简要说明国内外部分独有技术及工艺,这些存在已久,却未获普遍应用,业内知之甚少。本文旨在提供一份参考,供零部件商、设备制造商、整车企业及相关研究者深入探究,有助于拓宽工艺视野。
激光切割替代传统压力机对金属板材进行预处理,在送入冲压设备前必须先完成切割工序,即按照冲压件的设计轮廓,借助压力机械、剪切装置、定长切割工具等设备,将金属板材加工成特定几何形态,再进行冲压作业。这项切割工作既可以委托钢材供应机构处理,也可以由冲压加工厂自行实施。汽车制造商和大型冲压企业通常依靠机械压力机自主完成下料工序,不过这需要配置占地面积广的压机和多种下料工装。
采用激光装置取代冲压设备裁剪的构思,在2000年前后被美国人提出,不过彼时主导的二氧化碳激光技术,难以承载大批量的切割任务,其切割速度也无法适应冲压作业的规模化制造要求。这一想法直到光纤激光技术完善后才逐步进入工业领域,大约2010年前后,位于俄亥俄州拿破仑的Automatic Feed Co.公司率先进行了实际应用。
德国和日本作为汽车制造大国,也迅速着手研究这项技术,主要因为用激光切割高强度的金属板材,在保证表面精度方面,比传统压力机更胜一筹,2015年戴姆勒公司为德国库彭海姆的梅赛德斯奔驰制造基地,采购了两套舒勒激光切割设备。提升裁切效能,此制造线引入舒勒的动态流方案,能快速切割流转物料,且无需设置凹坑与精密的压机设施。这套激光裁切系统配备三支并行的激光装置,能够加工厚度介于0.8到3毫米、宽度达2150毫米的板材。
当年十月,本田(Honda)在位于日本Yorii的制造基地,配置了一台自动化激光切割设备,用于大规模制造,该设备主要应用了三项核心工艺,包括超高速激光加工技术,具备高加速度的H型龙门机械臂装置,以及支持物料持续供应的传送装置。
激光切割生产线特别适宜加工种类繁多的少量产品,更换操作流程即可,因此无需经常更换模具,相关的模具维修和模具保管成本都彻底省去了。
拥有激光切割功能的生产线可以处理多种多样的板材原料,包括铝质材料和高强度钢材,并且保证制造出高品质的产品,同时也能对表面精度要求较高的外部覆盖件进行加工,激光切割有助于提升材料的使用效率,让切割出的形状与零件的最终形态更为接近,国内的一些激光设备制造商,例如大族激光,正逐步涉足这一行业,从而减少对部分落料压力机的依赖。
汽车轻量化是各大车企追求的目标,主要目的是减少燃油消耗,同时提升车辆品质,使用高强度钢或铝合金材料能增强消费者的购买欲望,让车辆更具高级感和现代感,特斯拉与捷豹都将全铝车身作为宣传重点,以此吸引追求时尚与身份认同感的富裕群体。
相同体积和容量情况下,铝合金能够减轻汽车自重,同时降低重心高度,铝制轮毂具有较高强度,允许辐条设计得更细,轮毂内部空间可以做得更大,从而减小转动惯量,增强制动时的散热效果,提升加速性能,进而改善驾驶操控性和乘坐舒适性。铝材具有良好的能量吸收特性,在发生碰撞时可以吸收更多冲击能量,从而有效降低对车内乘员的伤害程度。此外,铝材料的循环利用程度相当高,其损耗率大约在百分之五。
车身构造和轮圈之外,车架部分,缓冲防护构件,车底板构造,能量储存单元,动力输出系统,以及乘坐装置等部位,都在采用铝合金材料进行成型加工,这便是该合金材质在行业领域备受关注的原因所在。
驾驶过奥迪A8L Hybird的人普遍对其印象深刻,这款车型采用了全铝车身框架结构,也就是ASF车身,其整备重量为2035公斤,在同类大型插电式混合动力豪华汽车中属于最轻的级别。
