文/鐘劍·廣州汽車集團乘用車有限公司制造部

廣汽乘用車沖壓廠的規(guī)劃設計

文/鐘劍·廣州汽車集團乘用車有限公司制造部

廣州汽車集團乘用車有限公司在乘用車領域與日本本田、豐田成功合作后，積累了豐富的經(jīng)驗、雄厚的資金和優(yōu)秀的人才，在此基礎上廣汽自主品牌轎車也開始了自己的征程。在沖壓領域，很好地借鑒和發(fā)揚了廣本及廣豐工藝規(guī)劃及設備導入中的相關經(jīng)驗，完成了車間整體規(guī)劃、工藝設計和裝備導入，建成了具有先進水平的沖壓工廠。

廣本沖壓車間的規(guī)劃經(jīng)驗

工藝裝備特點

廣汽本田的發(fā)展采用“少投入、快產(chǎn)出、滾動發(fā)展”的模式，在1998年7月成立以來從3萬輛、5萬輛、12萬輛逐步達到24萬輛年產(chǎn)能，分期投入逐步擴展。沖壓領域的發(fā)展也是秉承本田的發(fā)展方式，在原有廠房及設備的基礎上，進行生產(chǎn)線的半自動及全自動改造和設備的分步投入，2010年達到設備極限產(chǎn)能36萬輛。主要生產(chǎn)的車型從經(jīng)濟型到中高檔以及MPV，包括飛度，思迪，雅閣及奧德賽四款車型。

圖1廣本沖壓車間平面圖

改造情況

廣本沖壓廠房及設備在原來廣州標致遺留下來的廠房及設備的基礎上進行改造。廠房布局（圖1）是充分利用原有廠房進行重新布局，提高利用率和物流合理性。

設備選型的改造，包括以下幾方面：

⑴壓力機。廣本沖壓廠早期設置的都是A級線，每條線包括1臺1500t單動多連桿機械壓力機帶氣墊和3臺630t～1000t單動偏心齒輪機械壓力機組成，工作臺面4500mm×2200mm，滑塊行程900mm。改造后，生產(chǎn)工藝由雙動拉延改為單動拉延，三條線的第一工序壓力機全部更換為單動的帶氣墊的1500t的壓力機。一方面是為了生產(chǎn)線之間的互換生產(chǎn)，另一方面也跟本田模具設計規(guī)格有關。但隨著目前車型的規(guī)格不斷加大，車型外觀越加復雜，第一工序模具的成形力也在不斷增大，目前部分零件的成形力已經(jīng)略超過1500t。

⑵落料設備。將原有的開卷剪切線改造成開卷落料線，用400t落料壓力機替換原來的剪板機。同時，將原來南北走向布置改為東西走向，和壓力機生產(chǎn)線平行。

⑶板件清洗。新增的板料清洗機采用在線清洗設備（ON–LINE），每條生產(chǎn)線線首在拆垛后都裝有坯料清洗機，清洗完后直接送入第一工序拉延成形，以保證板材的清潔度。

⑷零件搬送。由于原有壓力機8.5m間距比較大，所以壓力機間的零件搬送采用的是上下料手及穿梭機，這種搬送方式比機器人速度要快，但該種搬送裝置的初期通用投資以及后期的專用投資都較大，同時設備調(diào)試及新機種示教時間長。

⑸模具吊運。天車都配有雙鉤，分別是50t/10t，50t主鉤主要用于吊模用，10t副鉤用于協(xié)助模具翻轉(zhuǎn)。

⑹模具過跨搬運。模具過跨采用帶軌道的電動小車，對于模具轉(zhuǎn)運員工的轉(zhuǎn)運水平要求不高，容易操作，但設備及地基成本較高。

⑺廢料運輸。廢料輸送鏈地采用鱗板式連接的結(jié)構(gòu)形式，第二工序開始從前至后地進行布置，在線尾的縱線匯總在車間內(nèi)爬升出地面，設置廢料打包房。

⑻側(cè)圍輸送鏈。為了提高空間利用率及減少物流配送的壓力，沖壓車間追投了側(cè)圍輸送鏈，左右側(cè)圍加工質(zhì)檢后直接輸送到二三層存儲區(qū)，然后自動輸送到焊裝工位上。

