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行業(yè)新聞

鋁沖壓成型工藝是未來發(fā)展趨勢?帶您深度解讀

2022年06月22日


 

 

當前汽車鋁合金板的應用得到了有效推廣,從奧迪的全鋁車身,到奇瑞捷豹路虎的部分鋁車身,再到江淮蔚來的ES8全鋁車身。隨著鋁合金的全面應用,沖壓生產(chǎn)線技術也在不斷的成熟完善。

 

和傳統(tǒng)鋼板生產(chǎn)一樣,沖壓生產(chǎn)分為:來料→拆垛分張→對中→拉延→切邊沖孔等工序→檢驗→裝箱,還有輔助工序:模具維修、工件返修等。區(qū)別主要在拆垛、分張及傳輸過程中。下面從人、機、料、法、環(huán)五個方面簡要分析。

 

人力資源作為沖壓生產(chǎn)成本的主要組成部分,將來大部分會被機器所替代,但目前來說是無法做到的,尤其是檢驗、維修、返修等相對技術要求較高的人員。相對于鋼板生產(chǎn)來說,由于鋁合金可塑性好的特性,出現(xiàn)產(chǎn)品缺陷的幾率高,所需要的檢驗、返修人員也多,項目初期,側(cè)圍等重難點件的返修率幾乎高達100%。檢驗人員要能準確、高效的判斷產(chǎn)品缺陷,返修人員要快速的修復產(chǎn)品缺陷,該兩類人員雖然是沖壓輔助工種,但也是鋁合金生產(chǎn)交付過程至關重要的,占整個沖壓人員約50%。其余操作人員和模具維修人員相較于鋼板生產(chǎn)可以正常配備。

 

壓力機為沖壓生產(chǎn)的關鍵設備,機器人為自動傳輸?shù)脑O備。目前自動化生產(chǎn)線為新建沖壓標配,但部分工廠還使用人工上下料的原有舊設備。鋁合金對于壓力機的要求來說,主要體現(xiàn)在第一臺。原先第一臺為多連桿壓力機,其中八連桿、六連桿較為普遍,隨著伺服控制技術的應用,進口及國產(chǎn)大噸位伺服壓力機也得到認可。近幾年主機廠新建工廠中,涉及到鋁合金生產(chǎn)的,都配備伺服壓力機。伺服壓力機主要優(yōu)勢為其曲線可控,即滑塊速度曲線可控,尤其是拉延過程,速度可以控制在300mm/s以內(nèi),最低可以達到125mm/s,相較于傳統(tǒng)壓力機,速度降低約50%以上,拉延速度的降低給板料減薄過程中的材料流動提供充足的時間,有效提高了產(chǎn)品成形質(zhì)量。

 

在自動傳輸設備中,除了機器人外,還有拆垛分張、傳輸皮帶等輔助自動設備。相較于鋼板,這一部分的影響最大,最直接。因為鋁合金不能磁化的特性,拆垛分張設備不能使用傳統(tǒng)的磁力分張,需要風刀和機械輔助組合結構共同完成,其中風刀為壓縮空氣快速噴射通過板料縫隙將板料分開,機械為齒狀輔助抬高,根據(jù)不同的形狀還需增加防跑偏等機構。另一種影響較大的設備為傳輸皮帶,在線首拆垛后,通過皮帶機傳輸至清洗涂油機處,再傳輸通過雙料檢測,最后達到對中區(qū)域,整個過程傳輸3次,目前效果最好的為真空吸附式皮帶機。

 

起吊容易變形

 

 

 

板料方面,鋁合金主要有三個方面問題。第一,有效期:汽車鋁合金主要使用5系、6系鋁合金,有效期6個月,經(jīng)過中間流轉(zhuǎn)的環(huán)節(jié),工廠有效期3個月;第二,清潔度:在流轉(zhuǎn)及現(xiàn)場存放過程,鋁合金表面清潔度要保證,否則容易出現(xiàn)缺陷;第三,防變形:在流轉(zhuǎn)運輸過程,頻繁的移動容易使鋁板變形,尤其在沖壓線首上料過程,建議使用叉車上料,行車流轉(zhuǎn)容易變形。

 

鋁合金生產(chǎn)主要工藝方法和鋼板是一致的,但細節(jié)方面需要特別設計,比如回彈量、刀口間隙值、定位孔尺寸等,主要針對回彈、鋁屑、孔變形等問題。檢測方法還是采用傳統(tǒng)人工判斷,以眼看、手摸、油石等手段,隨著科技的發(fā)展,視覺或掃描等設備的不斷完善,相信未來可以實現(xiàn)自動檢測。

 

環(huán)境要求:潔凈度、溫度,這兩部分對鋁合金生產(chǎn)影響大,其中潔凈度低會造成外表件凸包的缺陷,目前沖壓車間尤其是設備內(nèi)部地面要進行環(huán)氧地坪或者耐磨地坪,車間其余地方耐磨地坪,邊角部位難以處理的,可以做局部環(huán)氧地坪。車間實行封閉且微負壓設計,避免外部灰塵進入。

