倪炳林，陸小怡，蒙小鵬，藍(lán)善軍

（柳州五菱汽車工業(yè)有限公司，廣西 柳州545007）

0 引言

汽車輕量化作為當(dāng)今汽車設(shè)計(jì)的一大主流，從綠色、節(jié)能、環(huán)保、安全的理念出發(fā)，該技術(shù)可提高汽車燃油經(jīng)濟(jì)性，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目的。中國汽車工程學(xué)會(huì)最新發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》，輕量化成為七大技術(shù)路線圖之一?；趪覍ζ囉秃暮臀矚馀欧艠?biāo)準(zhǔn)不斷趨嚴(yán)，以及新能源汽車?yán)m(xù)航里程問題未能得到有效解決，輕量化是未來汽車發(fā)展的必然趨勢。汽車整車重量每減少100 kg，加速性能提升8%～10%，排放減少4%，制動(dòng)距離可縮短2～7 m，汽車輕量化能夠兼顧提高燃油經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性的雙重目標(biāo)。

柳州某汽車企業(yè)多種車型底盤總成的扭轉(zhuǎn)梁、前副車架等關(guān)鍵件，已逐步采用充液成形零件。我司為該汽車企業(yè)底盤件總成重要供貨商，為了更有效提升底盤焊接件競爭力，利于承接新產(chǎn)品，經(jīng)過深入研究考察，公司于2018年5月籌建一條7000T充液成形自動(dòng)化生產(chǎn)線，于2018年4月投產(chǎn)運(yùn)行。

1 生產(chǎn)線概述

該生產(chǎn)線可生產(chǎn)軸梁、拖曳臂兩種底盤后后扭轉(zhuǎn)梁部件，年生產(chǎn)能力充液成形80萬件、彎管/切割54萬件（三班制）。

其中，拖曳臂生產(chǎn)工藝流程為：管料—彎管—涂油—預(yù)成形—液壓終成形—鋸切—沖裁—打標(biāo)清洗—成品。如圖1所示。

圖1 拖曳臂工藝方案

軸梁生產(chǎn)工藝流程大致為：管料—自動(dòng)對焊縫并涂油—預(yù)成形—液壓終成形—打標(biāo)清洗—激光切割—清洗—熱處理—成品（激光切割以后的工序不在本產(chǎn)線內(nèi)進(jìn)行），如圖2所示。

圖2 封閉軸梁工藝方案

2 汽車底盤管材充液成形技術(shù)

充液成形是指采用液態(tài)的水、油或粘性物質(zhì)作為傳力介質(zhì)，代替剛性的凹?；蛲鼓?，使坯料在傳力介質(zhì)的壓力作用下貼合凹?；蛲鼓６纬蒣1]。根據(jù)形成對象（結(jié)構(gòu)、材料）的不同，它主要分為板材充液成形和管件充液成形。

本產(chǎn)線主要采用管材充液成形工藝，它是通過管材內(nèi)部液體介質(zhì)作為凸模，通過液體介質(zhì)加壓和軸向施加壓力的送料管端使管材變形，將其壓入模腔變形貼合而得到所需幾何形狀制件的一種工藝方法。

如圖3所示，本產(chǎn)線所生產(chǎn)的是某車型兩種底盤總成關(guān)鍵件拖曳臂、扭力梁的基本工藝過程如下：

1）將管坯5放置于下模腔1中，然后壓機(jī)開動(dòng)進(jìn)行合模動(dòng)作，上模2向下運(yùn)行貼合，保持一定的合模力。

2）管坯兩端的推頭3和4沿軸向推進(jìn)，形成初始密封，使管坯內(nèi)部形成密閉空間。與此同時(shí)，快速向管腔內(nèi)注入液體介質(zhì)（乳化液），按照預(yù)設(shè)的加載曲線，同步進(jìn)行軸向力和內(nèi)壓的復(fù)合加載，管坯外表面逐漸貼合模腔內(nèi)側(cè)，而后形成所需的零件。

3）在加壓脹形后期，即“校形”階段。為了實(shí)現(xiàn)小圓角等復(fù)雜結(jié)構(gòu)處的最終貼模，達(dá)到零件的成形效果，需要給乳化液施加很大的內(nèi)高壓。經(jīng)過前期仿真分析，目標(biāo)產(chǎn)品拖曳臂和扭力梁均在180 MPa內(nèi)壓力作用下，零件整體貼模度狀態(tài)最為良好，零件無明顯起皺和破裂風(fēng)險(xiǎn)。實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證的成形壓力值為200 MPa，偏差為11.1%，差異在可控范圍內(nèi)。

