談柔性激光落料線在汽車板加工領域的應用

王琦 陳春 王梓

摘 要：本文介紹了激光落料線的發展趨勢、工作原理及優勢特點，并分析了激光與傳統落料的優劣;著重對激光落料線在汽車板加工領域的應用進行了闡述。

關鍵詞：柔性落料線;激光切割;汽車板加工;輕量化;

前言：近年來，汽車輕量化技術發展迅速，是汽車行業發展的很關鍵的衡量標準和趨勢。高強度鋼、鋁合金等在汽車減重、降低能耗、提高安全性方面優勢明顯。

隨著新材料不斷投入使用，產品更新的周期越來越短，批量也越來越小，傳統的沖壓機落料線由于模具易磨損、換型困難、表面加工質量不高等諸多不足，已逐漸不符合汽車企業快速變化的生產要求。隨著激光器的功率提升和高速激光切割工藝的提高，激光落料的優勢日益凸顯。2015年6月，德國舒勒公司為戴姆勒研制的兩條激光落料線在庫彭海姆的奔馳工廠投產，可對連續送料的金屬板料動態切割，加工出的多種形狀料片可用于后續車身成形。兩條激光落料線一經問世，在行業內引起極大轟動，一場傳統行業的變革拉開了序幕[1]。

1汽車輕量化工藝介紹

1.1輕量化材料

1.1.1 高強鋼

汽車用先進高強鋼的研究在基礎工藝和加工應用領域不斷取得突破性的進展，目前超高強鋼的工業強度已突破1500Mpa的限值，正處于高成形與超高強度的第三代高強鋼發展階段。在ULDAB項目中，將不同強度的高強鋼進行了明確的區分;將屈服強度為0-550MPa的鋼定義為高強度鋼（HSS），屈服強度超過550MPa的鋼屬于超高強度鋼（UHSS），而屈服強度覆蓋HSS和UHSS的高強度鋼則定義成先進高強度鋼（AHSS）。

1.1.2 鋁合金

在汽車加工領域，ABS是汽車車身薄板（Auto Body Sheet）的縮寫，目前市場上主流的ABS鋁合金板分成兩大類：內板和外板。外板的性能標準和生產難度都很高。在《新材料產業“十二五”發展規劃》的材料中已明確指出，發展ABS的鋁合金為6000系列中的6016、6022、6111。該系列鋁合金以Si、Mg為主要合金元素，鋁合金經過預處理后具有良好的成形性，無屈服點延長，是作汽車外板的擇優選擇。

1.2 高強鋼和鋁合金的機械加工

高強鋼的抗拉強度高，延伸率跨度大，對設備所提供的沖壓力、剪切力、模具的材料及熱處理等工藝要求也較高。傳統的沖壓落料線加工高強鋼，很容易遇到卡料、出現微小裂痕、鋼板明顯開裂等情況。

鋁合金不同于高強鋼，材質偏柔軟，沖壓落料很容易造成壓傷、刮傷、變形、毛刺大等問題，沖壓模具的間隙值、清潔度等關鍵因素也很難精確的測量出來，嚴重影響落料的質量。

1.3光纖激光切割的優勢

如何讓落料更加經濟高效，是成形模具設計需要仔細思考的重要問題。激光很容易切出各種符合要求的異形輪廓，可以最大程度的滿足汽車車身零部件生產中沖壓拉伸工序的要求。激光切割的工藝是激光束聚焦產生高密度光斑，材料以最快速度蒸發形成小孔后，移動激光束在材料表面形成細長狹窄光亮的連續割縫。

近十年來，光纖激光器發展迅猛，使用成本顯著縮減，維修便捷，切割速度有質的提升，對以薄板為主的汽車用板是優中之選，漸漸取代了傳統切割機，占據了主流市場的半壁江山。

2動態激光落料線

2.1 激光落料線概述

激光落料線是顛覆傳統行業，帶來巨大變革的產品， 創新點是用光纖激光切割機替換掉傳統落料線的核心主機（壓力機），功能上將沖壓落料線、激光切割機、橫切線三線功能匯聚一身，實現了對汽車異形板的無接觸加工。

