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新一代冲压生产工艺

   日期:2017-06-23     来源:中国汽车制造网    作者:i汽车制造    浏览:47    评论:0    
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如何控制材料在拉延加工过程中的流动性是汽车外覆盖件冲压领域一项持续改善的课题。现在,伺服压力机的出现彻底改变了传统生产工艺。本文通过介绍广本新进建成的一条大型轿车外覆盖件冲压生产线,向我们展现了伺服驱动与成形工艺的特点及先进性。
一直以来,冲压工作者不断进行着冲压工艺的持续改善,并取得了优异的成绩。比如,引入高润滑钢板作为外覆盖零件的生产材料,使材料等级从F级降低到D级,降低了原材料成本;对拉延模具的形面进行镀铬,减少摩擦系数改善材料在拉延加工过程中的流动性能,从而减少坯料尺寸,降低材料的使用量等。但由于传统机械式冲压生产线加工特性的限制,冲压工作者只能通过改善模具、选用成形等级更高的材料来提高成形工艺。事实上,从现在的模具制造工艺和材料性能来说,改善冲压加工工艺的难度已经很大了。
传统串联式机械压力机冲压生产线的局限性主要体现在两个方面:一是,压力机滑块和缓冲垫动作模式固有,行程中速度和压力不能控制,无法使用零件成形时所需要的最优化的速度和压力进行加工。二是,生产线中各设备动作采用连锁信号前后启动的方式,整线设备动作不能用模式化进行控制,整线生产速度难以超过12件/min。
于是,迫切需要一种新型加工设备,能够根据模具和材料的加工特性自行调整加工速度和加工压力,在模具设计时同时设计出所需压力机滑块加工区域相应的加工速度和压力,达到更好的成形效果。基于以上冲压加工要求,冲压加工设备正在从传统的机械传动方式向新一代的伺服驱动方式过渡,以适应冲压技术的发展趋势,具体表现是:采用大转矩伺服电动机直接驱动压力机滑块、旋转摆动横杆式伺服搬运装置;模式控制器统筹控制全线各设备动作状态,工业计算机直接参与生产管理控制。这些新型控制技术的应用,使冲压生产线的成形性、生产性大幅向上。

对于冲压生产范畴而言,新一代的设备随之带来了新一代的冲压生产工艺。正是这种由设备自动化控制技术的进步产生出来的生产工艺,使生产线不但能追求极限的生产效率,而且提高了加工技术,降低了钢板材料的使用成本。
伺服驱动与成形工艺
汽车外覆盖件(特别是形状复杂的零件)生产工艺中,如何控制材料在拉延加工过程中的流动性是冲压领域一项持续改善的课题。以往的机械压力机采用飞轮储存能量,通过离合制动器驱动滑块。在这种驱动方式下,在冲压行程中滑块的速度不能根据加工工艺需求进行改变。对于拉延工序,虽然采用多连杆传动机构,使滑块具有匀速下降、慢速加工及快速返回的运动特性;但在当前对加工要求越来越苛刻的年代,其局限性越来越大,已渐渐不能满足加工要求。以往要提高冲压零件的加工质量,在模具设计时,只能在模具和材料上想对策;在实际生产过程中,也只能通过研磨模具、给坯料涂拉延油的方法提高加工工艺。
伺服压力机的应用,彻底改变了传统生产工艺。由于伺服压力机滑块在运行行程中速度可以改变,在加工区,滑块可以根据零件的成形特性用相应的动作进行加工;在非加工区,滑块配合整线的生产速度要求进行相应最优速度的运动。图1对比了机械压力机和伺服压力机滑块在拉延工艺中的行程特点。在整个行程中,伺服压力机比机械压力机具有更好的加工特性和生产特性。伺服压力机的滑块行程中,对滑块的速度与压力、缓冲垫的压力都能进行精确控制,滑块与缓冲垫接触时降低速度。同时,缓冲垫有预加速功能,缓冲垫先行下降,实现软接触;成形加工时,缓冲垫压力可变,回程时具有没有回弹的锁定功能。通过滑块与缓冲垫的配合控制,改善冲压过程中的材料流动,增加拉深,减少回弹。
伺服压力机生产线
2010年,广汽本田汽车有限公司(简称“广本”)向日本会田公司购买了一条生产大型轿车外覆盖件的冲压生产线。如图2所示,该生产线由4台大型伺服压力机和4台旋转长摆臂横杆式伺服搬运装置构成,实现整线18SPM的空运转速度和1min模具交换功能,目标是适应冲压加工工艺进化要求的同时追求极限生产效率,构建起具有绝对竞争力的新一代冲压生产线。

