一策略，不仅能够实现模具优化设计， 而且使整个开发过程优化。对并行工程的理解不能随意取消一个完整的过程中现存的顺 序的、向前传递信息的任一必要阶段，所有下游过程都是为了完成任务的最优的联合设 计；其次并行工程要求同时进行产品及其下游过程设计，在设计产品的同时，可同时进 行与生产有关的部分准备工作，而不是同时执行生产过程。模具开发推行并行工程应具 备的基本条件： 一树立现代模具设计制造的新意识。受传统模具开发观念的影响，人们仍然迷信 于经验和技巧，不愿意采用各种先进的工具和手段。因此，应进行广泛的宣传，努力使 更多的人特别是管理人员形成现代模具设计制造的新意识。 二建立机、电、计算机应用和管理能力的复合型人才队伍。由于人才素质的影响 常常导致认识上的偏差，对实际问题不能提出全面有效的解决方案。要努力培养综合人 才，造就一大批具有现代模具设计制造新理念的复合型技术人才。 三整个过程中所需要的软硬件要逐步完善和配套，否则将直接影响最终所能达到 计算机辅助分析计算机辅助制造 等技术的进一步完善，为并行工程环境下的模具设 计制造提供强有力的技术支撑n】。 目前大型汽车覆盖件冲压模具开发中并行工程的运用，集中在冲压工艺设计阶段。 助分析软件进行冲压工艺分析，并将分析过程中发现的产品结构设计问题反馈给产品设 计人员，对车身零件设计进行改进。通过几轮反复，以求获得冲压工艺性较好的汽车车 身零件。同时，近年来由于并行工程在汽车车身开发过程中得到广泛运用，逐步建立了 工程的重要内容，是实现模具开发并行工程的关键技术。在模具设计甚至产品设计的早 期阶段，若能利用dfm工具，充分考虑后续环节的各种约束，如工艺约束、模具结构设 计约束、生产资源约束等等，通过对模具的制造性、装配性、测试性等进行分析和评价， 以便提高模具设计制造的一次成功率，有效改善模具开发质量。当前dfm系统应用研究 1绪论 工程硕士学位论文 的发展方向是用面向对象的方法开发基于知识的dfm专家系统，其中知识库主要存放产 品、零件设计和制造的一般规则等知识。对模具设计而言，就是与产品及其模具设计、 制造、装配和成本估算等有关的规则和经验公式等；而数据库主要存放有关可制造性分 析和早期预算编制所需要的原始资料。dfm分析功能就是在知识库和数据库的支持下， 在工艺模型和制造资源模型的约束下，对产品或零件设计进行可制造性分析并提出改进 意见，供产品设计者参考，对产品设计进行优化。这是一个循环优化的分析过程，通过 dfm分析，不断改进产品设计，直到平衡所有相关区域的要求为止嘲。 12汽车车身冲压模具开发过程中开展并行工程研究的意义 目前国内汽车市场需求还处于非常旺盛的阶段，在一个相当长的时期内汽车作为交 通代步工具的功能还是占主流功能，因此提升产能，占领最大的市场份额，还是各大汽 车企业的主要精力集中点。汽车企业新车型冲压模具的开发模式在相当长时期内也将采 用商务外包的方式进行。在这种模式下，是否能够最大限度在汽车企业和模具企业之间 开展并行工程，并行的必要性及工作范围如何，在本文中将得到详细论述。 121汽车车身冲压模具开发过程中开展并行工程的必要性 从近几年国内汽车企业发展的情况来看，几大主流汽车企业的产量都已经接近或超 过每年100万辆的规模，而从市场销售的情况来看，一个成熟的汽车车型其生命周期一 般为5年左右，在其5年的生命周期中，平均每年销量能够达到15万到20万辆左右即 为一个合理的产销量，因此要支撑一个汽车企业年产100万辆，其车型数量必须为5至 7个以上。考虑到开发新车型的成功率，也就意味着一家百万汽车产销量的汽车企业， 其新车型开发能力至少达到每年2个以上，才能勉强维持自己百万辆产销的水平。但就 目前国内汽车企业新车型开发的周期来看，全新平台车型的开发项目需要36个月，底 盘不变的车身全新开发项目也需要24个月，因此如何缩短新车型的开发时间，对支撑 汽车企业的产销量、提高市场竞争力起着关键的作用。 在汽车车身开发各个关键环节中，冲压模具的开发投资最大，周期最长，作为车身 开发的关键路径，历来被各家汽车企业开发部门重点关注。但由于目前国内主流汽车企 业都没有自己的模具企业，只有按照常规模具开发步骤，按照商业合作一般的顺序开展 车身模具开发，无法有效缩短整个冲压模具的开发时间，使得目前国内汽车开发时间长 期徘徊在30个月左右。