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铝冲压成型工艺是未来发展趋势?带您深度解读

2022年06月22日


 

 

当前汽车铝合金板的应用得到了有效推广,从奥迪的全铝车身,到奇瑞捷豹路虎的部分铝车身,再到江淮蔚来的ES8全铝车身。随着铝合金的全面应用,冲压生产线技术也在不断的成熟完善。

 

和传统钢板生产一样,冲压生产分为:来料→拆垛分张→对中→拉延→切边冲孔等工序→检验→装箱,还有辅助工序:模具维修、工件返修等。区别主要在拆垛、分张及传输过程中。下面从人、机、料、法、环五个方面简要分析。

 

人力资源作为冲压生产成本的主要组成部分将来大部分会被机器所替代,但目前来说是无法做到的,尤其是检验、维修、返修等相对技术要求较高的人员。相对于钢板生产来说,由于铝合金可塑性好的特性,出现产品缺陷的几率高,所需要的检验、返修人员也多,项目初期,侧围等重难点件的返修率几乎高达100%。检验人员要能准确、高效的判断产品缺陷,返修人员要快速的修复产品缺陷,该两类人员虽然是冲压辅助工种,但也是铝合金生产交付过程至关重要的,占整个冲压人员约50%。其余操作人员和模具维修人员相较于钢板生产可以正常配备。

 

压力机为冲压生产的关键设备,机器人为自动传输的设备。目前自动化生产线为新建冲压标配,但部分工厂还使用人工上下料的原有旧设备。铝合金对于压力机的要求来说,主要体现在第一台。原先第一台为多连杆压力机,其中八连杆、六连杆较为普遍,随着伺服控制技术的应用,进口及国产大吨位伺服压力机也得到认可。近几年主机厂新建工厂中,涉及到铝合金生产的,都配备伺服压力机。伺服压力机主要优势为其曲线可控,即滑块速度曲线可控,尤其是拉延过程,速度可以控制在300mm/s以内,最低可以达到125mm/s,相较于传统压力机,速度降低约50%以上,拉延速度的降低给板料减薄过程中的材料流动提供充足的时间,有效提高了产品成形质量。

 

在自动传输设备中,除了机器人外,还有拆垛分张、传输皮带等辅助自动设备。相较于钢板,这一部分的影响最大,最直接。因为铝合金不能磁化的特性,拆垛分张设备不能使用传统的磁力分张,需要风刀和机械辅助组合结构共同完成,其中风刀为压缩空气快速喷射通过板料缝隙将板料分开,机械为齿状辅助抬高,根据不同的形状还需增加防跑偏等机构。另一种影响较大的设备为传输皮带,在线首拆垛后,通过皮带机传输至清洗涂油机处,再传输通过双料检测,最后达到对中区域,整个过程传输3次,目前效果最好的为真空吸附式皮带机。

 

起吊容易变形

 

 

 

板料方面,铝合金主要有三个方面问题。第一,有效期:汽车铝合金主要使用5系、6系铝合金,有效期6个月,经过中间流转的环节,工厂有效期3个月;第二,清洁度:在流转及现场存放过程,铝合金表面清洁度要保证,否则容易出现缺陷;第三,防变形:在流转运输过程,频繁的移动容易使铝板变形,尤其在冲压线首上料过程,建议使用叉车上料,行车流转容易变形。

 

铝合金生产主要工艺方法和钢板是一致的,但细节方面需要特别设计,比如回弹量、刀口间隙值、定位孔尺寸等,主要针对回弹、铝屑、孔变形等问题。检测方法还是采用传统人工判断,以眼看、手摸、油石等手段,随着科技的发展,视觉或扫描等设备的不断完善,相信未来可以实现自动检测。

 

环境要求:洁净度、温度,这两部分对铝合金生产影响大,其中洁净度低会造成外表件凸包的缺陷,目前冲压车间尤其是设备内部地面要进行环氧地坪或者耐磨地坪,车间其余地方耐磨地坪,边角部位难以处理的,可以做局部环氧地坪。车间实行封闭且微负压设计,避免外部灰尘进入。

 

铝屑(上)

油膜(下)

 