圖3 管式充液成形原理

3 充液成形產(chǎn)線設(shè)備概述

3.1 產(chǎn)線整體布局

整線總共配置13臺(tái)設(shè)備，包含1臺(tái)彎管機(jī)，1臺(tái)涂油機(jī)，1臺(tái)2000T預(yù)成型壓力機(jī)，1臺(tái)5000T終成型壓力機(jī)，3臺(tái)ABB搬運(yùn)機(jī)器人，1臺(tái)鋸床，2臺(tái)160T沖床，1臺(tái)激光打標(biāo)機(jī)，1臺(tái)清洗機(jī)，1臺(tái)激光切割機(jī)。由彎管單元、預(yù)成形單元、涂油單元、充液成形單元、激光切割單元、清洗單元、搬運(yùn)機(jī)器人單元、工裝夾具單元、總控制系統(tǒng)單元和外圍安全設(shè)備等組成了一條半自動(dòng)化生產(chǎn)線。整體布局圖如圖4所示。安裝完成后投入使用的產(chǎn)線如圖5所示。本文主要著重對涂油、自動(dòng)化、充液成形、清洗、激光切割進(jìn)行介紹，對彎管、沖床等單機(jī)設(shè)備不進(jìn)行詳細(xì)介紹。

圖4 充液成形產(chǎn)線整體布局圖

圖5 充液成形產(chǎn)線

3.2 涂油機(jī)單元

本系統(tǒng)主要由涂油機(jī)和上料平臺(tái)組成。涂油機(jī)可實(shí)現(xiàn)直管焊縫自動(dòng)對正、涂油，然后將管材傳送至液壓成形自動(dòng)生產(chǎn)線內(nèi)。上料平臺(tái)上的工裝夾具可根據(jù)零件不同進(jìn)行更換，實(shí)現(xiàn)不同類似零件的涂油需求。直管焊縫自動(dòng)對正功能主要是針對于軸梁件管坯焊縫及兩側(cè)熱影響區(qū)域是成形過程中的危險(xiǎn)區(qū)域而特殊定制的，該位置也直接影響后續(xù)零件的疲勞試驗(yàn)壽命。上料初始位置要根據(jù)所判斷的位置放入預(yù)成形壓機(jī)模腔中。

3.3 HYTH2000-5000T充液成形液壓設(shè)備單元

HYTH2000-5000T充液成形液壓設(shè)備包括：2000T預(yù)成形壓機(jī)一臺(tái)，用于完成零件預(yù)成形，為下一序充液成形做準(zhǔn)備；5000T充液成形合模液壓機(jī)一臺(tái)，用于完成液壓成形過程中模具的合模動(dòng)作，并提供合適的合模力來保證液壓成形過程的順利進(jìn)行。2000T液壓機(jī)主噸位由三缸實(shí)現(xiàn)；5000T噸液壓機(jī)主噸位由七缸實(shí)現(xiàn)，為分體框架式液壓機(jī)。壓機(jī)操作方式有微動(dòng)對模、調(diào)整、手動(dòng)單次循環(huán)和帶成型高壓系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行。

超高壓液壓成形系統(tǒng)，主要包括液壓成型工藝控制系統(tǒng)、油系統(tǒng)、超高壓水系統(tǒng)、增壓器、伺服閥組以及各系統(tǒng)間的連接管接頭及附件等用于控制模具側(cè)推油缸、增壓缸及超高壓水系統(tǒng)的動(dòng)作，完成預(yù)設(shè)的液壓成形工藝流程。

液壓成型工藝控制系統(tǒng)為整個(gè)液壓成形成套設(shè)備的總控系統(tǒng)。如圖6所示，該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)控和控制5000T液壓成形成套設(shè)備的運(yùn)行，讓其按照指定工藝要求完成所有動(dòng)作。此系統(tǒng)能智能控制合模壓機(jī)的合模噸位，使其與液壓成形超高壓系統(tǒng)中的壓力相匹配（合模噸位跟隨零件內(nèi)壓升高而升高，降低而降低）。

圖6 液壓站+水站

油系統(tǒng)主要包括油箱電機(jī)、液壓泵、活塞式蓄能器組等，主要為增壓缸低壓端以及模具液壓系統(tǒng)提供壓力油，同時(shí)對增壓缸高壓腔壓力以及側(cè)推缸位移進(jìn)行控制。增壓缸低壓端及側(cè)推缸帶有內(nèi)置式位移尺，通過比例伺服閥進(jìn)行位移和壓力的閉環(huán)控制，壓力控制精度為0.5 MPa，側(cè)推油缸位移定位精度為0.1 mm，此油系統(tǒng)與合模壓機(jī)油系統(tǒng)融合為一體。

超高壓水系統(tǒng)主要包括水箱、電機(jī)、管道泵及電機(jī)、乳化液過濾裝置、油水分離系統(tǒng)、管路等組成。主要為零件內(nèi)腔及增壓器高壓腔提供低壓水。水系統(tǒng)介質(zhì)為HFA液體（95%的水+5%的乳化液）。系統(tǒng)過濾系統(tǒng)采用兩級，第一級采用紙帶式過濾器，用于回收水以及新加水的過濾。第二級過濾為不銹鋼濾芯，用于增壓器高壓腔進(jìn)水過濾[2]。油水分離系統(tǒng)主要將充液成形過程中進(jìn)入水系統(tǒng)中油液進(jìn)行分離。

