精益理念在冲压工艺的应用

文/谢文才，高长乐，马天流，邰伟彬·一汽轿车股份有限公司

精益理念在冲压工艺的应用

文/谢文才，高长乐，马天流，邰伟彬·一汽轿车股份有限公司

为了高效、优质、低成本地解决轿车冲压件生产问题，从冲压工艺角度要减少冲压件品种，生产时要减少批量增加批次；要提高生产节拍，减少生产转换时间。同时，要尽可能地采用国产板料及低成本板料。为了提高板料利用率，一方面要提高工艺及排样水平；另一方面要尽可能采用卷料，并且完成轻量化的激光拼焊板的准备。同时，为降低成本，在保证质量及工艺要求的前提下，要尽量减少投资。本文从工艺、材料、设备、模具等角度分析精益理念在具体生产中的应用。精益生产与冲压工艺的内在联系，如图1所示。

图1 精益生产与冲压工艺的内在联系

要实现低成本冲压件，就要有正确的、适合自身企业的投资理念，极大限度的降低设备、模具、工装及工艺投资，尽可能多地承担冲压件品种数。从工艺上应考虑一模多件，以合成尽量少的品种，从而承担更多的件数。目前一汽轿车公司冲压车间承担的冲压件品种数量在国内外都属于比较多的。为了保证多品种的生产排布，需要减少批量增加批次，必须要提高生产节拍，减少辅助生产时间。因此，从工艺上要考虑单动压力机、高效自动化，以至于横杆式多工位，同时要从工艺高度解决生产转换的问题。

毛坯准备

投资原则

尽量利用原有资产，包括厂房、工地、落料压机、剪床等。为提高效率，关键设备采用进口，其他设备采用国产。从工艺规划方面考虑，激光拼焊线同激光拼焊落料模实现互补，开卷落料线同开卷剪切线实现互补。结合国际品牌公司看好中国市场的心理，将会以较低价投标的实际情况，关键设备实施方案如下：⑴激光拼焊线引进国际最先进的设备，设备带焊缝补偿功能，可降低对模具技术的要求。确保因车型变化而不断开发的模具国产化带来的投入，每个车型约十几套的模具开发费用约可降低投资300万元。⑵在保证质量的前提下，开卷落料线采用国际中上水平的设备，实现内外表面件的落料及外表面件的剪切。剪切线生产内部件为主，采用以要求节拍为主，配置较低的进口线，大约可降低投资3000～4000万元。目前，设备厂家已经研制出适合于多品种、小批量的激光落料线，这将为各冲压件生产厂家提供更多的选择。

毛坯生产线的工艺过程、能力及特点

根据汽车制造技术中冲压工艺对板料的要求，在配送中心投建的生产线一般有几种形式。开卷剪切线实现方形料的剪切，设备主要包括开卷机、矫直机、剪板机和板料堆垛装置。开卷落料线主要完成异形板料的加工并配有摆剪模，设备主要包括开卷机、板料清洗机、矫直机、板料缓冲装置、板料对中装置、送料机构、落料压力机和板料堆垛装置。为减轻白车身重量并保证汽车结构件的刚性，激光拼焊板料的使用越来越普及，在筹建加工配送中心时可增建一条激光拼焊线。

提高材料利用率的基本手段

剪切余料分为两部分，前端的余料是以300mm为步距剪切掉，目的是消除前端的断面缺陷和去除钢卷最外面的1～2层材料，以消除运输的磕碰和捆绑印痕，保证材料的表面质量。尾端余料去掉的目的是消除尾端钢卷的划痕和不够一整张料的余料。

针对不同产品对于表面质量的不同要求，拟定了以下几种减少材料消耗的方法：⑴对于表面质量要求不高的内表面零件，前端只去掉300mm，尾端去除最后不满足开卷线生产条件的部分，根据制件进料步距的不同，损耗在3000～5000mm。⑵外表面件前端去掉卷料最外面的一层，根据卷料外径不同，一般为4000mm左右，料尾与内板相同，仍选择最小报废尺寸，一般为3000～5000mm。采取这种方式对于内板零件没有明显的质量影响，对于外板零件有时会出现不合格料投入生产的问题，通过在生产现场进行生产前鉴定的方式，对于确实不能用于生产的材料留作模具调试用。通过这种方式，改变了传统的开卷剪切（或落料）内板前后各去5m、外板前后各10m的做法，降低了单件消耗定额。