 

车间物流出入口设计在一侧,并设置快速卷帘门,物料转移使用叉车在外部装卸,最大限度的保证洁净度。温度方面,考虑车间送冷风,一方面改善员工作业环境,另一方面,保证冲压生产线封闭内部温度不高于35℃,利于铝合金表面油膜的保持。

 

自动化方面

 

从节拍及稳定性方面,传输设备优先推荐单臂机械手,其次双臂机械手。由于各方面原因,选用机器人,节拍7~11spm,单臂机械手可以达到9~13spm,双臂机械手可以达到10~15spm,还有一些更加优秀的,根据自己的规划产量及投入资金选择。拆垛分张要充分考虑板料形状、尺寸,做好防跑偏、分张效果等方面的验证,保证分张的效果,建议气刀和机械组合使用;皮带机强烈要求带真空吸附式皮带,钢铝通用性好,传输稳定。

 

 

压力机方面

 

压力机首选伺服压机,国产伺服压机的表现也在提升,电机型号和布置方式要重点考虑维修方便性和可靠性。随着氮气缸在模具上的普遍使用,后续压机吨位要适当提高,建议主机厂主流较大车型1300吨(或1250吨)。随着各种车型外观的复杂化,冲压工序在增加,五序为最少配置,建议整线吨位配置2500+1300×3。研配压机和试模压机之间,推荐试模压机,因为铝合金模具在调试期间对机床的需求多,如果选择研配压机,需要占用主线资源配合研修模具,正式生产过程铝合金对模具的要求也高于钢板,试模压机更适合。如果最后选择研配压机,吨位建议不低于350吨,配备慢速回程功能,以适应氮气缸的反弹力对机床的影响。

 

返修设备

 

 

 

铝合金板的返修率高于钢板,返修过程会产生大量铝粉,属于易爆危险区域,所以需要专业的除尘设备,建议选择湿式除尘设备,并做好安全、环评等的设计。

 

传感器

 

随着自动化程度的提高,各种传感器的应用也在扩大,例如温度传感器、距离传感器、双料检测传感器、重量传感器等,其中双料传感器为自动化拆垛、传输、端拾器等过程和部件上使用,因为铝板与钢板的不同,需要采用适合铝板的双料检测探头,建议通过式双料检测和接触式双料检测配合使用,提高双料检测的准确性;温度传感器主要应用在压力机主传动关键部位,例如轴承、铜套、主轴等,通过温度监测关键部位的状态;距离传感器应用在接近开关、末料检测等方面,针对传感器的型号和适用范围,选择合适的传感器,保障设备的安全稳定运行。

 

以上基于铝合金的特殊性做了相关注意事项的提醒,下面从使用者的角度,提一个建议。

 

地坑为冲压线附属的一部分,通常布置液压站、储能电机(伺服压机)、废料输送线等,也是压力机底部维修的重点活动范围。地坑设计时一要考虑设备的布置,二要考虑各种设备维修的方便性,这也是设计工程师容易忽略的一点,这一点广汽菲克长沙工厂值得学习,地坑宽度为普通工厂的两倍,设备布置整齐,维修通道顺畅,敞亮大气。

 

 

案例展示

 

Audi奥迪R8采用全铝车身设计,R8车身的高性能复合材料被称为 Audi Space Frame(AFS),其总重量只有 210 公斤,不到钢铁车架的一半重,但是强度和抗冲击性能都十分出色。整个车体成分里,70%是铝合金、13%是增强碳纤维(CFRP)。用奥迪自己的话来说就是:「把正确的材料以正确的数量放在正确的位置」。

 

 

 

R8的铝板成型采用的是液压成型工艺(Hydroforming)打造了R8完美空力弧度

 

 

Tesla特斯拉 Model S 97%车身为轻质铝合金打造,一卷铝材的费用是3万美元,打造全车需要50-60种不同的铝卷材,全铝合金车身的重量仅为190kg。

 

 

 

TESLA使用的串联式液压冲压生产线(Schuler SMG hydraulic tandem stamping press lines)是全北美最大,世界第六大的冲压生产线,总吨位达到11,000吨,每6秒出一件铝材冲压件,每天可生产出5,000件。