1.生产线的先进性
(1) 整线模式化生产 采用一个模式控制器对整线进行上位控制,统一控制滑块非加工区速度和搬运装置速度,从而调整生产线整体的生产速度。对应不同的零件可设置不同的生产速度模式,每次生产时自动执行。生产过程中如果要改变生产线生产速度,只需输入生产所需要的速度值,模式控制器执行相关运算后,自动调整各压力机滑块非加工区速度和搬运装置速度,从而自动调整整线的生产速度,非常方便。
(2) 成形系统 由于伺服控制的高柔性先进生产技术,改变了以前新车型模具“按照冲压生产线设备要求进行模具制造”的设计方式,在新车型模具设计过程中,同步设计出拉延压力机滑块行程动作、缓冲垫的压力调整、滑块动作与缓冲垫压力机的最优化配置、生产线与模具相匹配最优的生产速度,以及如何达到最优化配置的干涉数据。模具制造完毕后在生产线开始调试时,直接将这些参数输入生产线控制系统,生产线各设备就能执行相应的动作状态,实现根据各零件的加工特点生成预设的成形模式,与模具进行精密匹配,达到深拉延覆盖件高效生产的效果。这种做法的优势不仅能使设备与模具完全匹配提高冲压成形效果,而且能缩短新车型模具调试时间、零件转线生产时的模具调试时间和投产初期尽快进入质量稳定时期的时间,从而缩短整个新车型的开发时间。
(3) 搬送系统 运用计划性轨迹的控制方式实现每个零件最优的搬送轨迹。控制系统有预设的轨迹模式,轨迹调试时不用示教,只需输入上模的最大干涉位置坐标和下模零件的放件高度,搬送系统自动形成最优的搬送轨迹。一般情况下,模具安装完毕后,用拉尺测量的方法就能量出上模最大干涉位置坐标和下模零件放件高度(上模离滑块中心最远的空间点、下模形面距离工作台高度)。如果条件允许,在计算机模具设计软件中测量模具3D截面数据,获取精确的上模最大干涉位置坐标和下模零件放件高度数值,这样搬送系统生成的轨迹是100%最优的。生产时,运用拉尺测量的方法系统也能生成接近最优的轨迹,且方法直观简单,容易运用。

(4) 优化系统 当每台压力机滑块生成最优动作模式,且每台搬运装置生成最优搬运轨迹后,上位优化系统会进行综合优化演算,演算出全线生产速度最快的生产动作模式;并且用画面进行生产动态模拟验证,完成后生成零件的最大生产速度数据;数据储存在模式控制器中,生产时自动调用,节约了新零件投产时生产线生产速度优化的时间。
(5) 生产管理系统 现在大部分冲压生产线的生产方式是通过操作人员按照纸版计划表进行实时操作设备实现的。操作人员操作设备,结束生产、换入下一个零件模具和坯料、再启动生产实现;或者生产线自动完成当前零件批次预设的生产数量自动停止等待,操作员再操作实现。这种方式的特点是通过操作员的具体执行来体现计划性。然而,本次导入的生产线有一套非常柔性的生产管理系统,工业计算机上以表格处理文件为平台,当操作人员将一天的生产任务输入后,生产线会按照在电脑系统预设的生产计划自动执行生产任务,生产的停止、换模和再生产按照计划自动实施。如果需要改变计划时,更改预设的生产计划就能实时更改生产线的生产任务。这样,生产计划由生产线直接执行,无需操作人员多次操作,令生产线结束生产、换模和再生产的节奏更加紧凑。
(6) 防干涉系统 避免生产线在高速生产过程中因发生异常紧急停止,各设备碰撞故障的情况发生。冲压生产线控制技术中,提高生产线速度会增加紧急停止情况下各设备相撞的风险,特别在生产线以18SPM高速运行的情况下,如何避免生产线连动过程中异常紧急停止时引起的碰撞是个难题。为达到目的,特别设置了平行生产线各设备制动动作防止碰撞的控制系统,上位PLC实施对整线各设备动作状态的同步时钟监控和紧急停止时制动器动作的顺序控制。当生产线中各设备发生同步偏差时,立即执行异常控制程序,实行制动器惯性运动控制。比如异常时,如果滑块在上升过程,会到达上死点才刹车停止;搬运装置在离开冲床退避途中,会到达原点才刹车停止等。通过这种控制,可有效避免联动运转中装置故障停止时的碰撞。
(7) 保全支援系统 现在大部分设备的支援系统只有故障代码,发生故障时,根据相应代码再查阅相关图纸排查故障,处理周期长。该生产线的上位计算机中,有一个非常全面的指导故障排查系统。发生故障时,上位计算机自动显示相关的故障信息和维修方法,设备维修人员在系统中确认故障的具体部位和故障内容,再查阅系统中相关的图纸资料,根据维修提示快速排查故障,使故障排查时间得到缩短。
(8) 监视系统 生产线设置16支高清摄像枪对全线所有加工区、相关工作台区域进行监控录像,生产线前后各设置一块大型显示屏进行16分屏显示实时画面。上位机的操作人员和线后的生产人员都能了解全线的实时生产状态,保证上位机操作员是在安全的情况下对全线进行操作的。系统的另外一个优点是有录像回放功能,当设备发生故障时,回放画面进行观察,确立各设备异常停止的先后顺序,对查找故障的原因提供重要的判断参考。

