濟南鑄造鍛壓機械有限公司 徐 剛

大型汽車沖壓生產(chǎn)線技術與裝備現(xiàn)狀與發(fā)展

濟南鑄造鍛壓機械有限公司 徐 剛

以國內具有代表性的汽車制造企業(yè)的大型汽車沖壓生產(chǎn)線為例，介紹了生產(chǎn)線的設備組成及其典型工作流程，對沖壓線的效率、精度以及沖壓板材現(xiàn)狀、模具工藝等作了重點關注，提出了汽車沖壓生產(chǎn)線面臨的挑戰(zhàn)和發(fā)展趨向，對內高壓成形等汽車制造相關工藝做了簡要介紹。通過本文可以對目前國內汽車沖壓生產(chǎn)線的設備及應用現(xiàn)狀有基本了解。

一、技術與裝備現(xiàn)狀

1.一汽馬自達長春工廠

一汽馬自達長春工廠具有年產(chǎn)轎車整車40萬輛，發(fā)動機33萬臺，變速箱52萬臺的能力。其沖壓車間成立于2004年，廠房面積4.48萬m2，相當于6個標準足球場大小。人員330余人，生產(chǎn)最緊張的時期采用三班倒（人停線不停）工作方式。車間現(xiàn)有模具551套，部分模具由一汽自主提供，另一部分模具由日本設計和生產(chǎn)。如圖1所示為車間內各工序分布圖。

圖1 車間工序分布

一馬使用的鋼材主要來自寶鋼、鞍鋼和韓國浦項制鐵。寶鋼及浦項制鐵均在工廠附近設有廠區(qū)，材料供給方便。其開卷落料線為由德國舒勒提供的800t鋼鋁混合開卷落料線，可對鋼帶進行清洗并可矯直板料，自動化率達90%以上，如圖2所示。

圖2 開卷落料線

鋼/鋁卷由開卷機進入生產(chǎn)線，經(jīng)清洗機、矯直機，再經(jīng)壓機剪切、落料，再進一步?jīng)_壓成形，直至將產(chǎn)品成品堆垛，全程自動化操作，如圖3所示，其中800t剪切機為伺服控制，生產(chǎn)效率最快可達75件/min，并可自動換模。

圖3 生產(chǎn)線組成示意

沖壓車間共有A、B、C、D四條沖壓線，均采用全封閉、全自動、人機分離生產(chǎn)方式。四條線全部由舒勒公司設計制造，A、B線主要生產(chǎn)大尺寸零部件，最高生產(chǎn)節(jié)拍12次/min，C線15次/min，D線主要生產(chǎn)小型零部件以及高強度部件，最高生產(chǎn)節(jié)拍25次/min。A線沖壓噸位為6000t，B線沖壓噸位為5000t，兩線的線首壓力機沖壓噸位均為2000t，D線為伺服多工位壓力機自動沖壓生產(chǎn)線，噸位3500t，如圖4所示。

圖4 生產(chǎn)線組成示意

如圖5所示，板件從拆垛站開始，經(jīng)清洗、涂油、對中后，進入壓力機進行沖壓成形生產(chǎn)。模具上一模多件技術廣泛采用，比如較為常見的一模四件的門外板。還有一些是大工件套小工件的一模多件組合方式。在換模時間上，A、B線約7～10min，D線約3～5min。從模具使用維修方面看，一般情況下，生產(chǎn)數(shù)量達到10000件后就需要對模具進行維修。

圖5 自動生產(chǎn)線示意

如圖6所示，為生產(chǎn)線上沖壓廢料的處理方法。一馬的處理方式是將沖壓后的零散廢料經(jīng)過地下廢料運輸裝置運送至廢料處理間。

圖6 線上廢料處理

如圖7所示，為D線多工位壓力機線正在沖壓的阿特茲小工件，采用4序沖壓，即同時安裝了4套模具。多工位壓力機工作的特點即是在一臺壓力機上一次布置多套模具、多道工序。一次下行后，通過橫桿式機械手將工件送入下一道工序模具。D線可以生產(chǎn)高強鋼制件。