此外,凯迪拉克CT6在上海金桥制造,与奥迪A6、奔驰E级、沃尔沃S90属于同一级别,传闻车身由11种材料打造,其中铝合金的使用比例超过57% ,凯迪拉克CT6的长度接近5.179米,其整备重量介于1655至1975公斤之间,而白车身重量不足380公斤,相较于同尺寸的其他车型,重量减轻了约100公斤。
在国产全铝车身制造行业中,声名最为显赫的是常熟奇瑞捷豹路虎打造的捷豹XLF车型,该车企与铝材行业翘楚诺贝丽斯建立了紧密协作关系,其车身构造中,铝合金材料的使用比例据称已高达75%以上,冲压环节配备了双条伺服冲压设备,其最高生产节奏可达到每分钟制造20件产品,整体自动化程度达到了90%。其中冲压车间配置了五台由日本会田公司制造的伺服式压机设备,单台设备最大承压能力达两千五百吨,这种设备能够同时适用于加工钢材和铝合金材料,可以满足多种汽车型号并行制造的需求。
这种金属延展性差,抗拉强度大,r系数小,因此冲压成型特别费劲,废品率居高不下,对模具制作和品质监控要求极高。此外它化学特性活泼,表面覆盖着坚固的氧化膜,导致常规的接触焊接和激光熔接效果不佳,现在常用激光钎焊、电阻连接、自攻螺纹和自冲铆接等创新技术来连接铝铝或铝钢材料。时常收到同行们的询问,希望获取有关铝合金加工成型以及焊接方面的文献资料或讨论平台,四处了解之后,了解到这是一个备受关注的话题,几乎所有锻造和冲压行业的开拓者都在努力解决各类技术挑战,对于技术的保密措施非常严密,技术人员在对外沟通时,有价值的知识信息都是浅尝辄止。随着铝合金领域参与者日益增多,其价格会慢慢降低,好比高强钢在中低端汽车上广泛使用一样,而且有助于减少铝制车身维修的高额开销。
无模渐进成形技术由日本Matsubara教授于1990年左右首创,随后日本网野AMINO公司于1996年首次推出了该技术的成型设备,1998年又开发了相应的CAM系统,并持续对其进行改进和升级。
这项技术主要目的在于小数量种类产品的试制和制造。到2014年为止,网野公司累计生产了三十多台无模成形设备,并制造了三千多种用于试验的组件。
这项技术的运作方式是怎样的呢?从图示中可以明白,金属板材四周被稳固夹持在某个基座上,板材下方放置着软性塑料或木质衬垫。该基座能够沿着X-Y轴向位移,而基座中央上方安装的精密辊轮可在Z轴方向升降。X-Y基座与Z轴辊轮各自独立运作,其平移路径和升降轨迹由软件精确规划。
该技术的工作方式与立体成型技术极为相似,本质上是通过逐层二维加工,逐步叠加形成三维形态,最终获得类似冲压成型的工件,不过表面质感不如冲压件平整,会留下明显的层纹痕迹。这种工艺常用于快速制作样品和少量产品,每月可生产1到500件之间。随着工艺的不断完善,制品表面的层纹越来越难以察觉。这个道理不难明白,然而在具体操作时,怎样处理不同材质,怎样避免回弹,都需要丰富的经验支撑。
这种制造方法的最大好处是不需要模具费用,能够缩短项目时间,修改CAD图纸比较容易,能够满足快速生产各种结构复杂、数量不多、对精确度要求不高的物件的需求。和拉延技术不一样,渐进成形的受力变形区域非常小,仅仅局限在工具刃口和金属材料相接的地方。金属材料变薄是主要的损坏方式,决定变薄程度的关键因素是最终产品的外表面倾斜度。这也导致从外部视角看是影响成型的一个因素,比如角度过大容易导致材料过度变薄,对这方面感兴趣的读者可以尝试使用 Dieless NC Forming、AMINO作为关键词,或者直接用日语查找相关技术文章和专利。