 

鋁屑(上)

油膜(下)

 

 

車間物流出入口設計在一側(cè),并設置快速卷簾門,物料轉(zhuǎn)移使用叉車在外部裝卸,最大限度的保證潔凈度。溫度方面,考慮車間送冷風,一方面改善員工作業(yè)環(huán)境,另一方面,保證沖壓生產(chǎn)線封閉內(nèi)部溫度不高于35℃,利于鋁合金表面油膜的保持。

 

自動化方面

 

從節(jié)拍及穩(wěn)定性方面,傳輸設備優(yōu)先推薦單臂機械手,其次雙臂機械手。由于各方面原因,選用機器人,節(jié)拍7~11spm,單臂機械手可以達到9~13spm,雙臂機械手可以達到10~15spm,還有一些更加優(yōu)秀的,根據(jù)自己的規(guī)劃產(chǎn)量及投入資金選擇。拆垛分張要充分考慮板料形狀、尺寸,做好防跑偏、分張效果等方面的驗證,保證分張的效果,建議氣刀和機械組合使用;皮帶機強烈要求帶真空吸附式皮帶,鋼鋁通用性好,傳輸穩(wěn)定。

 

 

壓力機方面

 

壓力機首選伺服壓機,國產(chǎn)伺服壓機的表現(xiàn)也在提升,電機型號和布置方式要重點考慮維修方便性和可靠性。隨著氮氣缸在模具上的普遍使用,后續(xù)壓機噸位要適當提高,建議主機廠主流較大車型1300噸(或1250噸)。隨著各種車型外觀的復雜化,沖壓工序在增加,五序為最少配置,建議整線噸位配置2500+1300×3。研配壓機和試模壓機之間,推薦試模壓機,因為鋁合金模具在調(diào)試期間對機床的需求多,如果選擇研配壓機,需要占用主線資源配合研修模具,正式生產(chǎn)過程鋁合金對模具的要求也高于鋼板,試模壓機更適合。如果最后選擇研配壓機,噸位建議不低于350噸,配備慢速回程功能,以適應氮氣缸的反彈力對機床的影響。

 

返修設備

 

 

 

鋁合金板的返修率高于鋼板,返修過程會產(chǎn)生大量鋁粉,屬于易爆危險區(qū)域,所以需要專業(yè)的除塵設備,建議選擇濕式除塵設備,并做好安全、環(huán)評等的設計。

 

傳感器

 

隨著自動化程度的提高,各種傳感器的應用也在擴大,例如溫度傳感器、距離傳感器、雙料檢測傳感器、重量傳感器等,其中雙料傳感器為自動化拆垛、傳輸、端拾器等過程和部件上使用,因為鋁板與鋼板的不同,需要采用適合鋁板的雙料檢測探頭,建議通過式雙料檢測和接觸式雙料檢測配合使用,提高雙料檢測的準確性;溫度傳感器主要應用在壓力機主傳動關鍵部位,例如軸承、銅套、主軸等,通過溫度監(jiān)測關鍵部位的狀態(tài);距離傳感器應用在接近開關、末料檢測等方面,針對傳感器的型號和適用范圍,選擇合適的傳感器,保障設備的安全穩(wěn)定運行。

 

以上基于鋁合金的特殊性做了相關注意事項的提醒,下面從使用者的角度,提一個建議。

 

地坑為沖壓線附屬的一部分,通常布置液壓站、儲能電機(伺服壓機)、廢料輸送線等,也是壓力機底部維修的重點活動范圍。地坑設計時一要考慮設備的布置,二要考慮各種設備維修的方便性,這也是設計工程師容易忽略的一點,這一點廣汽菲克長沙工廠值得學習,地坑寬度為普通工廠的兩倍,設備布置整齊,維修通道順暢,敞亮大氣。

 

 

案例展示

 

Audi奧迪R8采用全鋁車身設計,R8車身的高性能復合材料被稱為 Audi Space Frame(AFS),其總重量只有 210 公斤,不到鋼鐵車架的一半重,但是強度和抗沖擊性能都十分出色。整個車體成分里,70%是鋁合金、13%是增強碳纖維(CFRP)。用奧迪自己的話來說就是:「把正確的材料以正確的數(shù)量放在正確的位置」。

 

 

 

R8的鋁板成型采用的是液壓成型工藝(Hydroforming)打造了R8完美空力弧度

 

 

Tesla特斯拉 Model S 97%車身為輕質(zhì)鋁合金打造,一卷鋁材的費用是3萬美元,打造全車需要50-60種不同的鋁卷材,全鋁合金車身的重量僅為190kg。

 

 

 

