汽車板材沖壓技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)探討

楊龍成，趙 兵

（濟(jì)南二機(jī)床集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250022）

1 汽車沖壓行業(yè)發(fā)展概述

1.1 汽車沖壓行業(yè)現(xiàn)狀

近年來，中國(guó)經(jīng)濟(jì)保持中高速增長(zhǎng)，居民收入與消費(fèi)水平穩(wěn)步提高，中國(guó)汽車產(chǎn)銷量整體呈現(xiàn)增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。根據(jù)中汽協(xié)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2011～2017年，我國(guó)汽車產(chǎn)銷量不斷增長(zhǎng)。截止到2018年，我國(guó)汽車產(chǎn)量為2780.9 萬輛，汽車銷售為2808.1 萬輛，銷量連續(xù)十年蟬聯(lián)全球第一。近兩年雖受外部環(huán)境影響，汽車產(chǎn)量有所下滑，但總體產(chǎn)銷量依然巨大。

1.2 汽車板材發(fā)展形勢(shì)

沖壓件是永久性的塑形變形零件，汽車中轎車的沖壓類零件占比在75%以上[1]，目前沖壓件需求量巨大。同時(shí)當(dāng)代汽車正朝著輕量化、節(jié)能環(huán)保、耐腐蝕、節(jié)約成本和安全舒適等方向發(fā)展。為適應(yīng)發(fā)展需求，汽車板材目前形成不同品類的冷軋薄板，包括：為節(jié)能使用的高強(qiáng)鋼板和鋁板；為高成形性的深拉延鋼板；為提升汽車耐腐蝕性的表面鍍層鋼板；為提高汽車減震消音用的復(fù)合板等[2]。在當(dāng)前階段，深拉延鋼板、表面鍍層鋼板、激光拼焊鋼板在車身中應(yīng)用最為普遍，高強(qiáng)板、鋁板、復(fù)合板則占比較小。

研究表明，汽車每減輕10%的質(zhì)量，相當(dāng)于提高8%～10%的燃油效率[3]。因此，汽車輕量化已成為汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展最主要趨勢(shì)。根據(jù)我國(guó)汽車輕量化規(guī)劃，我國(guó)2030 年整車重量將相比2015 年下降35%，由此帶來的沖壓材料發(fā)展如表1 所示。

表1 板料輕量化趨勢(shì)

2 壓力機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)

本文主要從目前常用的機(jī)械式、伺服兩種驅(qū)動(dòng)形式出發(fā)，分析目前三種類型壓力機(jī)在汽車沖壓行業(yè)內(nèi)的應(yīng)用與發(fā)展。

2.1 機(jī)械壓力機(jī)

機(jī)械壓力機(jī)是用曲柄連桿或肘桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、螺桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)的鍛壓機(jī)械。機(jī)械壓力機(jī)動(dòng)作平穩(wěn)，工作可靠，廣泛用于沖壓、擠壓、模鍛和粉末冶金等工藝。

（1）根據(jù)機(jī)身機(jī)構(gòu)可將機(jī)械壓力機(jī)劃分為開式和閉式兩種[4]。開式壓力機(jī)機(jī)身呈C形，剛性較差，公稱力大多在40kN～4000kN，多用于小型零件。閉式壓力機(jī)機(jī)身為框架形式，剛性較好，公稱力大多在1600kN～60000kN，因此多用于大中型零件的生產(chǎn)。由于公稱力及使用可靠性，汽車外覆蓋件連線生產(chǎn)的壓力機(jī)目前采用閉式壓力機(jī)。

（2）根據(jù)應(yīng)用特點(diǎn)可將機(jī)械壓力機(jī)劃分為單動(dòng)壓力機(jī)、雙動(dòng)拉深壓力機(jī)、多工位壓力機(jī)、回轉(zhuǎn)頭壓力機(jī)、熱模鍛壓力機(jī)和冷擠壓機(jī)。如圖1 所示，由于汽車板材自身性能與特點(diǎn)，外覆蓋件類的板材多用大公稱力深拉延的單動(dòng)壓力機(jī)。而立柱、保險(xiǎn)杠類的零件常用多工位壓力機(jī)、熱模鍛壓力機(jī)。

圖1 汽車外覆蓋件和立柱類零件示意

目前國(guó)內(nèi)投產(chǎn)多為高速單動(dòng)壓力機(jī)、多工位壓力機(jī)，這也和汽車產(chǎn)業(yè)目前規(guī)模大，板料材質(zhì)多為普通鋼板的現(xiàn)狀相對(duì)應(yīng)。

