“肌肉车”金属成形技术

        一家一级供应商设计并制造出的一种新颖的副车架冲压及焊接件，帮助福特汽车公司使其重新设计的2005 Mustang汽车具有更好的性能，超出了原来的期望。
        
        新型的2005福特Mustang运动纯“肌肉车”（Muscle-car）不仅具有怀旧风格的外观，而且符合当今的重量和性能要求。隐藏于底盘之下的一个关键部件是非比寻常的前副车架横梁部件，它使得汽车既满足了Mustang的车迷们颇为苛刻的要求，又符合那些重量要求，它结合了多个功能特性，包括支撑发动机、悬挂和转向构件。该部件由位于Troy MI的ThyssenKrupp Budd 公司底盘制造研发小组所开发，并在公司位于Hopkinsville KY的生产车间内经过冲压和组装，据ThyssenKrupp Budd公司的工程人员介绍，它采用与任何传统副车架或周边支架截然不同的方式来分布车身附件和载荷路径。
        
        六个主要的转送和连续冲压件
        
        副车架横梁部件是福特公司的代号为S197的项目，它由六个主要的冲压件组成，包括左右上下K-元件（ThyssenKrupp Budd公司称该部件为K车架设计），它们使得该部件能够支撑起发动机、悬挂和转向构件。对于福特公司而言，它是独特新颖的，而且为原始设备制造商（OEM）提供了以下优点，例如重量减轻（它仅重36.5磅，与即将被取代的Mustang副车架相比，重量减轻了30％）、经久耐用以及最佳加工。
        
        除了主要的冲压件之外，该部件还包括四个由供应商冲压好的托架，四个抗压碎的管子和八个焊接螺母。在车间内，这些零部件沿着一条生产线被组装到一起，生产线上有五个机器人焊接装配单元，它们凸焊螺母，采用后钻孔方式钻两组安装孔，将托架与横梁连接在一起，弧焊上、下部的K元件冲压件，并将K元件连接到主横梁上。
        
        Tom Whomsley说“该部件的特别之处在于，获取逐个分解的冲压零件并将它们焊接起来，同时保持尺寸的完整性，实际上这也是它在市场上取得成功的原因，” 他还说，“这些部件具有非常紧密的公差——它们对于车辆的加工至关重要。很多装配公差比用在以前的Mustang汽车上的公差的一半还小，这促使我们的冲压和装配工序要加以改变。”
        
        “为了符合那些紧密的装配公差，” Whomsley接着说，“冲压件公差被减小了一半，减至±0.25 mm。严格检查焊接的修剪边缘以及配套冲压件之间的配对形状，从而使焊接一致，装配尺寸固定不变。我们不出售冲压件，而是出售完整的装配件。”
        
        使大型的Mustang副车架部件保持紧密的公差，这对ThyssenKrupp Budd公司的团队和它的开模工支持团队来说仅仅只是一项挑战。它还面临着以下挑战，如时间紧和钢材质量的问题，尤其具有挑战性的拉伸工序，以及使一个特别薄的板材零件（在高传送速度下容易飘动并从模具上飞脱）达到最大的转送速度。
        
        从开始生产到投放市场的三个月
        
        虽然公司花了近五年的时间来完善K车架设计，但是它只有三个月的生产－投放市场时限，即从2004年5月的PSW日期（零件提交保证，当有关质量和生产能力的所有问题都得以解决时）到2004年8月投放市场的日期。在5月份的PSW日期之前，它要解决与成形有关的几个重要问题。
        
        对于起动机部分，设计小组最初把K元件设计并加工成七站转送冲模零件。2003年初，Hopkinsville和Troy的模具工程师们通过仿真认为，零件（上部和下部K元件）可以在级进模中在车间的1500吨冲压机内移动。制造K车架的所有材料是0.075英寸厚的HSLA钢：抗屈强度为51,000-psi，抗张强度为62,000-psi。
        
        加工部经理John Mersch说，“这项任务我们节省了大量的加工费用，并且使产量显著增加”。
        
        车间运行两台转送冲压机——2700吨和3000吨Komatsu型——最大冲压速度为15次冲程/分钟。当我们于2004年11月参观时，级进模以30次行程/分钟的速度输出K元件。模具工程师们在尝试改进载运带的设计，力图使此速度每分钟再多出2到3次行程。
        
        “从转送冲压变成连续冲压所面临的最大挑战是带的布置以及保持修剪线和孔洞上苛刻的公差和可重复性，” Mersch说，“正因为如此，所以我们才在装配元件上对该车架构件的重要连接点进行后打孔。”
        
        我们在模具室内看到了冲模，模具工人们在这里增添加强梗以解决轻微回弹问题，并重新制作带导向器以帮助零件在每次冲压之间保持稳定，还可以使行程速度增加。级进模在冲压车间内工作两小时可以冲压出相当于福特公司一周的产品库存量。车间已改进了快速冲模更换工序，从而使最后一块料落下到第一块料落下所花的平均时间达到20分钟。
        
