广汽乘用车冲压厂的规划设计

文/钟剑·广州汽车集团乘用车有限公司制造部

广汽乘用车冲压厂的规划设计

文/钟剑·广州汽车集团乘用车有限公司制造部

广州汽车集团乘用车有限公司在乘用车领域与日本本田、丰田成功合作后，积累了丰富的经验、雄厚的资金和优秀的人才，在此基础上广汽自主品牌轿车也开始了自己的征程。在冲压领域，很好地借鉴和发扬了广本及广丰工艺规划及设备导入中的相关经验，完成了车间整体规划、工艺设计和装备导入，建成了具有先进水平的冲压工厂。

广本冲压车间的规划经验

工艺装备特点

广汽本田的发展采用“少投入、快产出、滚动发展”的模式，在1998年7月成立以来从3万辆、5万辆、12万辆逐步达到24万辆年产能，分期投入逐步扩展。冲压领域的发展也是秉承本田的发展方式，在原有厂房及设备的基础上，进行生产线的半自动及全自动改造和设备的分步投入，2010年达到设备极限产能36万辆。主要生产的车型从经济型到中高档以及MPV，包括飞度，思迪，雅阁及奥德赛四款车型。

图1广本冲压车间平面图

改造情况

广本冲压厂房及设备在原来广州标致遗留下来的厂房及设备的基础上进行改造。厂房布局（图1）是充分利用原有厂房进行重新布局，提高利用率和物流合理性。

设备选型的改造，包括以下几方面：

⑴压力机。广本冲压厂早期设置的都是A级线，每条线包括1台1500t单动多连杆机械压力机带气垫和3台630t～1000t单动偏心齿轮机械压力机组成，工作台面4500mm×2200mm，滑块行程900mm。改造后，生产工艺由双动拉延改为单动拉延，三条线的第一工序压力机全部更换为单动的带气垫的1500t的压力机。一方面是为了生产线之间的互换生产，另一方面也跟本田模具设计规格有关。但随着目前车型的规格不断加大，车型外观越加复杂，第一工序模具的成形力也在不断增大，目前部分零件的成形力已经略超过1500t。

⑵落料设备。将原有的开卷剪切线改造成开卷落料线，用400t落料压力机替换原来的剪板机。同时，将原来南北走向布置改为东西走向，和压力机生产线平行。

⑶板件清洗。新增的板料清洗机采用在线清洗设备（ON–LINE），每条生产线线首在拆垛后都装有坯料清洗机，清洗完后直接送入第一工序拉延成形，以保证板材的清洁度。

⑷零件搬送。由于原有压力机8.5m间距比较大，所以压力机间的零件搬送采用的是上下料手及穿梭机，这种搬送方式比机器人速度要快，但该种搬送装置的初期通用投资以及后期的专用投资都较大，同时设备调试及新机种示教时间长。

⑸模具吊运。天车都配有双钩，分别是50t/10t，50t主钩主要用于吊模用，10t副钩用于协助模具翻转。

⑹模具过跨搬运。模具过跨采用带轨道的电动小车，对于模具转运员工的转运水平要求不高，容易操作，但设备及地基成本较高。

⑺废料运输。废料输送链地采用鳞板式连接的结构形式，第二工序开始从前至后地进行布置，在线尾的纵线汇总在车间内爬升出地面，设置废料打包房。

⑻侧围输送链。为了提高空间利用率及减少物流配送的压力，冲压车间追投了侧围输送链，左右侧围加工质检后直接输送到二三层存储区，然后自动输送到焊装工位上。

改造特点

⑴仅对原有厂房及设备做部分改造，填平补齐，缩短工期，降低初期投资，减少风险，实现快产出。

⑵生产线平行布置，材料，零件存储区按照物流顺序安排，整体布置物流较为顺畅，模具就近生产线边存放，模具吊运效率较高。

⑶压力机间距8.5m，采用了机器手及穿梭机的形式搬送，成本较高。

⑷线首采用传统气缸拆垛装置，无料架分离装置不能实现材料更换不停线。

⑸采用在线清洗装置，使得零件的表面质量更有保证。但每条生产线都要配备一套清洗装置，内外板都要通过清洗装置，清洗油消耗较大。同时，与主线相连，增加了生产线的故障率。