圖7 多工位線上模具示意

左右對稱件是一模多件配置的典型應用。對于翼子板等一些左右對稱件，需通過如圖8所示的翻轉機對相同大小但方向相反的預沖壓板材進行翻轉，然后再沖壓。

圖8 翻轉機

沖壓好的工件，如圖9所示為引擎蓋內板，從沖壓線上下來，經(jīng)傳送帶送到人工檢驗工位。人工檢驗工位是沖壓生產(chǎn)線的末端，技術人員通常采用平行光方法再檢查工件是否平整，并檢查有無其他瑕疵。除了借助平行光檢查，還經(jīng)?？梢娛褂糜褪瘷z查。經(jīng)驗豐富的技術人員也通過手摸的方法來檢驗，這點對于經(jīng)驗的要求就更高了。

圖9 人工質量檢查

抽檢員會在每50～100個不等的沖壓件中抽取一個進行更為細致的檢查。要求沖壓件尺寸合格率達到97%。如果發(fā)現(xiàn)工件表面有毛刺或小坑，通常作立即修復處理。而如果發(fā)現(xiàn)有裂紋或較為嚴重的凹凸坑，則會作廢棄處理。

每一批次工件的首件會和末件作對比，并且上一批次的末件和下一批次的首件也會作一個對比，以保證工件沖壓的一致性。首末件檢查合格后，可放置在首末件檢查架上，并將之前批次的工件入庫。

如圖10所示即為成品庫存放區(qū)，這里對溫度和濕度有嚴格要求。另外，工件的進出庫采用先進先出原則，先入庫的工件會先調用。

圖10 成品庫

到這里，一個完整的沖壓生產(chǎn)線的主要過程就走完了。

2．華晨寶馬鐵西工廠

華晨寶馬鐵西工廠目前生產(chǎn)BMW 3系、5系和X1三個系列，號稱全球速度最快、效率最高、精度最高、最環(huán)保的沖壓生產(chǎn)線。其全球領先的6序伺服沖壓線，每小時可以完成上千個沖壓件，最高可以達到每分鐘沖壓17個件，是目前世界速度最快的萬噸級沖壓機（見圖11）。沖壓線采用全封閉模式，噪聲低，沖壓車間噪聲級別僅為80dB，相當于站在普通的馬路十字路口，使用正常語調即可進行交流，確保人性化的工作環(huán)境和更高的生產(chǎn)質量。

圖11 寶馬鐵西廠伺服沖壓生產(chǎn)線

其6序伺服沖壓機里共有22臺電腦進行控制，沖壓精度達到0.1mm，保證了寶馬汽車的完美車身線條。對于這樣的精度，鐵西工廠仍要執(zhí)行嚴格的質量控制體系，對每一個沖壓件隨流水線進行電腦掃描分檢，同時工人檢查孔數(shù)、變形和毛刺等，不遺留任何瑕疵。每50個沖壓件會抽取一個進行全面檢測。沖壓模具的校正工具同樣非常先進，采用的視模壓機設備能夠更加精確地對設備進行校準（見圖12）。

圖12 門外板一模四件

從華晨寶馬的沖壓線來看，其生產(chǎn)的寶馬車身沖壓件質量處于國內一流水平。

3.長安馬自達南京江寧工廠

長安馬自達南京江寧工廠生產(chǎn)馬2、馬3昂克賽拉等車型。其沖壓車間分A、B兩條沖壓線，由小松提供，均為全封閉、自動化。其中，A線7200t，5臺壓機，B線6000t，4臺壓機，兩線沖壓速度可達12次/min，兩線均可柔性調整。

兩條線的組成非常相近，均為線首壓力機2400t，后序的壓力機均為1200t。這個搭配非常簡潔而有效率，增加了柔性和互換性。沖壓線每次可沖壓1～4個成品零件。

圖13 長馬江寧廠沖壓線構成圖

所有模具均可互換。兩條線均適合高強力鋼板的生產(chǎn)，同一零件可在兩條沖壓線生產(chǎn)。兩線均為全封閉和全自動化，表現(xiàn)在板材從裁剪、清洗、涂油、物料運輸、沖壓以及壓力機間傳輸?shù)染鶠樵跊_壓線內部完成。人工操作部分只有一頭一尾：線頭的板材上料、線尾的沖壓件檢查。