改造特點

⑴僅對原有廠房及設備做部分改造，填平補齊，縮短工期，降低初期投資，減少風險，實現(xiàn)快產(chǎn)出。

⑵生產(chǎn)線平行布置，材料，零件存儲區(qū)按照物流順序安排，整體布置物流較為順暢，模具就近生產(chǎn)線邊存放，模具吊運效率較高。

⑶壓力機間距8.5m，采用了機器手及穿梭機的形式搬送，成本較高。

⑷線首采用傳統(tǒng)氣缸拆垛裝置，無料架分離裝置不能實現(xiàn)材料更換不停線。

⑸采用在線清洗裝置，使得零件的表面質(zhì)量更有保證。但每條生產(chǎn)線都要配備一套清洗裝置，內(nèi)外板都要通過清洗裝置，清洗油消耗較大。同時，與主線相連，增加了生產(chǎn)線的故障率。

⑹每跨配備兩臺天車，可以相互替補。但是大小鉤起吊噸位設置相對起吊模具噸位，大鉤偏大，小鉤偏小。

⑺線尾采用寬幅短皮帶機配合質(zhì)檢臺，成本低，運行穩(wěn)定。但是，需要質(zhì)檢員檢查完手動推移零件到下工序，而且對于皮帶中部的部位檢查較為困難。

廣豐沖壓車間的規(guī)劃經(jīng)驗

工藝裝備特點

廣汽豐田發(fā)揚了豐田一貫的發(fā)展模式：高起點，高投入，高產(chǎn)出。目前生產(chǎn)的車型包括中高檔轎車凱美瑞，經(jīng)濟型轎車雅力士以及SUV車型漢蘭達。沖壓車間是以世界最先進的沖壓工廠進行規(guī)劃，初期一次建設2.8萬平米，一次導入4條與日本小松公司合作開發(fā)的全伺服壓力機生產(chǎn)線，包括兩條生產(chǎn)A級零件的伺服單機連線及兩條C級多工位伺服壓力機。每條A級線包括1臺1600t單動伺服驅(qū)動壓力機帶伺服墊和3臺800t單動伺服驅(qū)動壓力機，工作臺面4500mm×2150mm，滑塊行程900mm；C級線為2300t的多工位壓力機，工作臺面2300mm×5200mm，滑塊行程550mm。

改造情況

廣汽豐田廠房的設計是這樣的，車間由5跨組成，兩跨30m，三跨24m，外加廢料間，共約2萬6千平米。四條生產(chǎn)線下面設置廢料輸送溝，溝底深度為6m。由于采用伺服壓力機，第一工序采用結(jié)構(gòu)更為精簡的伺服墊，地溝深度要求比傳統(tǒng)機械式壓力機線地溝淺1～2m，長度也能縮短近9m，大大減少了廠房造價，見圖2。

⑴原材料采用卷材，規(guī)劃不導入開卷落料線，由配套協(xié)作廠提供開卷剪切落料后的毛坯板料，采用實時配送的方式。坯料經(jīng)離線清洗機清洗后轉(zhuǎn)存于坯料存儲區(qū)，后經(jīng)過沖壓加工生產(chǎn)入庫。

圖2廣豐沖壓車間平面圖

⑵沖壓車間圖2可以看出，自東向西布置了模具存放區(qū)、生產(chǎn)區(qū)以及零件存放區(qū)，整體布置緊湊、順暢，運輸路線短捷，并留有擴建的可能。

⑶對于大中型沖壓件（包括全部重要的外板沖壓件、高精度的車架沖壓件），在本車間生產(chǎn)。占全部沖壓件的50％以上，而且對于邊角料可以再利用的（如側(cè)圍門孔落料板件）。邊角料通過整體設計優(yōu)化用于中小型零件的生產(chǎn)，大大提高了材料利用率，可達65％以上。便于運輸?shù)男⌒蜎_壓件、高強度鋼板的沖壓件、不同厚度鋼板構(gòu)成的沖壓件、需保證精度的沖壓件，由國內(nèi)的豐田（合資或獨資）配套廠家以及中國國內(nèi)廠家提供。

⑷兩條大型沖壓線采用串聯(lián)式高速全自動生產(chǎn)線。生產(chǎn)線評價達到14次/min，線首配置拆垛裝置及送料機器人，工序間采用橫桿式機械手裝置進行上下料。工作臺左右對開，工序間配有帶夾持器的ATC小車，保證每次更換端拾器在3min以內(nèi)。