2.2 伺服壓力機(jī)

伺服壓力機(jī)在機(jī)械壓力機(jī)的基礎(chǔ)上，去除了飛輪和離合器等傳動(dòng)環(huán)節(jié)，以交流伺服電機(jī)為動(dòng)力，將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為滑塊的直線運(yùn)動(dòng)。在伺服壓力機(jī)的設(shè)計(jì)制造中，德國(guó)、日本等工業(yè)強(qiáng)國(guó)處于領(lǐng)先水平[5-7]。德國(guó)以舒勒公司為代表，19 世紀(jì)開始研發(fā)，2007 年將樣機(jī)引入市場(chǎng)。日本以網(wǎng)野、會(huì)田、小松等公司為代表，均有產(chǎn)品投入市場(chǎng)。國(guó)內(nèi)研發(fā)制造起步較晚，濟(jì)南二機(jī)床集團(tuán)有限公司2007 年研制出國(guó)內(nèi)首臺(tái)10000kN 伺服試驗(yàn)樣機(jī)。

伺服壓力機(jī)更便于柔性控制，與傳統(tǒng)機(jī)械壓力機(jī)相比具有以下優(yōu)勢(shì): 滑塊行程曲線可根據(jù)板料成形需求進(jìn)行定制化設(shè)計(jì)，如圖2 所示。通過柔性控制滑塊曲線可以優(yōu)化模具閉合速度、加速度，從而降低沖擊，減小振動(dòng)和噪聲，延長(zhǎng)模具使用壽命，降低能耗。

圖2 伺服壓力機(jī)與機(jī)械壓力機(jī)滑塊曲線

伺服壓力機(jī)憑借自身性能優(yōu)勢(shì)，雖然國(guó)內(nèi)起步較晚，但隨著汽車板料需求的變化，伺服壓力機(jī)的研發(fā)應(yīng)用會(huì)得到進(jìn)一步發(fā)展。

3 自動(dòng)送料系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)

目前國(guó)內(nèi)新車投放及舊車改型步伐不斷加快，周期越來越短。對(duì)于規(guī)模化、高重復(fù)率的汽車沖壓產(chǎn)業(yè)來說，手工產(chǎn)線己經(jīng)無法滿足需求，以機(jī)器人或送料臂為主的自動(dòng)化沖壓生產(chǎn)線應(yīng)運(yùn)而生。目前一條自動(dòng)化沖壓線可具備每年約10～15 萬輛汽車外覆蓋件的產(chǎn)能。

3.1 幾種主流的自動(dòng)送料線

經(jīng)過多年發(fā)展，目前國(guó)內(nèi)對(duì)于汽車大中型沖壓零件的聯(lián)線設(shè)備需求主要有兩種：串聯(lián)式自動(dòng)化沖壓線和多工位沖壓線。根據(jù)壓力機(jī)和自動(dòng)化送料系統(tǒng)的不同，可將產(chǎn)線進(jìn)行分類[8-9]，具體如表2 所示。

表2 的產(chǎn)線組合目前在汽車主機(jī)廠使用較為廣泛，也符合目前汽車行業(yè)規(guī)模大，更新快的特點(diǎn)。在規(guī)劃產(chǎn)線時(shí)，主機(jī)廠商往往會(huì)依據(jù)產(chǎn)能、投資成本、使用效率等因素在幾種主要方案中綜合考慮[10-11]。目前效率較高的產(chǎn)線適用的板材多為普通鋼板、鋁板、鍍鋅板、激光拼焊板，對(duì)于高強(qiáng)板、合金板、復(fù)合板等，受限于材料屬性，成形效率依然較低。未來隨著特殊板材應(yīng)用比例的加大，其成形設(shè)備的成形效率也會(huì)向著提高的方向發(fā)展。

表2 不同產(chǎn)線組合與特點(diǎn)

3.2 自動(dòng)送料系統(tǒng)中新興技術(shù)的發(fā)展

隨著自動(dòng)化送料系統(tǒng)智能集成程度越來越高，自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用也更加成熟與廣泛，近年來應(yīng)用的新興技術(shù)也越來越多。下面對(duì)幾種新興技術(shù)進(jìn)行介紹。

3.2.1 成形板料自動(dòng)在線質(zhì)檢技術(shù)