模具更換為電腦全自動控制方式，換模時間3～5min。沖壓600件后要對模具進行保養(yǎng)。

板材主要來自日本新日鐵、韓國浦項及寶鋼。其中新日鐵和寶鋼均在長馬工廠附近設有廠區(qū)，材料供給十分方便，同時也提供板料剪切服務。限于空間，長馬車間沒有設置開卷剪切工位。

值得注意的是，此線鋼板在進沖壓線之前沒有設置清洗工序。據(jù)工廠自己的統(tǒng)計，此工序清洗與否合格率僅相差約1%～2%。

接下來板材正式進入封閉的沖壓房，先后完成拆垛、涂油、上下料、沖壓及壓力機間傳輸，均封閉進行。機內支架上共有16組噴油嘴，噴油嘴上設有電子開關，可通過外部控制裝置選定模具和設定噴射次數(shù)。這些噴油嘴可均勻地將拉延油噴灑至板料表面，提高加工質量。此外，端拾器對應相應的模具，模具更換時，端拾器也要隨之更換。

4.上汽通用臨港工廠

臨港工廠生產(chǎn)榮威等車型。沖壓車間主要設備有1條開卷落料線和3條全自動沖壓生產(chǎn)線。其中沖壓線占地面積14115m2，開卷線占地面積3960m2。設備總投資4.1億元（見圖14）。

圖14 臨港工廠沖壓車間布置

三條沖壓線及一條開卷落料線的基本情況為：

開卷線：西班牙法格設計制造的全自動800t開卷落料線。SPM22.3，ASPM15.7。

1#線：濟南二機床廠設計制造的4000t機器人自動化沖壓生產(chǎn)線。SPM7.5，ASPM5.5。

2#線：濟南二機床廠設計制造的6000t機器人自動化沖壓生產(chǎn)線。SPM6.4，ASPM4.5。

3#線：日本小松設計制造的5000t全集成橫桿式高速伺服沖壓線。SPM12.1，ASPM7.2。

如圖15所示，為濟南二機床6000t機器人自動化沖壓生產(chǎn)線。5序，線首壓力機2000t，其余4序均為1000t。

圖15 臨港沖壓車間2#線

如圖16所示，為小松5000t全集成橫桿式高速伺服沖壓線。

圖16 臨港沖壓車間3#線

5.別克英朗武漢工廠

英朗線主要欣賞一下其開卷落料線，如圖17所示。該線是西班牙法格的產(chǎn)品，可以看出整個開卷線全封閉操作，整潔大氣上檔次，值得國內廠商學習借鑒。整個開卷線只有2～3個工人。

圖17 法格開卷落料線

板材進入沖壓程序，需用兩旁的線圈首先將板材磁化，使其磁性全部呈S極，這樣，在同性相斥的作用下，板材相互分開，單張依次進入沖壓機，避免粘料導致停機事故。由于全新英朗的發(fā)動機蓋為鋁合金材質，無法利用上述原理，只能單配一套空氣刀將其分離。

圖18 一模多件模具圖

如圖18所示為一個比較清晰的一模多件模具實物圖。武漢廠采用一模多件工藝，實現(xiàn)前后門內板一模四件、鋁板前蓋內外板一模兩件、前中地板一模三件，生產(chǎn)效率由原來的平均每分鐘15.8件提升至31.6件。

本沖壓車間的另一個亮點是建立了一套模具碎屑吸收系統(tǒng)，如圖19所示。在沖壓模具內，有類似吸塵器一樣的裝置，將生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的碎屑吸收至管道中，排入工作臺地坑，更大限度避免碎屑被帶入模具或者在零件表面產(chǎn)生碎屑壓印，使沖壓件外觀更加光滑，提高了品質。

圖19 模具排屑系統(tǒng)