原材料降成本的思路

⑴进行轿车车身材料转化，在保证性能的前提下，尽可能使用低成本材料。

在保证整车性能的前提下，改变轿车车身表面处理钢板体系，完成从进口镀膜电镀锌钢板转化为电镀锌磷化（外覆盖件）钢板及热镀锌（内部件）钢板，完成零件钢种转化，确定技术标准；进行钢板耐蚀性、成形性、点焊及涂漆应用研究及烘烤硬化钢板性能改进；完成生产线冲压工艺及焊接工艺调整，质量达到原产品设计要求。完成多个品种零件材料的转化、认证及应用工作，降低原材料采购成本。

如在某合作车型产品设计时，当时采用的是日本新日铁公司生产的镀锌覆膜板，这种材料是国外某汽车公司和新日铁公司合作新开发的新型专利材料。在适应冲压件复杂成形方面有着降低摩擦系数、镀层附着力强的特点，同时由于减少了锌层厚度对焊接工艺也有益处。但正是由于板材是专利产品，造成采购价格高、供货及时性差等风险。寻求材料替代工作一直是我们追求的目标，目前已经完成了15个品种24个零件的材料替代工作。

冲压件使用国产热镀锌板进行替代的主要困难表现在以下几个方面：1)热镀锌板材料的摩擦阻力较电镀锌板明显增大，相对于镀锌覆膜板差别更大，在试验中表现为受材料流动阻力大的影响，制件开裂倾向十分严重。2)锌层结合能力差，容易脱落或与模具发生粘接，形成积屑瘤，造成制件划伤，进一步加剧开裂倾向。3)受阻力加大影响，制件出现变形不均的问题，产生回弹造成制件轮廓尺寸变化。针对这些问题，我们采取以下措施对冲压工艺参数和模具进行调整：1)通过改变涂油区域和涂油量改善材料流动阻力大和锌层脱落的问题。2)通过改善模具圆角形状、提高光洁度和模具表面硬化降低材料流动阻力和避免模具表面划伤。3)通过修改材料定位位置和调整材料形状弥补材料走料趋势变化造成进料状态变化的影响。

⑵提高材料利用率。

1)采用无废料落料方式缩小开卷落料步距，达到降低消耗定额的目的。如某车型发动机罩内板原开卷剪切规格为1700mm×1320mm，使用发动机罩外板落料模具生产时材料进给步距从1320mm减少为1170mm，单件降低消耗定额1.1kg。后期采用弧形刀剪切进行改进，材料利用率及生产效率会更加明显。

2)通过对现有激光拼焊板落料材料排样进行优化，在工艺上保证拼焊部位断面质量要求和维修要求的前提下，通过将几种零件的落料工艺改为无废料或少废料的开卷落料工艺，以及其他不适合采用开卷落料工艺的零件优化落料排样，可极大降低材料消耗定额。某零件落料优化前后对比，如图2所示。

图2 落料优化前后对比

3)优化现生产中使用的板料规格。如对现有生产中的某车型门内板等零件的拉延件进行认真分析与实验验证，确认毛坯材料极限尺寸，经过反复调试和批量生产稳定性验证，完成该车型门内板的材料规格修改工作。

冲压生产线

投资原则

关键设备引进当期最先进的生产线，以保证设备使用寿命及设备精度稳定性，同时结合产品、工艺要求，降低不必要的工艺配置及控制功能，降低投资约3000万元。主要设备（如研配压力机）采用国内外合作方式（国外负责设计、调试及提供关键元器件，国内制造主要机加件、焊接件，参与设计、调试及项目总负责），降低投资约1300万元，辅助设备国内采购。

冲压生产线的工艺过程、能力及特点

根据未来几年的产销量规划，新建冲压线必须满足所承担车型冲压件所要求的技术条件（即设备精度、工艺功能、自动化程度、传输精度、生产节拍、模具安装条件等）及工艺要求。设备必须能适应冲压新工艺发展（如一模多件、与类似设备的替代生产等）的需求。根据这一需要，新增冲压线的工艺过程确定如下：拆垛部分、板料清洗、涂油（根据需要）、板料对中等功能。布置5台或4台压力机完成冲压件的拉延、修边、冲孔、翻边/整形等工艺内容，配备自动化传输装置完成零件在工序间的搬运，线尾出件工位完成冲压件的检查与装箱工作。新增冲压线具有自动化程度高、设备刚性好、设备精度稳定、生产节拍高、零件传输稳定等优点。工艺规划方案如下：

⑴在多次技术交流与考察的基础上，参考目前成形工艺的发展，选择单动拉延的成形方式。单动拉延具备生产效率高、冲压成形稳定（配备了数控拉延垫）、自动化装置设备投资低、拉延与后续之间不需翻转等优点。采用液压数控拉延垫，在成形时可以实现四角压料力任意可调，减少了新模具调试时间。