⑸兩條全自動多工位壓力機生產(chǎn)中小型零件，生產(chǎn)線速度可達20次/min。壓力機采用了伺服馬達驅(qū)動，可根據(jù)不同的生產(chǎn)需要設定不同的行程長度和速度。通過伺服壓力機標配的線性光柵尺，能夠始終保證下死點的成形精度，有效抑制了產(chǎn)品的毛刺及其他不合格品的出現(xiàn)。

使用的伺服壓力機具有復合性、高效性、高精度、高柔性、低噪環(huán)保性等優(yōu)點，具體表現(xiàn)在以下幾個方面：

①改善成形性。具體內(nèi)容包括：提高材料拉延率，減少材料的報廢率；降低材料要求，同等拉延要求可以考慮質(zhì)量稍差的材料，從而降低鋼板材料采購成本；可以成形新材料、鋁板、厚板等難成形的材料；大大降低材料的回彈，改善拉延質(zhì)量。

②節(jié)約能源。伺服壓力機與傳統(tǒng)機械壓力機相比，節(jié)能約60％，與油壓機相比節(jié)能近65％。伺服壓力機采用大功率交流伺服電機及其驅(qū)動控制技術，在交流伺服傳動過程進行能量的回收，包括本機體內(nèi)及壓力機間電力反饋設計。常規(guī)機械式壓力機驅(qū)動電機開機后一直運轉(zhuǎn)，同時帶動飛輪旋轉(zhuǎn)，靠飛輪轉(zhuǎn)動慣性且通過離合器控制滑塊運動。而伺服電機驅(qū)動的壓力機，完全靠電機的扭矩工作，通過混合（絲杠、多連桿等）增力機構(gòu)，一方面取消了離合器，由電機驅(qū)動單元控制電機的起停；另一方面，也省去了飛輪，電機只有在沖壓工作時才運轉(zhuǎn)，相對常規(guī)機械壓力機的電機和飛輪空轉(zhuǎn)耗能得以節(jié)省，同時也減少了離合器的能耗。

③提高模具的使用壽命。伺服壓力機在保證生產(chǎn)效率的前提下，可保證下死點成形超低速運行，減少對模具的沖擊，整體振動及噪聲大為減少，大大提高了模具的使用壽命，估計比傳統(tǒng)機械壓力機模具使用壽命提高2～3倍。

④改善環(huán)境。具體內(nèi)容包括：相比機械壓力機，噪聲大大降低（低于75dB），遠低于國家職業(yè)衛(wèi)生法律要求；相比機械壓力機，振動大大降低，對于周邊設備及廠房影響減少；整體結(jié)構(gòu)簡單化，相同噸位的壓力機自重減少近20％，制造材料減少的同時，對地基要求也大為降低。

圖3廣汽乘用車沖壓車間平面圖

⑤提高零件成形品質(zhì)。具體內(nèi)容包括：伺服壓力機下死點重復停止精度±0.01mm；加工壓力的重復精度±1.5mm。

⑥加工速度大為提高。

改造特點

⑴全新建設的廠房，二十萬產(chǎn)能一次達成，具有高投入、高產(chǎn)出的特點。

⑵導入全球最先進的伺服壓力機，對于大型覆蓋件生產(chǎn)速度平均達到的14次/min，生產(chǎn)品質(zhì)更加穩(wěn)定，而且對于地坑基礎的要求較低，地坑深度只需5～6m，大為降低地坑造價。但是，導入的成本比普通機械式壓力機線增加近40％初期投資，作為最早投入使用伺服壓力機的生產(chǎn)線，伺服壓力機前期的穩(wěn)定性較差、故障較多，對于維修壓力較大。

⑶壓力機間距4.5m。超短的壓力機間距，保證搬送的快節(jié)奏，同時也大大降低地坑基礎的造價（比起傳統(tǒng)4工序壓力機線可以縮短最少9m）。

⑷壓力機采用橫桿搬送機器人，整線速度最高可達到18次/min以上，有著很高的生產(chǎn)效率。但是，該結(jié)構(gòu)對于模具設計要求較高，除了對于搬送高度，對端拾器的拾取姿態(tài)、放件姿態(tài)都有嚴格的要求。

⑸線首采用機械式氣缸拆垛形式，可以保證高速的拆垛節(jié)奏，運行較為穩(wěn)定，但是成本較高。

⑹線尾皮帶機采用兩條平行窄幅長皮帶，同時為了保證質(zhì)檢及裝箱跟上生產(chǎn)節(jié)奏，還布置有左右對開的皮帶機。質(zhì)檢員與皮帶機隨行檢查，這對于員工技能要求較高。皮帶機的更換及維修較為簡單。