6.奇瑞公司五車間

奇瑞公司五車間生產(chǎn)艾瑞澤等車型。其54號高速自動化沖壓線（見圖20），由齊齊哈爾二機床廠提供，線首壓力機1800t，后面是3臺800t壓力機。

圖20 奇瑞五車間54號生產(chǎn)線

由濟南二機床提供的51號沖壓線，由一臺2400t壓機和三臺1000t壓機組成。主要負責較大部件的沖壓生產(chǎn)（見圖21）。

圖21 奇瑞五車間51號生產(chǎn)線

該車型模具由韓國制造。換模時間達到3min40s，換模時間處于較高水準。

奇瑞公司的其他車型模具，例如風云車的整套模具則來自臺灣福臻公司。臺灣模具行業(yè)的水平在業(yè)界有目共睹，為此奇瑞公司與臺灣福臻公司在蕪湖合資建立模具廠，以保證模具生產(chǎn)的精度和進度。

從使用的板材上看，奇瑞公司所使用的鋼材主要來自寶鋼、鞍鋼等國內一流鋼鐵公司，少數(shù)關鍵沖壓件板材全部從日本、韓國浦項等進口?？梢娫诎宀墓唐放粕?，自主和合資的重合度越來越高。

7.東風日產(chǎn)花都工廠

東風日產(chǎn)花都廠生產(chǎn)天籟、騏達、麗威、軒逸、逍客、奇駿等耳熟能詳?shù)能囆汀Ｆ錄_壓車間非常具有代表性，是國內少有的具有5條沖壓生產(chǎn)線的沖壓車間。這5條沖壓生產(chǎn)線分別來自濟南第二機床廠、齊齊哈爾第二機床廠、德國舒勒、日本IHI和日本小松等五家不同機床廠。5條線除濟二和齊二的為人工操作外，剩余三線均為自動化操作，其中最快的效率是每分鐘沖壓15件。這五條線保證了花都廠每天1500臺車的生產(chǎn)需求。

為保證沖壓件精度，東風日產(chǎn)所有車型沖壓模具全部為日本進口，節(jié)省了二次返工時間，現(xiàn)在東風日產(chǎn)花都工廠的沖壓件返工率為1.5%，為同業(yè)較低水平。

在采用的鋼板上，花都廠也是少量采用進口鋼板。目前雖然國產(chǎn)汽車用鋼材在質量上沒有任何問題，但由于國內鋼廠的供應量有限，導致國內絕大多數(shù)車企都會引進一部分進口鋼材。花都工廠進口和國產(chǎn)鋼材的使用比例約為4：6。此外為保證車輛安全，東風日產(chǎn)全部車型的鋼板厚度最低0.8mm，最高厚度為1.2mm。不過最高厚度的鋼板多用在逍客和奇駿這種要求剛度較大的SUV車型上。

花都工廠在生產(chǎn)高峰期實施“雙班倒”，每班10小時，而機器則要連續(xù)工作20小時，剩余4小時用來進行設備維修維護。這樣的工作強度對設備可靠性的要求可想而知。

8.廣汽豐田沖壓車間

廣汽豐田工廠有兩個沖壓車間，一車間（沖壓一廠）主要生產(chǎn)凱美瑞、致炫、雷凌，二車間（沖壓二廠）主要生產(chǎn)漢蘭達、逸致。沖壓生產(chǎn)線占地4.6萬m2，員工300人，產(chǎn)能38萬臺，每天生產(chǎn)量約為1200臺?？梢钥闯觯瑬|風日產(chǎn)花都廠每天1500臺的生產(chǎn)量已經(jīng)差不多是行業(yè)天花板水平。

廣汽豐田工廠模具數(shù)量共有1000余套，其中凱美瑞108套，致炫140套，逸致249套，漢蘭達264套，經(jīng)典版凱美瑞176套，雷凌102套。其模具全部按照豐田全球公司標準制作。豐田模具具有一種網(wǎng)格模技術專利，就是在模具表面加工很多微型凹槽來排氣，避免空氣中的微塵造成模具凹凸點。

廣豐沖壓車間沖壓線主要有兩條，一條是伺服串聯(lián)線，1600t+800t×3，速度16件/min；一條是伺服多工位線，一位2300t，二位300t，速度30件/分。伺服線噪聲控制在85dB以下。