⑹每跨配备两台天车，可以相互替补。但是大小钩起吊吨位设置相对起吊模具吨位，大钩偏大，小钩偏小。

⑺线尾采用宽幅短皮带机配合质检台，成本低，运行稳定。但是，需要质检员检查完手动推移零件到下工序，而且对于皮带中部的部位检查较为困难。

广丰冲压车间的规划经验

工艺装备特点

广汽丰田发扬了丰田一贯的发展模式：高起点，高投入，高产出。目前生产的车型包括中高档轿车凯美瑞，经济型轿车雅力士以及SUV车型汉兰达。冲压车间是以世界最先进的冲压工厂进行规划，初期一次建设2.8万平米，一次导入4条与日本小松公司合作开发的全伺服压力机生产线，包括两条生产A级零件的伺服单机连线及两条C级多工位伺服压力机。每条A级线包括1台1600t单动伺服驱动压力机带伺服垫和3台800t单动伺服驱动压力机，工作台面4500mm×2150mm，滑块行程900mm；C级线为2300t的多工位压力机，工作台面2300mm×5200mm，滑块行程550mm。

改造情况

广汽丰田厂房的设计是这样的，车间由5跨组成，两跨30m，三跨24m，外加废料间，共约2万6千平米。四条生产线下面设置废料输送沟，沟底深度为6m。由于采用伺服压力机，第一工序采用结构更为精简的伺服垫，地沟深度要求比传统机械式压力机线地沟浅1～2m，长度也能缩短近9m，大大减少了厂房造价，见图2。

⑴原材料采用卷材，规划不导入开卷落料线，由配套协作厂提供开卷剪切落料后的毛坯板料，采用实时配送的方式。坯料经离线清洗机清洗后转存于坯料存储区，后经过冲压加工生产入库。

图2广丰冲压车间平面图

⑵冲压车间图2可以看出，自东向西布置了模具存放区、生产区以及零件存放区，整体布置紧凑、顺畅，运输路线短捷，并留有扩建的可能。

⑶对于大中型冲压件（包括全部重要的外板冲压件、高精度的车架冲压件），在本车间生产。占全部冲压件的50％以上，而且对于边角料可以再利用的（如侧围门孔落料板件）。边角料通过整体设计优化用于中小型零件的生产，大大提高了材料利用率，可达65％以上。便于运输的小型冲压件、高强度钢板的冲压件、不同厚度钢板构成的冲压件、需保证精度的冲压件，由国内的丰田（合资或独资）配套厂家以及中国国内厂家提供。

⑷两条大型冲压线采用串联式高速全自动生产线。生产线评价达到14次/min，线首配置拆垛装置及送料机器人，工序间采用横杆式机械手装置进行上下料。工作台左右对开，工序间配有带夹持器的ATC小车，保证每次更换端拾器在3min以内。

⑸两条全自动多工位压力机生产中小型零件，生产线速度可达20次/min。压力机采用了伺服马达驱动，可根据不同的生产需要设定不同的行程长度和速度。通过伺服压力机标配的线性光栅尺，能够始终保证下死点的成形精度，有效抑制了产品的毛刺及其他不合格品的出现。

使用的伺服压力机具有复合性、高效性、高精度、高柔性、低噪环保性等优点，具体表现在以下几个方面：

①改善成形性。具体内容包括：提高材料拉延率，减少材料的报废率；降低材料要求，同等拉延要求可以考虑质量稍差的材料，从而降低钢板材料采购成本；可以成形新材料、铝板、厚板等难成形的材料；大大降低材料的回弹，改善拉延质量。

②节约能源。伺服压力机与传统机械压力机相比，节能约60％，与油压机相比节能近65％。伺服压力机采用大功率交流伺服电机及其驱动控制技术，在交流伺服传动过程进行能量的回收，包括本机体内及压力机间电力反馈设计。常规机械式压力机驱动电机开机后一直运转，同时带动飞轮旋转，靠飞轮转动惯性且通过离合器控制滑块运动。而伺服电机驱动的压力机，完全靠电机的扭矩工作，通过混合（丝杠、多连杆等）增力机构，一方面取消了离合器，由电机驱动单元控制电机的起停；另一方面，也省去了飞轮，电机只有在冲压工作时才运转，相对常规机械压力机的电机和飞轮空转耗能得以节省，同时也减少了离合器的能耗。

③提高模具的使用寿命。伺服压力机在保证生产效率的前提下，可保证下死点成形超低速运行，减少对模具的冲击，整体振动及噪声大为减少，大大提高了模具的使用寿命，估计比传统机械压力机模具使用寿命提高2～3倍。