因此，充分研究汽车车身冲压件的开发环节，细化开发过程管 理，运用并行工程和统筹学的原理，在冲压模具开发的各个环节中充分开展并行工程， 缩短开发时间，对缩短整车开发周期将产生积极的作用。 122汽车车身冲压模具开发过程并行工程研究范围 汽车车身一般分为商用车车身和乘用车车身，本文主要研究乘用车车身，因为乘用 4 cnl00汽车车身冲压模具开发并行工程研究 工程硕士学位论文 车车身的开发在技术上、数量上都具有典型的代表性。一般乘用车车身由300个左右的 冲压零件组成，其中的侧围、翼子板、顶盖、车门等关键大型冲压件，由于其开发周期 最长，被视为车身开发中的关键路径，因此，本文以侧围、翼子板等关键大型冲压件的 模具开发为例，进行相关并行工程的研究。 同时从模具开发的上下游工序考虑，对如下3个方面开展并行工程研究。第一，汽 车车身产品设计与冲压模具开发之间并行工程研究。车身产品设计数据是冲压模具开发 的必要输入，如何在产品数据开发过程中提前介入并行开展模具开发工作，对提高冲压 件质量、缩短冲压模具后期调试时间将起到关键作用。该研究内容安排在论文第2篇目 中，其中包括3个章节的研究内容，即汽车车身产品设计开发过程的并行研究、汽车车 身冲压模具开发过程的并行研究以及汽车车身产品设计开发与冲压模具开发之间并行 工程研究。第二，汽车车身冲压模具开发过程工序之间并行工程研究。汽车车身冲压模 具开发，其本身就是一个复杂的开发过程，涉及cae分析、cad设计、铸造、锻造、cam 加工、焊接、热处理等等工艺过程，其每一步之间能够在一定程度上开展并行工程，对 缩短模具本身的设计制造周期将产生一定的作用。该研究内容安排在论文第3篇目中， 其中包括冲压模具设计过程并行研究、冲压模具制造过程并行研究及冲压模具设计及制 造并行研究3个方面的内容。第三，汽车车身冲压模具开发与样车制造之间并行工程研 究。在整个汽车车身开发的漫长过程中，根据整车开发的需要，在不同阶段需要提供样 件装配车身以验证设计及制造的正确性，在样车装配过程中发现的问题如何快速反馈到 模具制造的过程中，快速更改以满足验证要求，对这些过程进行并行研究，对提高冲压 件制造质量、缩短工程更改周期具有关键作用。该研究内容安排在论文第4篇目中，其 中包含样车制造过程研究、样件制造过程研究及样车制造与冲压模具开发并行研究3个 章节的内容。上述3个方面开展并行工程，将在一定程度上大大缩短冲压模具的开发周 期，为缩短整车开发周期起到关键作用。 5 工程硕士学位论文 2汽车车身产品设计与冲压模具开发之间并行工程研究 2汽车车身产品设计与冲压模具开发之间并行工程研究 汽车车身产品数据是冲压模具开发的输入条件，如何保证这一输入条件的质量，提 高产品数据的冲压工艺性，缩短后期模具调试的时间。这些问题在很大程度上决定了整 车开发的时间。冲压模具开发工作如何在汽车产品数据设计早期介入，如何在两者之间 开展并行工程，将对改善上述问题起到积极作用。 21汽车车身产品设计开发管理研究 在对汽车车身产品设计与冲压模具开发之间并行工程研究之前，需要对汽车车身产 品设计开发的几个主要方面有所了解，包括车身产品开发策略、开发手段、各阶段开发 流程等要有充分认识，才能进一步研究冲压模具开发与其并行的方法、流程等。 211汽车车身产品设计开发策略研究 cnl00车型作为上汽通用五菱的第一款乘用车，在车身造型、结构、质量要求、制 造要求等方面都提出了比以前商用微型车更高的要求，因此，在制定车身产品设计开发 策略上，就要体现出乘用车高标准高质量的特点，后续的实际开发过程中才有可能实现 乘用车各方面较高标准的要求。 侧围结构作为汽车车身开发中周期最长，重要程度最高的零部件，是整个汽车车身 设计开发的最关键零部件，其开发策略的研究具有典型代表性，其开发策略通常有如下 2类： 一传统商用微型车的分体式侧围结构，如图2111。 田 曰 这种结构的车身侧围有a、b、c、d四个冲压件焊接组成，从产品设计角度考虑有 6 cnl00汽车车身冲压模具开发并行工程研究 工程硕士学位论文 。 如下几个优缺点： 1 不利于造型的实现。因为a级表面上有分缝线，限制了整车造型的发挥，车身表 面线条受到分缝线的制约，整体感觉车型外观线条凌乱，档次