 

 

Jaguar捷豹国内首家专制全铝车身车间在(奇瑞捷豹路虎)常熟工厂竣工投产,新版本的XF铝合金应用比率高达75%。

 

 

 

据了解,捷豹常熟新工厂使用世界最快的5序伺服冲压生产线(3秒/件、High-speed servo press line),世界最快的机械冲压生产线(4秒/件),可自由在钢铝材之间无缝切换,75%的模具即可用于伺服高速冲压线也可用于机械冲压线。

 

蔚来汽车与江淮汽车展开深入代工合作,双方基于全球领先的轻量化全铝车身平台先后推出了ES8与ES6车型,而首款合作车型ES8也成为国内第一辆完全自主的全铝车型,该车凭借全车身高达96.4%的铝材使用率,让ES8成为全球量产的全铝车身中铝材应用量比例最高的车型,一举成为了全球轻量化电动车的领先制造商。

 

 

未来汽车为什么要用全铝车身?

 

全铝车身越来越吃香,会不会最终取代钢铁呢?答案是肯定的,但短时间内无法做到。据美国市场研究机构Ducker的一份报告称,目前仅有1%的汽车为全铝车身,预计到2025年,这一数字将达到18%。

 

 

眼下,欧洲车企也只是在高利润率的车型中扩大了铝材料的应用。原因很简单,全铝车身的成本太高。目前,铝的价格约每吨3万元,而每吨钢材的价格仅为7000元左右。如此悬殊的价格差,使很多企业对全铝车身望而却步。

 

 

但是,在减少环境污染和燃油经济性等多重压力下,汽车轻量化已渐渐成了共识。要减少汽车对环境的污染,就要提高汽车的能效,而提高能效主要途径有三条:提高发动机能效、减小风阻、减少车重。三者当中,发动机技术和汽车设计已然成熟,可提升的空间小、成本高。所以,只剩下车身轻量化尚有很大的潜力可挖。

 

 

据国际研究机构实验表明,如果汽车整车重量降低10%,燃油效率可提高6%至8%;汽车整备质量每减少100公斤,百公里油耗可降低0.3至0.6升。以铝代替传统的钢铁制造汽车,可使整车重量减轻30%至40%;用铝制造发动机,可减重30%;铝制散热器比相同的铜制品轻20%至40%;轿车铝车身比原钢材制品轻40%以上。所以,用铝材代替钢铁造汽车,减重效果显著。

 

 

总结来说,全铝车身的汽车更轻、更省油、更安全、更好驾控、更耐腐蚀性,是未来汽车轻量化发展的一大趋势。

 

而铝材(冲压)成型工艺作为全铝车身汽车的第一大工序也必将经历技术革新的过程。液压成型、伺服成型还是铸铝挤压成型等技术工艺,哪种方案最终能在产能、品质、成本中取得平衡,其或将成为铝材(冲压)成型工艺的主流。让我们拭目以待吧!!

  

AMTS & AHTE South China 2022(深圳)聚焦智能冲压工厂、冲压自动化(机械手臂、线尾自动装箱、在线检测等)、高速(伺服)冲压线、冲压新材料(铝板、高强度钢、碳钎维复合材料)及成形工艺(热成型、激光拼焊等)的推动、如何提高材料利用率、模具保养及维护、模具表面处理解决方案、铝板模具的结构设计、3D打印、冲压零部件、设备维护和改造发展趋势,进一步提高商务交流机会。

 

AMTS & AHTE South China 2022 深圳国际汽车制造装备与工业装配技术展览会将于2022年10月12-14日登陆深圳国际会展中心(宝安新馆)。

 

图文来源:AI汽车制造业

 


参展咨询:

电话:86-21-6468 1300

邮箱:amts@rxglobal.com

 

展会预告:

· AMTS & AHTE South China 2022

2022年10月12-14日 深圳国际会展中心(宝安新馆)

· 中国未来交通产业发展峰会——智能网联汽车

2022年10月11-12日 深圳国际会展中心(宝安新馆)

· AMTS 2023

2023年7月5-8日 上海新国际博览中心

 

 


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