④改善环境。具体内容包括：相比机械压力机，噪声大大降低（低于75dB），远低于国家职业卫生法律要求；相比机械压力机，振动大大降低，对于周边设备及厂房影响减少；整体结构简单化，相同吨位的压力机自重减少近20％，制造材料减少的同时，对地基要求也大为降低。

图3广汽乘用车冲压车间平面图

⑤提高零件成形品质。具体内容包括：伺服压力机下死点重复停止精度±0.01mm；加工压力的重复精度±1.5mm。

⑥加工速度大为提高。

改造特点

⑴全新建设的厂房，二十万产能一次达成，具有高投入、高产出的特点。

⑵导入全球最先进的伺服压力机，对于大型覆盖件生产速度平均达到的14次/min，生产品质更加稳定，而且对于地坑基础的要求较低，地坑深度只需5～6m，大为降低地坑造价。但是，导入的成本比普通机械式压力机线增加近40％初期投资，作为最早投入使用伺服压力机的生产线，伺服压力机前期的稳定性较差、故障较多，对于维修压力较大。

⑶压力机间距4.5m。超短的压力机间距，保证搬送的快节奏，同时也大大降低地坑基础的造价（比起传统4工序压力机线可以缩短最少9m）。

⑷压力机采用横杆搬送机器人，整线速度最高可达到18次/min以上，有着很高的生产效率。但是，该结构对于模具设计要求较高，除了对于搬送高度，对端拾器的拾取姿态、放件姿态都有严格的要求。

⑸线首采用机械式气缸拆垛形式，可以保证高速的拆垛节奏，运行较为稳定，但是成本较高。

⑹线尾皮带机采用两条平行窄幅长皮带，同时为了保证质检及装箱跟上生产节奏，还布置有左右对开的皮带机。质检员与皮带机随行检查，这对于员工技能要求较高。皮带机的更换及维修较为简单。

广汽乘用车冲压厂的规划设计

设计原则

广汽乘用车整体的设计原则是借鉴广本的发展思路，减少初期投入成本、快速达产、滚动式发展来进行初期设计规划。厂房分期建设，预留扩展空间，设备分阶段导入。初期生产的是中高级轿车“传祺”，由欧洲设计公司进行外观设计，大中型零件模具设计按照4工序进行设计。

冲压厂房（图3）整体新建，承担全部外观覆盖件及大型内部结构冲压件的生产。主要生产对于车辆的尺寸和表面质量至关重要的外饰冲压件以及配合精度要求较高的大中型冲压件，其他中小型冲压件外协生产。

冲压厂按照精益化、敏捷化、柔性化生产高水平产品的设计理念，选择技术上先进，经济上合理的设计方案，不仅满足产品的质量要求，同时也具有较好的经济性。

表1三种搬送方式的比较

厂房建设

生产车间厂房结构形式是采用门式刚架普通钢结构厂房，地面荷载标准值为100kPa，在模具存放区承载150kPa。冲压厂房分两期建设，一期产能10万辆，由1个30m跨及1个24m跨组成，长120m。高跨起重机最大起重量40t/20t；二期产能20万辆，冲压车间厂房北面接建2个30m跨，长120m厂房，起重机轨顶高为13.5m，在东面接建一个24m纵跨，长114m，起重机最大起重量32t/8t。

工艺流程

⑴所有冲压件按其周长和其复杂程度分为五级，即A、B、C、D、E五级，A、B级为大中型冲压件。本冲压车间只承担A、B级的冲压件压制，其他冲压件外协。

⑵冲压车间初期不导入开卷落料线，生产使用的原材料由广汽集团内部协作，提供开卷剪切落料后的毛坯料，贮存期为2天，经坯料清洗机清洗后进行冲压生产。

⑶车间自东向西布置材料受入区、材料清洗区、冲压生产区以及线后零件库存区，最后发送到焊装车间。物流按照合理，顺畅，整齐美观的原则布置。

⑷冲压工艺尽可能采用左右合冲冲压工艺技术和复合模具，尽量减少工序数并增加模具复合程度，以提高效率，减少投资、节省板料。

设备选型

⑴压力机。冲压车间主要的生产设备是压力机，广本以传统的机械压力机为主，广丰则全部导入伺服压力机，在广汽乘用车调研阶段，规划导入第一工序拉延采用伺服压力机。但在2008年广汽乘用车压力机招投标阶段，了解到当时的伺服压力机还存在一些不足，包括伺服压力机技术还不成熟，驱动机械结构的耐久性还待验证，目前使用的伺服压力机的主体部件都有更换；由于缺少飞轮的储能，配备的伺服电机的功率较大，1600t的压力机至少要配备4台250kW的大功率伺服电机，在滑块启动时对电网的冲击很大；整体造价相对较高，比传统机械压力机高出40％；伺服压力机以往缺少维修经验，对于后期维修存在较大难度；一些压力机厂家正处在专利技术的合作期，暂不对外销售。