TESLA使用的串聯(lián)式液壓沖壓生產(chǎn)線(Schuler SMG hydraulic tandem stamping press lines)是全北美最大,世界第六大的沖壓生產(chǎn)線,總噸位達到11,000噸,每6秒出一件鋁材沖壓件,每天可生產(chǎn)出5,000件。

 

 

Jaguar捷豹國內(nèi)首家專制全鋁車身車間在(奇瑞捷豹路虎)常熟工廠竣工投產(chǎn),新版本的XF鋁合金應用比率高達75%。

 

 

 

據(jù)了解,捷豹常熟新工廠使用世界最快的5序伺服沖壓生產(chǎn)線(3秒/件、High-speed servo press line),世界最快的機械沖壓生產(chǎn)線(4秒/件),可自由在鋼鋁材之間無縫切換,75%的模具即可用于伺服高速沖壓線也可用于機械沖壓線。

 

蔚來汽車與江淮汽車展開深入代工合作,雙方基于全球領先的輕量化全鋁車身平臺先后推出了ES8與ES6車型,而首款合作車型ES8也成為國內(nèi)第一輛完全自主的全鋁車型,該車憑借全車身高達96.4%的鋁材使用率,讓ES8成為全球量產(chǎn)的全鋁車身中鋁材應用量比例最高的車型,一舉成為了全球輕量化電動車的領先制造商。

 

 

未來汽車為什么要用全鋁車身?

 

全鋁車身越來越吃香,會不會最終取代鋼鐵呢?答案是肯定的,但短時間內(nèi)無法做到。據(jù)美國市場研究機構Ducker的一份報告稱,目前僅有1%的汽車為全鋁車身,預計到2025年,這一數(shù)字將達到18%。

 

 

眼下,歐洲車企也只是在高利潤率的車型中擴大了鋁材料的應用。原因很簡單,全鋁車身的成本太高。目前,鋁的價格約每噸3萬元,而每噸鋼材的價格僅為7000元左右。如此懸殊的價格差,使很多企業(yè)對全鋁車身望而卻步。

 

 

但是,在減少環(huán)境污染和燃油經(jīng)濟性等多重壓力下,汽車輕量化已漸漸成了共識。要減少汽車對環(huán)境的污染,就要提高汽車的能效,而提高能效主要途徑有三條:提高發(fā)動機能效、減小風阻、減少車重。三者當中,發(fā)動機技術和汽車設計已然成熟,可提升的空間小、成本高。所以,只剩下車身輕量化尚有很大的潛力可挖。

 

 

據(jù)國際研究機構實驗表明,如果汽車整車重量降低10%,燃油效率可提高6%至8%;汽車整備質(zhì)量每減少100公斤,百公里油耗可降低0.3至0.6升。以鋁代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼鐵制造汽車,可使整車重量減輕30%至40%;用鋁制造發(fā)動機,可減重30%;鋁制散熱器比相同的銅制品輕20%至40%;轎車鋁車身比原鋼材制品輕40%以上。所以,用鋁材代替鋼鐵造汽車,減重效果顯著。

 

 

總結來說,全鋁車身的汽車更輕、更省油、更安全、更好駕控、更耐腐蝕性,是未來汽車輕量化發(fā)展的一大趨勢。

 

而鋁材(沖壓)成型工藝作為全鋁車身汽車的第一大工序也必將經(jīng)歷技術革新的過程。液壓成型、伺服成型還是鑄鋁擠壓成型等技術工藝,哪種方案最終能在產(chǎn)能、品質(zhì)、成本中取得平衡,其或?qū)⒊蔀殇X材(沖壓)成型工藝的主流。讓我們拭目以待吧!!

  

AMTS & AHTE South China 2022(深圳)聚焦智能沖壓工廠、沖壓自動化(機械手臂、線尾自動裝箱、在線檢測等)、高速(伺服)沖壓線、沖壓新材料(鋁板、高強度鋼、碳釬維復合材料)及成形工藝(熱成型、激光拼焊等)的推動、如何提高材料利用率、模具保養(yǎng)及維護、模具表面處理解決方案、鋁板模具的結構設計、3D打印、沖壓零部件、設備維護和改造發(fā)展趨勢,進一步提高商務交流機會。

 

AMTS & AHTE South China 2022 深圳國際汽車制造裝備與工業(yè)裝配技術展覽會將于2022年10月12-14日登陸深圳國際會展中心(寶安新館)。

 

圖文來源:AI汽車制造業(yè)

 


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電話:86-21-6468 1300

郵箱:amts@rxglobal.com

 

展會預告:

· AMTS & AHTE South China 2022

2022年10月12-14日 深圳國際會展中心(寶安新館)

· 中國未來交通產(chǎn)業(yè)發(fā)展峰會——智能網(wǎng)聯(lián)汽車

2022年10月11-12日 深圳國際會展中心(寶安新館)

· AMTS 2023

2023年7月5-8日 上海新國際博覽中心

 

 


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