⑵确定自动化连线方式。为了满足生产纲领的需要，在充分比较机械手自动化、机器人自动化的特点后，一定要选择当前最先进的高速自动化连线方式，从长期使用看，性价比最高。

⑶设备的几个先进技术。随着设备制造技术的飞速发展，先进的压力机技术得到了广泛应用，如：液压数控拉延垫（或伺服拉延垫）、主传动采用多连杆形式、免维护的湿式离合器（伺服压机已经不选用离合器）等技术，保证了较高的生产效率，有效地延长了模具使用寿命，而双工作台极大限度的节约了生产转换时间，上气垫的使用简化了模具结构，最大限度的节约了模具制造费用。

⑷冲压线组成。根据一汽轿车近几年产销量规划及当时生产实际，最终确定利用轿车公司新基地筹建契机，新增冲压工艺设备及各种配套设施，建立健全冲压工艺生产及保障体系。核心内容是新建全自动冲压生产线。A线为线头部分＋拉延压力机＋4台后续压力机＋6套自动化传输装置，B线为线头部分＋拉延压力机＋3台后续压力机＋5套自动化传输装置。压力机之间配有横杆式自动化传输装置完成冲压件的搬运，冲压线尾装有皮带输送机实现制件检查、装箱。

⑸厂房规划跨距为24m/27m/27m/27m/24m。根据冲压线技术规格，充分调查了国内外冲压厂房情况，在汲取各方面专家的建议后，根据我公司的实际情况，确定冲压厂房中生产区跨距标准为27m、辅助生产区（设备修理区及检具存放区）跨距为24m。冲压线居中布置在27m跨厂房，前部用于板料临时存放区及模具存放区，厂房轨顶高14.1m。随着设备技术的发展，厂房跨距及高度也应随之调整。

冲压工艺

⑴一模多件及冲压短工序技术应用。

在国外汽车制造厂一模四件技术已经得到应用，短工序技术在日系企业中应用较为广泛。为提升自主品牌轿车竞争力，提高生产效率，降低模具投资，降低车身成本，必须将一模四件应用在新车型制造工艺开发上。通过模拟分析、实地考察调研、与模具制造商交流等方式，对一模四件技术有了充分了解和掌握。在奔腾系列后续车型上完全有技术能力应用并推广一模四件技术。在2005年自主车型上成功地实现了四门内板、四门外板、行李厢内外板、发动机罩内外板、左右侧围内板等制件的一模多件生产，这种生产方式有利于大型冲压线充分发挥设备能力，成倍提高生产效率。一模四件模具示意图如图3所示。

图3 一模四件模具示意图

⑵激光拼焊技术的应用。

不等厚激光拼焊板的采用。车门内板、侧围加强板及侧围内板实现了激光拼焊板结构，同时还首次在侧围加强板上实现了封闭整体拼焊板结构。激光拼焊板适用于整车上强度要求不一的整体框架类零件，是近几年在国外逐渐推广的一种新技术。传统工艺一般采用整体结构冲压件、多个冲压件成形后焊接、增加加强板等方式来进行生产。降低材料消耗定额，降低整车成本。采用拼焊板生产侧围内板、侧围加强板等框架类零件，通过焊接直接形成框架形的毛坯材料，大幅度降低了材料消耗定额，从而达到整车降成本，提高市场竞争力的目的。采用拼焊结构，拼焊前的毛坯尺寸规格变小，使利用其他制件的余料变成可能，更能够体现绿色可持续发展的要求。

⑶高强度材料的应用。

国外很多年前汽车上就开始采用高强度钢板，但在国内仅仅是这几年随着燃油价格的不断升高才提出整车轻量化的要求，并逐渐变为发展趋势。相对于国外而言，我们在这方面的经验才刚刚开始并有所应用与积累。在自主车型上高强度钢板占白车身重量的比例高达30%～70%，并开始使用980MPa级超高强度钢板。

采用高强度钢板最根本的目的是提高整车强度，在满足强度的前提下降低整车重量，从而降低燃油消耗达到节省能源的目的。随着燃油价格的不断上涨，国家对于整车的经济性要求也越来越高，从限制大排量汽车到降低小排量汽车的附加费用，都充分体现出节省能源的宗旨。在保证整车安全性的前提下降低车重，提高车身冲压材料强度是最直接的办法。

结束语

本文是我们的工艺技术人员在实际生产中总结整理的经验和一些体会，在多年的应用中，没有照本宣科、教条地说出那些理论性的精益方法。但是在每一项工作中又无时不刻的体现出了精益化的内涵。希望通过本文，能够与国内专家、同行共勉。