常規(guī)線尾在線質(zhì)檢是由人工利用紗網(wǎng)、油石等工具，對(duì)沖壓件表面進(jìn)行輕微打磨，以檢驗(yàn)成形件表面缺陷。但受限于人員經(jīng)驗(yàn)以及視力，使得處于臨界狀態(tài)的缺陷難以被有效識(shí)別。

自動(dòng)質(zhì)檢技術(shù)是基于光柵投射和攝像技術(shù)，以機(jī)器人為移動(dòng)載體，對(duì)零件表面進(jìn)行光柵線條投射，然后對(duì)反射光線進(jìn)行拍攝取像處理。其可檢測(cè)出最小10μm 的隱傷以及最小1mm 的平面缺陷，單次拍照可覆蓋約200mm×300mm 的區(qū)域范圍。目前該技術(shù)在奔馳汽車德國(guó)不來梅工廠已有應(yīng)用，國(guó)內(nèi)只在離線抽檢應(yīng)用該技術(shù)較多。該技術(shù)目前仍受限于成像速度及處理算法，無法做到成形件全檢，只能以成形件關(guān)鍵部位全檢和全尺寸抽檢的形式進(jìn)行。

3.2.2 線尾自動(dòng)裝框技術(shù)

線尾裝框常規(guī)是由人工從線尾傳輸裝置上搬運(yùn)成形板料至存儲(chǔ)料框，料框滿額后由叉車轉(zhuǎn)運(yùn)至沖壓件存儲(chǔ)倉庫。隨著目前產(chǎn)線效率大幅增加，線尾裝框人員數(shù)量會(huì)相應(yīng)增加，無疑加大了生產(chǎn)廠商人工成本。

線尾自動(dòng)裝框是利用機(jī)器人為機(jī)械載體，代替人工進(jìn)行板料的抓取和放置。目前配置線尾自動(dòng)裝框往往需根據(jù)產(chǎn)線效率、廠區(qū)布局來考慮機(jī)器人使用數(shù)量，由于機(jī)器人抓取對(duì)于板料位置精度要求較高，往往需要配置1～2 次的視覺取相來引導(dǎo)定位。

自動(dòng)裝框后的料框可由人工轉(zhuǎn)運(yùn)，也可配置AGV 進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)。自動(dòng)化集成的AGV 轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)裝框工位和沖壓件存儲(chǔ)倉庫有效信息交互，方便中央控制系統(tǒng)對(duì)于產(chǎn)線的實(shí)時(shí)控制與調(diào)整。

3.2.3 油膜自動(dòng)在線檢驗(yàn)技術(shù)

為滿足板料深拉延要求，板料和模具之間需要有潤(rùn)滑層。因此板料在進(jìn)行沖壓前需要由清洗機(jī)或涂油機(jī)在板料表面進(jìn)行涂油。涂油量的大小一般在0.5～1.5g/m2。涂油過多會(huì)導(dǎo)致模具型腔積油過快、輸送皮帶積油過多，進(jìn)而加劇設(shè)備維護(hù)頻率，而且也會(huì)造成油液浪費(fèi)。因此，在板料涂油后會(huì)有人員定期使用油膜檢測(cè)儀器對(duì)板料表面油膜進(jìn)行檢測(cè)。但這種檢測(cè)方式需要板料通過清洗涂油機(jī)后才能進(jìn)行，也因此會(huì)造成產(chǎn)線停機(jī)。往往這種檢測(cè)間隔時(shí)間較長(zhǎng)而且檢測(cè)覆蓋的板型較少。

在線式油膜檢測(cè)儀器的開發(fā)解決了以上問題，可以對(duì)成批次各類型板料油膜厚度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和統(tǒng)計(jì)。進(jìn)而可以根據(jù)數(shù)據(jù)分析有效調(diào)整設(shè)備參數(shù)，保證板料沖壓品質(zhì)。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于該技術(shù)都有應(yīng)用。

4 結(jié)語

汽車沖壓行業(yè)近年來取得長(zhǎng)足發(fā)展。本文結(jié)合目前產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，介紹了現(xiàn)階段主要的壓力機(jī)以及自動(dòng)送料系統(tǒng)品類，分析了目前設(shè)備的差異和特點(diǎn)。結(jié)合“中國(guó)制造2025”發(fā)展方向，闡述了當(dāng)前先進(jìn)技術(shù)自動(dòng)化思路和方向。相信未來隨著技術(shù)的不斷更新和發(fā)展，汽車沖壓產(chǎn)業(yè)會(huì)進(jìn)一步發(fā)展。