钢铝混合开卷落料线探讨与应用

李 娜，张 凯，徐济声，马 冰，章海滨（济南铸造锻压机械研究所有限公司，山东 济南 250306）

钢铝混合开卷落料线探讨与应用

李 娜，张 凯，徐济声，马 冰，章海滨
（济南铸造锻压机械研究所有限公司，山东 济南 250306）

简单分析了近年来铝合金材料在汽车工业中的应用发展趋势以及应用中遇到的部分问题，列举铝合金板材加工设备与常规碳钢板加工设备的区别，介绍了一种适用多种原材料的钢铝混合开卷落料线。

汽车轻量化；铝合金；覆盖件；钢铝混合开卷落料线

在汽车工业高速发展的今天，环保的压力也日益增大。大力发展新能源环保汽车和推进汽车轻量化设计作为破解之策被寄予厚望。

汽车轻量化用材料可分为高强钢、铝合金、镁合金、碳钎维复合材料等，其中铝合金作为一种理想的轻金属材料在汽车上的应用越来越广泛。近20年来，铝及铝合金的使用多集中在车身构件、发动机、空调器、保险杠、车轮、装饰件、车座等方面。2011年，日本轿车用铝及铝合金中，铸造铝合金占82%、加工材及锻件占18%；美国轿车分别为70%、30%；德国轿车分别为78%、22%左右。而在加工材及锻件用量中，挤压材约占30%、板及箔约占68.5%、锻件仅占1.5%左右。

2012年以来，发达国家出于行人保护等需求，车身覆盖件大量采用铝合金板材。以北美地区引擎盖铝化率为例，2012年引擎盖铝化率达30%，2015年接近50%，2020预计接近75%，2025预计达到85%。北美2020年车门和行李箱盖/尾门、顶棚的铝化率将达25%，翼子板铝化率接近20%；2025年车门铝化率将达50%、行李箱盖/尾门与顶棚铝化率将超过30%，翼子板铝化率接近30%。以奥迪、捷豹、F-150卡车、TESLA-S新能源汽车为代表的车身全铝化正在推动铝合金板材在结构件上的应用。

2014年全球汽车用铝量显示，北美是总用量最多和单车用量最大的地区，为150kg/辆；欧洲第二，单车用铝量145kg；日本第三，单车用铝量140kg；中国虽是全球最大的汽车生产国，却是单车用铝最少的，仅110kg/辆。

预计到2020年，覆盖件用铝合金板材将大规模采用，2025年18%的乘用车将采用全铝结构，使北美每台汽车铝合金使用量超过250kg。北美乘用车铝板2012年的市场规模只有10万t，预测2020年将超过120万t，2025年将超过200万t。欧洲乘用车铝板2012年的市场为20万t，2020年将超过100万t，2025年将超过150万t。以上数据表明，发达国家铝合金板材应用已有相当的技术基础及市场规模，未来还将呈现大规模增长的趋势。

国内一些合资汽车公司如上海通用别克君威、君越、GL8商务车的引擎盖，一汽大众奥迪汽车引擎盖、车门、行李箱后盖2012年已开始使用铝合金板材。预测国内覆盖件用高档乘用车车身铝合金板材在2016年超过6万t，2020年有望超过30万t。

除此之外，结构件及公交车、油罐车、货运挂车等商用汽车更加需要采用铝合金实现轻量化，预测所需铝合金板材在2020年会超过70万t。因此，2020年中国国内汽车用铝合金板材的市场需求在100万t以上。

1 铝合金材料应用中的问题

尽管市场前景广阔，但中国汽车用铝材面临着成本高、技术不完善、厂商和大众在消费上存在偏见等严峻现实。

国内汽车厂家在铝合金的成形、连接、涂装等应用技术方面的研究刚刚起步，为实现大规模应用还需要解决一系列技术问题。

（1）成形技术。铝合金与钢板相比，延伸率及应变比低、拉延及深冲成形性较差，弹性模量低、成形后的弹性回复量偏大，因此需要从部件的形状设计、润滑油的选择、合理的成形条件着手实现铝合金零部件的成形；还可以通过液压成形、高温快速充气的热成形进行复杂形状零部件的制备。