根据以上分析，第一期10万台/年规划，暂不引进伺服压力机，待第二期扩能时再考虑全线引入伺服压力机线。因此，从技术成熟性及成本出发，一次建厂时对于关键设备还是选择技术相当成熟的国内八连杆机械压力机作为主要的生产设备。在压力机吨位选择方面，考虑到广本冲压件的最大成形力已经达到1500t以上，基于以后自主研发车型系列的发展及适应性的规划，第一工序拉延选择2000t压力机，后面3台压力机采用偏心齿轮式的机械压力机，工作台面4500m×2200mm，滑块行程1100mm（保证零件拾取便利）。

⑵自动化搬送装置。目前采用几种搬送方式，有机械手＋穿梭机、机器人、横杆式机械手三种，都有各自的优缺点，对比情况见表1。从成本及对模具适应性来判断，采用简单而又灵活性最高的机器人搬送装置是合理的选择。

⑶拆垛装置。线首拆垛放弃了日式习惯采用拆垛机，而是采用了更为简单的双工作台连续拆垛＋重力对中的方式。传统的机械拆垛装置一般在零件更换过程中需要停线10s进行材料托架的切换，该拆垛结构复杂还需要增加地坑基础。整体造价成本相当高，而且以后维护难度也非常大。采用双拆垛小车配合机器人进行零件拆垛，不但可以达到10次/min的生产速度，而且整体造价大为降低。同时，后期设备维护更为简单。拆垛装置直接配置对中台，线中取消了在线清洗装置，对中方式大为简化。

图4拆垛方式对比

⑷离线清洗装置。一台离线清洗机可以对应超过20万的产能（约10组外板零件），对应两条压力机生产线。离线清洗机只是针对外板件进行清洗，可以大为减少油液损耗及能耗，更为环保。在线清洗机与主线串联在一起，增加了主线停机时间。

⑸天车。每跨的功能区独立便于天车选型，北跨布置了模具存放区及生产线，天车设置为单钩40t；南跨是模具维修区及材料清洗区，设置了双钩40t/20t天车。同时，根据目前较大的并模重量在35t左右，40t的起吊重量更为合适。

图5压力机整线

生产管理与质量管理

如何保证冲压件的质量，性能优良的工装和现场的生产管理是两大关键因素。本次压力机线（图5）采用2000t＋1000t+1000t+1000t的单机连线的方式，其中最重要的拉延工序压力机采用具有国际先进水平的8连杆传动技术，相比传统6连杆传动，冲压零件时的压力曲线更加平缓，零件质量也更加稳定。

与压力机线相配套的是自动化零件搬送装置，本次采用的是ABB全球最新的旋转7轴搬送机器人.该型号机器人也是ABB公司专门针对冲压搬送工艺进行改良的的设备，柔性更好、运行更加稳定，与人工搬送和普通机器人搬送相比，7轴机器人在整个搬送过程中不会对零件质量造成任何影响。

冲压零件的质量要好源头在材料，尤其是材料表面的清洁度直接关系到零件冲压成形后的外观质量。此次采用的日本进口的清洗机，它采用内外喷淋相结合、先刷后挤的方式，集清洗和涂油功能于一身，清洗过滤精度高达3μm，使得冲压零件的表面质量达到了微米级别，而涂油后的残油量为1～20mg/m2可调，可以充分配合压力机的冲压加工，使得冲压零件的表面质量达到最优。

配合清洗机使用的材料对中装置，采用最先进的视觉摄像对中，与传统机械式对中相比它是真正的无接触式对中，对材料无任何损伤，从源头保证了冲压零件的高品质。

除了先进的设备，还制定了有效的质量保证体系，从源头的钢板材料开始进行严格管理，在生产过程的每一个环节都严格执行“三不原则”。在终检环节，相比同类企业加大了检查频率，增多了检查项目，力保整车的优良品质。