廣汽乘用車沖壓廠的規(guī)劃設計

設計原則

廣汽乘用車整體的設計原則是借鑒廣本的發(fā)展思路，減少初期投入成本、快速達產(chǎn)、滾動式發(fā)展來進行初期設計規(guī)劃。廠房分期建設，預留擴展空間，設備分階段導入。初期生產(chǎn)的是中高級轎車“傳祺”，由歐洲設計公司進行外觀設計，大中型零件模具設計按照4工序進行設計。

沖壓廠房（圖3）整體新建，承擔全部外觀覆蓋件及大型內(nèi)部結(jié)構(gòu)沖壓件的生產(chǎn)。主要生產(chǎn)對于車輛的尺寸和表面質(zhì)量至關重要的外飾沖壓件以及配合精度要求較高的大中型沖壓件，其他中小型沖壓件外協(xié)生產(chǎn)。

沖壓廠按照精益化、敏捷化、柔性化生產(chǎn)高水平產(chǎn)品的設計理念，選擇技術上先進，經(jīng)濟上合理的設計方案，不僅滿足產(chǎn)品的質(zhì)量要求，同時也具有較好的經(jīng)濟性。

表1三種搬送方式的比較

廠房建設

生產(chǎn)車間廠房結(jié)構(gòu)形式是采用門式剛架普通鋼結(jié)構(gòu)廠房，地面荷載標準值為100kPa，在模具存放區(qū)承載150kPa。沖壓廠房分兩期建設，一期產(chǎn)能10萬輛，由1個30m跨及1個24m跨組成，長120m。高跨起重機最大起重量40t/20t；二期產(chǎn)能20萬輛，沖壓車間廠房北面接建2個30m跨，長120m廠房，起重機軌頂高為13.5m，在東面接建一個24m縱跨，長114m，起重機最大起重量32t/8t。

工藝流程

⑴所有沖壓件按其周長和其復雜程度分為五級，即A、B、C、D、E五級，A、B級為大中型沖壓件。本沖壓車間只承擔A、B級的沖壓件壓制，其他沖壓件外協(xié)。

⑵沖壓車間初期不導入開卷落料線，生產(chǎn)使用的原材料由廣汽集團內(nèi)部協(xié)作，提供開卷剪切落料后的毛坯料，貯存期為2天，經(jīng)坯料清洗機清洗后進行沖壓生產(chǎn)。

⑶車間自東向西布置材料受入?yún)^(qū)、材料清洗區(qū)、沖壓生產(chǎn)區(qū)以及線后零件庫存區(qū)，最后發(fā)送到焊裝車間。物流按照合理，順暢，整齊美觀的原則布置。

⑷沖壓工藝盡可能采用左右合沖沖壓工藝技術和復合模具，盡量減少工序數(shù)并增加模具復合程度，以提高效率，減少投資、節(jié)省板料。

設備選型

⑴壓力機。沖壓車間主要的生產(chǎn)設備是壓力機，廣本以傳統(tǒng)的機械壓力機為主，廣豐則全部導入伺服壓力機，在廣汽乘用車調(diào)研階段，規(guī)劃導入第一工序拉延采用伺服壓力機。但在2008年廣汽乘用車壓力機招投標階段，了解到當時的伺服壓力機還存在一些不足，包括伺服壓力機技術還不成熟，驅(qū)動機械結(jié)構(gòu)的耐久性還待驗證，目前使用的伺服壓力機的主體部件都有更換；由于缺少飛輪的儲能，配備的伺服電機的功率較大，1600t的壓力機至少要配備4臺250kW的大功率伺服電機，在滑塊啟動時對電網(wǎng)的沖擊很大；整體造價相對較高，比傳統(tǒng)機械壓力機高出40％；伺服壓力機以往缺少維修經(jīng)驗，對于后期維修存在較大難度；一些壓力機廠家正處在專利技術的合作期，暫不對外銷售。