3.4 自動(dòng)搬運(yùn)機(jī)單元

本單元主要由三臺(tái)ABB搬運(yùn)機(jī)器人完成中轉(zhuǎn)臺(tái)1、預(yù)成形壓機(jī)、涂油機(jī)、充液成形壓機(jī)以及中轉(zhuǎn)臺(tái)2之間的零件搬運(yùn)。搬運(yùn)機(jī)器人一次可抓取2件扭力梁或拖曳臂（一模雙件），通過離線編程軟件RobotStudio軟件模擬仿真三臺(tái)機(jī)器人與涂油機(jī)、兩臺(tái)壓機(jī)的抓件運(yùn)行軌跡，保證其在運(yùn)行過程中不與相關(guān)設(shè)備發(fā)生干涉碰撞，且能有效提高運(yùn)行效率。機(jī)器人與端拾器間采用法蘭盤聯(lián)接，法蘭盤公頭位于機(jī)器人六軸端面，內(nèi)置鎖緊到位檢測開關(guān)，通過氣路可實(shí)現(xiàn)快速連接。端拾器主桿為鋁合金型材與法蘭盤母頭連接，使用氣動(dòng)夾爪夾緊工件，并附有工件檢測。端拾器具備自動(dòng)更功能，可以在換模期間同步完成，非?？旖?、方便、安全，自動(dòng)更換過程可在5 min內(nèi)完成。

3.5 自動(dòng)周轉(zhuǎn)清洗機(jī)構(gòu)

清洗機(jī)七槽全自動(dòng)超聲波管件清洗機(jī)，利用洗劑超聲清洗、清水超聲波漂洗、熱循環(huán)風(fēng)吹干、防銹浸泡、高壓風(fēng)吹干來清除油漬、灰塵等污物。設(shè)有清洗槽、烘干槽、浸泡槽、瀝油槽共7個(gè)槽體，對充液成形的兩個(gè)零件按整框進(jìn)行清洗。并且設(shè)計(jì)有自動(dòng)回轉(zhuǎn)料臺(tái)，減少了上下料人員來回行走的疲勞。

3.6 激光切割單元

三維五軸激光切割機(jī)采用SF3015型激光切割機(jī)，本機(jī)主要是用于將充液成形后的封閉軸梁進(jìn)行清洗并打碼后的切割工藝。激光切割機(jī)采用高架龍門雙驅(qū)結(jié)構(gòu)，床身采用一體化整體焊接加工成型，高剛性高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的橫梁，同時(shí)采用專用導(dǎo)軌基座、直線導(dǎo)軌的雙邊齒輪齒條雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)，具有重量輕、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好等特點(diǎn)，其龍門整體結(jié)構(gòu)和齒輪齒條的傳動(dòng)方式保證了設(shè)備的高速定位、快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)和良好的穩(wěn)定性。耐磨、抗震，滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)下能保持其高精度、高效率、低噪音的良好性能。設(shè)備的穩(wěn)定性和加速性能好，具有一體化設(shè)計(jì)和高配置的特點(diǎn)。

3.7 生產(chǎn)線總控系統(tǒng)

本產(chǎn)線自動(dòng)化生產(chǎn)單元采用集中中央CPU+總線通訊的控制結(jié)構(gòu)。通訊原則為中央CPU為主站，其余專機(jī)設(shè)備的控制、機(jī)器人控制柜等為從站。

該系統(tǒng)可以完成整個(gè)生產(chǎn)線的自動(dòng)控制，使各個(gè)工序有效銜接，保證生產(chǎn)按設(shè)計(jì)節(jié)拍有序進(jìn)行。通過PLC編程，實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)線的過程控制和實(shí)時(shí)監(jiān)測，在出現(xiàn)異常情況時(shí)系統(tǒng)能及時(shí)報(bào)警并顯示報(bào)警信息，并能根據(jù)系統(tǒng)定義情況發(fā)出控制指令（全停，部分?；虿煌＃?，以確保設(shè)備安全和人身安全。同時(shí)，自動(dòng)化系統(tǒng)配備完善的安全門鎖、急停開關(guān)、安全繼電器等安全裝置，采用硬接線的方式實(shí)現(xiàn)信息交換，實(shí)時(shí)控制顯示安全區(qū)域狀況。聲光報(bào)警單元作為整線安全系統(tǒng)的輔助工具，能夠在設(shè)備起停、故障以及安全系統(tǒng)中各安全監(jiān)控點(diǎn)異常時(shí)報(bào)警等，從而做到各種異常狀況發(fā)生時(shí)能夠及時(shí)通知操作人員處理[3]。

4 結(jié)束語

該產(chǎn)線除了具備生產(chǎn)當(dāng)前兩種底盤零件外，還可以在后期根據(jù)不同產(chǎn)品特性進(jìn)行柔性改造，這符合當(dāng)前汽車產(chǎn)品多樣性市場特點(diǎn)。此產(chǎn)線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可為充液成形產(chǎn)線提供參考。隨著自動(dòng)化程度水平的不斷提升，使用機(jī)器人替代人工在環(huán)境較為惡劣（噪音、高溫、油污）的環(huán)境生產(chǎn)是行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。充液成形技術(shù)的研究應(yīng)用對汽車輕量化具有重要的發(fā)展意義，普及和推廣改技術(shù)，必將顯著提高我國汽車制造業(yè)的工業(yè)水平且能有效帶動(dòng)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展。