        转送中的一项困难的拉伸
        
        横梁冲压件在八站冲模中在车间的转送冲压机内移动。据Merch介绍，这些零件需要深冲压，这一点是最独特的设计特点，并因此给零件的成形造成了最困难的挑战。
        
        Merch说，“这种拉伸设计，以及开发它周围的外廓，对于获得必需的刚性以使发动机能安装在那个地方显得至关重要。设计模具以便用一块料来制造冲压件，这一任务具有相当大的挑战性，因为这种高强度合金在成形期间会显著硬化。我们必须小心，不能在某些区域内过度加工它，并且要进行大量的仿真以免深冲压出现开裂和增厚现象。”
        
        位于Troy的ThyssenKrupp Budd工程师们在法国供应商ESI集团公司提供的PAM-Stamp软件上进行仿真。
        
        模具工程师Shaunee Underwood解释说，“为了完成这种拉伸，我们不得不重新考虑预成形过程，以达到必要的线路长度，以免在最后一个拉伸站出现过度拉伸，并防止撕裂。我们不按拉伸的方向进行预成形，而采取凸起预成形，所用变形量比我们起初按照凹陷方式来仿真站时曾用过的变形要小。PAM-Stamp使我们能将材料的预成形减到最小，并且依然达到所需的线路长度。”
        
        在对凸起部分进行最后的拉伸以后，冲模站剪裁出一个方孔，并使零件具有凸缘。
        
        Underwood说明了在15次行程/分钟的速度下使横梁成形所面临的第二项挑战，“所需的速度对于我们而言是打出一个‘全垒打’，而不仅仅只是一个‘本垒打’（速度为12次行程/分钟）。该零件非常薄，在转送时容易飘动。我们和转送系统的供应商——Syron工程与制造公司(Saline MI)一起协作，仔细观察我们的传递窗，以确保冲模的结构不会妨碍转送。当Syron构造好转送指以后，它的工程师们和我们一起安装模具，以便用最佳方式来定位转送指，从而将飘动减小到最低程度。我们的速度仍然是12次行程/分钟，而我们希望达到15次行程/分钟的速度。”
        
        在高速转送时，冲压件容易从模具上飞脱，这一问题使得模具工程师们回到制图板前，他们提供了一种解决方案：采用气动升降机构而非氮插销。
        
        Mersch解释说，“通过使用双管气动升降机构，我们可以控制上来的零件。我们将升降机构拨动180到185度，这样一来零件以最小的移动跟随压头升起。这使零件保持稳定，足以令我们获得额外的3次行程/分钟。”
        
        为了满足生产需要，转送冲压机每周使用1.5到2班Mustang冲模，而焊接装配线每天运行两班。
        
        钢材问题
        
        即使是安排得最好的设计和生产计划也可能出错，2004年3月恰好就发生了这样的情况，据Merch说，车间那时开始出现钢材质量问题。
        
        “钢材的质量和供应问题着实在不恰当的时候打击了我们，”他说，“在为横梁冲压件考虑拉伸的复杂性的时候。我们曾经制造了某些零件，三年都未出现开裂的问题，那时却突然在整个区域都出现开裂现象，对冲压件造成了灾难性的影响。对于K车间装配件，我们要求n值为0.13，伸长百分之二十五，以避免开裂。我们与钢材供应商密切合作以确保钢材质量。”
        
        “我们还改变了冲模上的修剪位置以避免连续切削，”Underwood补充说，“我们发现拉伸凸缘即使只有一个由连续切削引起的极微小的缺口，也会导致钢材开裂。有一次，我们甚至发现转送冲压机上的坯料盒把钢材割开了。我们不得不移动导杆来解决这一问题。”
        
        除了重新设计制造一些模具，以及开一个稍稍宽一点的运动窗口之外，车间发现最好的解决办法是一种新的模具表面处理工序，它将润滑油的消耗减小到最少。车间还安装了一个中央润滑系统来优化润滑油的输送。
        
        “现在我们购买浓缩型润滑油，在这里将它与水混合，”工程经理Kurt Spencer说。“我们采用容积泵通过一个支管系统来分配混合物。管道穿过底座，向上进入冲压机，这使我们能够灵活地在冲压件上需要润滑的地方精确地放置经计量的润滑油。”
        
        在削减的供应基础上工作
        
        ThyssenKrupp Budd根据它的冲压机座和窗口尺寸以及冲压时间的可用性，决定把冲压件承包给其他生产者。
        
        “在过去的10年里，” Whomsley说，“我们已经做出了很大的努力来减少我们的供应基础。我们曾寻找能够提供全面服务支持的供应商。这使我们不再与较小的冲压商合作，转而联系更多中型的、不同的工厂。如今，我们从近12个工厂来获得冲压件，它们全都经过质量体系9000认证。当然，要为福特公司提供冲压件，供应商必须具有Q1证书。”
        
        “我们的中心采购部门评价未来的供应商，” Whomsle接着说，“当我们在车间里处理后勤事务时，我们的Troy总部在进行报价和购买。我们对合作的冲压件供应商的数目感到满意，并且我们因此轻松了许多。”