根據(jù)以上分析，第一期10萬臺/年規(guī)劃，暫不引進伺服壓力機，待第二期擴能時再考慮全線引入伺服壓力機線。因此，從技術成熟性及成本出發(fā)，一次建廠時對于關鍵設備還是選擇技術相當成熟的國內(nèi)八連桿機械壓力機作為主要的生產(chǎn)設備。在壓力機噸位選擇方面，考慮到廣本沖壓件的最大成形力已經(jīng)達到1500t以上，基于以后自主研發(fā)車型系列的發(fā)展及適應性的規(guī)劃，第一工序拉延選擇2000t壓力機，后面3臺壓力機采用偏心齒輪式的機械壓力機，工作臺面4500m×2200mm，滑塊行程1100mm（保證零件拾取便利）。

⑵自動化搬送裝置。目前采用幾種搬送方式，有機械手＋穿梭機、機器人、橫桿式機械手三種，都有各自的優(yōu)缺點，對比情況見表1。從成本及對模具適應性來判斷，采用簡單而又靈活性最高的機器人搬送裝置是合理的選擇。

⑶拆垛裝置。線首拆垛放棄了日式習慣采用拆垛機，而是采用了更為簡單的雙工作臺連續(xù)拆垛＋重力對中的方式。傳統(tǒng)的機械拆垛裝置一般在零件更換過程中需要停線10s進行材料托架的切換，該拆垛結(jié)構(gòu)復雜還需要增加地坑基礎。整體造價成本相當高，而且以后維護難度也非常大。采用雙拆垛小車配合機器人進行零件拆垛，不但可以達到10次/min的生產(chǎn)速度，而且整體造價大為降低。同時，后期設備維護更為簡單。拆垛裝置直接配置對中臺，線中取消了在線清洗裝置，對中方式大為簡化。

圖4拆垛方式對比

⑷離線清洗裝置。一臺離線清洗機可以對應超過20萬的產(chǎn)能（約10組外板零件），對應兩條壓力機生產(chǎn)線。離線清洗機只是針對外板件進行清洗，可以大為減少油液損耗及能耗，更為環(huán)保。在線清洗機與主線串聯(lián)在一起，增加了主線停機時間。

⑸天車。每跨的功能區(qū)獨立便于天車選型，北跨布置了模具存放區(qū)及生產(chǎn)線，天車設置為單鉤40t；南跨是模具維修區(qū)及材料清洗區(qū)，設置了雙鉤40t/20t天車。同時，根據(jù)目前較大的并模重量在35t左右，40t的起吊重量更為合適。

圖5壓力機整線

生產(chǎn)管理與質(zhì)量管理

如何保證沖壓件的質(zhì)量，性能優(yōu)良的工裝和現(xiàn)場的生產(chǎn)管理是兩大關鍵因素。本次壓力機線（圖5）采用2000t＋1000t+1000t+1000t的單機連線的方式，其中最重要的拉延工序壓力機采用具有國際先進水平的8連桿傳動技術，相比傳統(tǒng)6連桿傳動，沖壓零件時的壓力曲線更加平緩，零件質(zhì)量也更加穩(wěn)定。

與壓力機線相配套的是自動化零件搬送裝置，本次采用的是ABB全球最新的旋轉(zhuǎn)7軸搬送機器人.該型號機器人也是ABB公司專門針對沖壓搬送工藝進行改良的的設備，柔性更好、運行更加穩(wěn)定，與人工搬送和普通機器人搬送相比，7軸機器人在整個搬送過程中不會對零件質(zhì)量造成任何影響。

沖壓零件的質(zhì)量要好源頭在材料，尤其是材料表面的清潔度直接關系到零件沖壓成形后的外觀質(zhì)量。此次采用的日本進口的清洗機，它采用內(nèi)外噴淋相結(jié)合、先刷后擠的方式，集清洗和涂油功能于一身，清洗過濾精度高達3μm，使得沖壓零件的表面質(zhì)量達到了微米級別，而涂油后的殘油量為1～20mg/m2可調(diào)，可以充分配合壓力機的沖壓加工，使得沖壓零件的表面質(zhì)量達到最優(yōu)。

配合清洗機使用的材料對中裝置，采用最先進的視覺攝像對中，與傳統(tǒng)機械式對中相比它是真正的無接觸式對中，對材料無任何損傷，從源頭保證了沖壓零件的高品質(zhì)。

除了先進的設備，還制定了有效的質(zhì)量保證體系，從源頭的鋼板材料開始進行嚴格管理，在生產(chǎn)過程的每一個環(huán)節(jié)都嚴格執(zhí)行“三不原則”。在終檢環(huán)節(jié)，相比同類企業(yè)加大了檢查頻率，增多了檢查項目，力保整車的優(yōu)良品質(zhì)。