2.生产线的导入效果
广本这次导入的大型伺服冲压生产线,匹配14~18SPM生产速度、1min模具交换、88%高运转率及深拉深成形工艺,削减了生产成本,提高了产品质量,从而提高产品的竞争力,进一步向顾客提供“超越用户期待的产品”,并将成为中国汽车行业冲压领域加工设备的先进典范。
(1)成形效果 通过伺服压力机滑块加工速度和缓冲垫压力的优化控制,实现材料流入量的最大化,将现在普遍用于外观件的F级冷轧板材料拉深比增加到2.5,如图3所示。
(2)生产速度提升 伺服技术的应用,使滑块、搬运装置在周期变速的连动动作中进行加工,解决了机械串联式生产线中提高生产速度的制约因素(滑块在行程中停止、搬运装置在行程中停止),同时伺服压力机、伺服搬运装置的组合应用,为整线控制模式的设置提供了很好的平台。因此,生产线的生产速度从机械串联式最快的12SPM提高到伺服串联式的18SPM,如图4所示。目前,日本本田汽车的生产线已经有1min生产18个零件的实绩了,实现了生产线能力的大幅提升。
(3)新车型模具调试时间缩短(见图5) 模具设计时同步设计出所需加工设备的最优参数。模具调试时,先将加工参数输入设备,再开始模具调试,调试时间能大幅度减少。另外,当模具要转线生产时,只需将设备参数复制,导入另外一条同一规格的生产线就立即可以恢复生产,生产速度和质量不会发生变化。
(4)生产与维修的方便性 先进的上位控制系统已经超出了“设备控制”的范畴,涉及到生产管理、调试优化及维修管理领域范畴,从设备设计时就充分考虑了生产与维修所需的各项工艺,从设备硬件保证设备使用过程中与各项生产工艺、维修的配合,使生产线易于使用,易于维修,保证生产线在高运转率下运行。
结语
现代汽车冲压技术的发展趋势是用最少的资源,实现最大的生产效率,生产高质量的产品。具体来说,包含两层含义:
一是,提高商品竞争力:冲压成形时深拉延,使汽车的外观更加突出;降低冲压零件钢板材料使用量,提高材料利用率,降低材料等级。
二是,提高生产竞争力:使用新技术提高生产效率,生产线更加人性化;高的生产效率下生产高质量的产品,降低生产能耗。
为满足这些新的技术要求,汽车冲压工艺未来将朝着七个方向发展:
1. 采用成形等级更低的钢板材料加工出相同质量的零件;
2. 减少坯料尺寸加工出相同规格的零件,降低钢板材料的使用量;
3. 在现有材料、模具技术的背景下加工出外观形状更复杂的零件,使外壳车的外观线条更加突出;
4. 缩短模具导入时期的调试时间,缩短新车型投产时间;
5. 缩短模具投产后生产线生产速度从慢到快的优化调整时间,达到短时间快速提产的目的;
6. 进行快速模具更换,适用生产形态从大批量生产转化为多品种小批量的生产方式;
7. 进一步提高整线的生产速度,在一定时间内生产出更多零件。

 

来源:广汽本田汽车有限公司增城工厂

 
 
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