激光落料線對比于傳統具有無模具工藝、柔性編程、動態流切割等特點，兩者性能指標對比具體參考表1：

2.2 激光落料線工藝原理

柔性激光落料線是對傳統工藝的重大變革，整條線的核心主機是激光落料單元，主要機組及加工流程包括：

鋼卷上卷→開卷機組 →矯平校直機組→活套機組→壓送機構送料→柔性激光切割機床→機器人動態下料→碼垛。

具體工作原理是：鋼卷卷料經由上料小車送入開卷機，經校平定尺單元對板料進行矯平校直后，經由壓送機構的夾料輥夾持，調整至板料兩邊邊緣的邊波最小且在公差要求范圍內，平整的鋼板經由壓送機構被送至激光切割機床，鋼板以連續輸送（無間歇停頓）的方式流經切割區域，多激光切割頭與輸送機構協調運動，不間斷鋼板送料的前提下完成動態切割，切割零件被送至后續的機器人動態下料單元，多臺機器人與視覺相機互相配合，識別出工件輪廓，完成料品分離與零件堆垛工作。此設備設計理念先進，自動化程度高，可滿足客戶多種產品頻繁切換的生產需求、表面加工質量光滑無毛刺，生產節拍快、效率高，均優于傳統落料。

3激光落料線的特點與優勢

3.1 激光落料線的工藝特點

激光落料擺脫了材料對加工的束縛，在多種材料的質量與輪廓精度方面表現更佳，材料的強度不會成為激光切割的桎梏，高強鋼、鋁合金等此類汽車用板可通過激光輕松加工;從生產經營的角度而言，激光落料安裝維護成本更低，占地面積更少，這對最終客戶是很大的優勢，具體可參考下圖[2]。

3.2 激光落料線的特性分析

（1）激光落料切割方式的選擇

斷續切割特點上和平面切割機差別不大，勝在穩定，開發難度低，適用于低端市場;連續動態激光切割是高端市場的主流落料方式，節約送料等待的時間，大大提升效率，但開發的難度極大，也是本文闡述的落料方式[3];

（2）鋼板偏角動態補償功能

在鋼板連續送料過程中，板材角度偏移（即板材邊緣與機床機械坐標系沒有完全平行，出現夾角）的情況很難完全避免，主要有兩部分原因：第一，根據國標標準，經過縱切的鋼卷，由于自身特性，每2米約有2毫米的鐮刀彎，無法消除;第二，鋼板在傳輸過程中，機床中心線與輸送機中心線很難做到絕對重合，對于有切邊需求的工件，鋼板動態實時偏擺是落料生產的一大不穩定因素。會導致以下種種問題：切割圖形偏出鋼板的范圍，隨動機構撞擊劍柵;因切割的板材在變，切割圖形固定但鋼板的偏移是實時變化的，導致切割圖形無法封口或斷點續切時連接不上。本設計采用視覺相機拍出鋼板的偏移角度，進行機床工件坐標系的偏移，使套料軟件規劃的圖形排版能夠精準的映射到鋼板上。工作原理為線性光源照射至板材邊緣，測量出兩個相機的偏差值之后，與相機之間的距離（已知量）做換算，可計算出鋼板當前的偏轉角度。

（3）智能劍柵動態調整功能

鋼板輸送機構采用智能劍柵結構。多組劍柵均勻分布在環形傳送帶上，每組劍柵上有多個可無限旋轉的支持點來固定鋼板。劍柵在支撐鋼板的同時，在到達切割區域之前根據切割軌跡提前進行預調整，以躲避激光的切割，鏈條結構不同于皮帶，可達到很高的加工速度與精度。

結束語：柔性激光落料線是顛覆鈑金加工行業的產品，可適應汽車輕量化對高強鋼、鋁合金的加工要求，適合應用于汽車的主機廠及一級供應商、鋼廠、家電主機廠等行業，發展前景和市場價值都具有無限潛力。

參考文獻：

[1]舒勒集團. 舒勒亞洲首條雙激光頭開卷落料線[D]. 鍛壓裝備與制造技術， 2018， 53（6）：5.

[2]李娜. 鋼鋁混合開卷落料線探討與應用[J]. 鍛壓裝備與制造技術， 2017，52（2）：22-24.

[3]曾令超. 開卷落料線規劃設計思路淺談[J]. 裝備制造技術， 2019（1）：226-231.