廣汽豐田沖壓車間最小安全在庫時間為4小時。日產(chǎn)花都廠也在4小時以內，而行業(yè)一般水平在12小時以上。日系車企的精細化管理水平可見一斑。

9.濟南二機床廠福特項目

從以上介紹中可以看出，濟南二機床廠在國內的汽車沖壓線市場擁有廣泛的用戶，是真正進入汽車沖壓生產(chǎn)線主流隊伍的國產(chǎn)裝備代表。其中，濟二與美國福特公司的跨國合作，可謂備受關注、影響深遠。

2016年初，經(jīng)過一場激烈博弈，濟二最終又拿下福特汽車美國Woodhaven工廠的一條7100t大型高速沖壓生產(chǎn)線訂單。這是濟二為美國福特提供的第9條大型沖壓線，尤其需要說明的是，這9條線全部在美國本土，福特公司的大本營。

如圖22所示，為2012年投入使用的福特堪薩斯工廠大型沖壓線。

圖22 福特堪薩斯工廠沖壓線

如圖23所示，為濟二為福特底特律工廠提供的大型沖壓生產(chǎn)線。從2013年11月～2014年7月，濟二先后為福特底特律工廠提供了4條大型沖壓生產(chǎn)線。

圖23 福特底特律工廠沖壓線

自2011年以來，濟二連續(xù)贏得福特汽車美國本土4個工廠、9條沖壓線、共計44臺不同規(guī)格的沖壓設備訂單，囊括了福特美國本土工廠的全部新增沖壓設備。目前，已有6條沖壓線投入使用。濟二與福特美國的合作，可以說創(chuàng)造了中國制造的一個奇跡。

二、 挑戰(zhàn)及發(fā)展趨勢

1．技術規(guī)劃路線

從以上介紹可以看出，目前汽車沖壓線典型規(guī)劃路線主要有兩種方案：一是全自動全集成高速沖壓線方案，二是兼具性價比的機器人自動沖壓線方案。

其中，機器人自動線方案SPM通常為6～9，單臂橫桿線SPM通常為8～12，而雙臂橫桿線SPM通常為10～17。更為早期的機械手線其SPM通常為4～7，手工線SPM一般為2～3。

2．合資車與自主車

從本文介紹可以看出，在板材使用上，合資與自主車企有相當部分重合。但在模具設計制造、輕量化制造以及采用的生產(chǎn)線裝備上仍然存在差距。

（1）輕量化已成大勢所趨，其中熱成形鋼板、沖壓鋁板以及各類鋁材越來越多出現(xiàn)在高端車上，既減輕了重量，安全性也有所提升。但自主車企的應用還相對緩慢。其中有技術、工藝的原因，有裝備、資金的原因。

（2）模具直接影響沖壓件質量。單個沖壓件往往有4～6副模具，單個車型往往有上百套模具。除非車型改款或換代，價值千萬的模具才會大改。模具的差距主要體現(xiàn)在精度上。汽車屬于高精度產(chǎn)品，任何誤差都可能帶來裝配問題，繼而影響駕乘體驗，比如車門鉸鏈固定面不平（肉眼觀察不到的誤差）使得車門出現(xiàn)跳動間隙等。國內企業(yè)以往多采用“大件國外模具，小件國產(chǎn)模具”的方式，但隨著近年來的快速發(fā)展，這種狀況正在得到改變。

（3）沖壓線規(guī)劃不同則效果有別。普通壓力機+機器人自動線是以往自主車企常采用的方案，缺點是壓力機速度慢，停頓時間長，效率低。而以德系為代表的全自動高速伺服線則效率高，速度快，換模速度也遠超普通壓力機（換模3～5min已屬常見），生產(chǎn)效率幾乎快了兩倍。至于近幾年逐漸得到應用的多工位沖壓線更不必多說。

（4）人才團隊。大型沖壓車間穩(wěn)定運作的背后是優(yōu)秀的工程師團隊。其中，在人才隊伍的薪資問題上，同樣是工藝人員，合資廠的薪資明顯高于自主，相同的崗位，待遇或有兩倍差距。在日系廠，生產(chǎn)班長都是211院校畢業(yè)，而自主廠還在想怎么吸引本科生來做生產(chǎn)。汽車作為復雜的大宗產(chǎn)品，需要大量的高水平工程師保證產(chǎn)品品質。相比合資廠，自主廠的投入相對較少，成本有限。解決同樣的問題，自主工程師的困難更大，既要控制成本，又要保證質量，魚和熊掌難以兼得。當然，近年來自主車企獲得了迅猛發(fā)展，情況已經(jīng)開始變化。

3.挑戰(zhàn)與趨勢

（1）隨著車型越來越多，產(chǎn)品更新越來越快，小改款、中期改款越來越頻繁，加上車型設計越來越突出個性化、高顏值方向，對沖壓生產(chǎn)線的包容性、柔性以及對模具的設計制造都帶來巨大壓力。

（2）在安全、環(huán)保、節(jié)能的大趨勢下，輕量化技術日益成熟并得到應用。鋁材應用、高強鋼應用、包括尚在發(fā)展中的碳纖維材料應用，對沖壓工藝及設備技術路線都帶來巨大挑戰(zhàn)。新材料預示著新的工藝路線及設備路線，因而其中蘊含著巨大機會，傳統(tǒng)設備供應商和新興廠商均有機會。

（3）隨著人工成本的不斷上升，自動化趨勢已勢不可擋。其中要求設備高兼容高適應性、高的自動化程度、少或無人值機、周密可靠的故障診斷、預防性故障維修等將成為標準配置。如隨著多車型共線越來越多，自適應風刀連續(xù)拆垛技術、自適應視覺對中技術的應用，雙臂快線的應用，沖壓車間信息整合，激光掃描檢測代替人工檢測，機器人裝箱代替人工裝箱，在線監(jiān)測機器狀況，等等，均是面臨的課題。

（4）從設備需求上看，大型伺服壓力機+高速傳輸自動化應用將愈加廣泛。同時，伺服壓力機應用擴展到開卷剪切線上，開卷線與大型高速線的同步升級匹配不可避免。另一方面，大型多工位全自動沖壓生產(chǎn)線的應用也將繼續(xù)擴大。大型多工位壓力機是目前集機械、電子、數(shù)控和檢測技術為一體的最先進、高效的沖壓設備，是當前高自動化的典型代表。目前，大型多工位壓力機的SPM通常為10～30，800～5000t，采用變頻電機或伺服電機驅動多連桿或偏心機構，拆垛機+三坐標送料形式。制約大型多工位壓力機推廣應用的因素一是價格門檻，二是技術門檻。簡單說，買得來還能用得起來，這并非易事。

三、內高壓成形線

在一汽馬自達沖壓車間，除板材沖壓線外，還有一小塊區(qū)域為內高壓成形線。該成形工藝也廣受業(yè)內科技人員關注。如圖24所示，為一馬的內高壓成形件，主要為發(fā)動機排氣管及副車架等零件。

圖24 一馬內高壓成形件

內高壓成形線主要包括彎管、預成形和內高壓成形三道工序。先將欲成形的管件毛坯在彎管機上進行必要的彎曲成形，然后在預成形機上根據(jù)需要進行高壓成形前的預成形處理，最后進入內高壓成形工序。如圖25所示，為內高壓成形的主角內高壓成形機。圖中為瑞典AP&T公司設備，采用液壓傳動，可產(chǎn)生35000kN的壓力。內高壓成形時，先在管材中填充特定的乳化水液，壓機驅動模具閉合，隨著壓力上升，材料發(fā)生延展，并按模具型腔實現(xiàn)成形。

圖25 內高壓成形機

經(jīng)過三道工序后的內高壓成品零件及原材料對比如圖26所示。

圖26 內高壓成品零件

四、結語

本文選取國內具有代表性的汽車制造企業(yè)的沖壓車間及其大型汽車沖壓生產(chǎn)線為例，介紹了生產(chǎn)線的設備組成及其典型工作流程，對沖壓線的效率、精度以及所采用沖壓板材的來源現(xiàn)狀、模具工藝等作了重點關注，提出了汽車沖壓生產(chǎn)線面臨的挑戰(zhàn)和發(fā)展趨向，對內高壓成形等汽車制造相關工藝做了簡要介紹。通過本文可以對目前國內汽車沖壓生產(chǎn)線的設備及應用現(xiàn)狀有基本了解?！?/p>

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