（2）连接技术。铝合金的连接性能与钢板相比，电阻低、热传导容易，加上表面致密的氧化物的存在，熔融焊接性能较差，特别是汽车钢板连接常用的点焊技术用在焊接铝板时性能不尽如意。尽管通用汽车公司找到一些解决办法，但大多数汽车公司已经把传统的点焊改为铆接。日本丰田汽车公司开发了点摩擦搅拌焊接替代传统的点焊。

（3）表面处理技术。汽车铝合金板材与镀锌汽车钢板相比，在现有磷化处理液体中形成的磷酸锌盐结晶体粗大、致密度较低，不能满足涂装性能要求。因此需要对现有磷化处理液体进行改进，同时需要开发铝钢部件混合磷化、电泳处理技术。

2 加工设备的区别

处理碳钢板车身材料常用的板材加工设备，也不能直接应用于铝合金材料。下面以开卷落料线为例简要说明。

如图1所示，常规的开卷落料线主要由开卷机、清洗机、矫平机、伺服送料装置、压力机及码垛部分组成，其简要工艺流程为：备料台→上料小车→开卷机→引料机→切头剪→清洗机→矫平机→活套桥→立导辊→伺服夹送→检测轮→压力机→码垛部分→废料筐。

而铝板落料线与常规钢板落料线的差异主要体现在：

图1 常规开卷落料线工艺流程图

（1）易产生过渡划伤。铝板与冷轧钢板相比，屈服强度较低、表面更脆弱，不耐划伤，铝板线必须避免铝板与金属托板直接接触，过渡则必须采用挂胶辊/轮等。

（2）矫平机间隙调整特点。铝板与钢板开卷线矫平机结构相同，但板材弯曲弹复量差异较大，矫平机间隙调整需逐步调整，摸索经验参数。另外，国内铝材轧制技术相对落后，因此材料内应力消除不均匀，开卷时矫平机辊子的挠度必须做到实时在线调整，以得到更好的板型。

（3）易产生伺服送料压痕。由于铝板表面硬度低，易造成板面压痕。可考虑使用较软的材质作为伺服送料辊或减少辊子的下压力。

（4）电磁码垛机无法使用。电磁码垛机作为开卷落料线码垛部分的核心部件，位于整个落料线的末端。通过电磁铁产生磁力并透过同步带作用于需要输送的钢板上，使钢板吸附在皮带下表面并跟随皮带一起运动并在合适位置码垛。此方式的优点有效率高，柔性强，能够码垛两种不同形状的异型钢板，并且对板料无划伤，是高档开卷落料线的发展趋势。近年来，在汽车制造业、钢材加工配送企业等都有广泛应用。

但铝合金板材具有磁的不可吸附性。落料线生产的板材特点是异形和镂空。当前碳钢主流板材市场使用的堆垛机为气浮堆垛机和磁性堆垛。但是异形和镂空板气浮堆垛机无法正常堆垛使用；铝板因磁的不可吸附性使磁性堆垛机也无法正常使用。对此必须寻求新的堆垛形式，才能满足需求量迅速增加的铝合金板材的冲压落料需求。

3 一种钢铝混合开卷落料线

随着铝合金板材在汽车覆盖件和结构件方面的应用日益增多，能够同时处理碳钢板和铝合金材料的混合开卷落料线应运而生。下面简要介绍这种钢铝混合开卷落料线的基本结构。

如图2所示，该钢铝复合开卷落料线与普通落料线最显著的区别在于码垛部分。能够将真空负压系统和电磁皮带结合在一起，在尽量减少对常规码垛系统结构改变的同时，很好地解决了铝板和钢板在生产线上的输送问题，因此可兼顾两种板材进行高速高精度码垛，不失为一种巧妙实用的方案设计。

图2 钢铝混合开卷落料线结构

4 结语

从高速、舒适、美观、耐用、轻量化、节能环保、降低综合成本等方面看，铝合金无疑是汽车工业现代化和轻量化的首选材料，因此世界各国都在致力于汽车用铝合金的研究。

随着国内汽车行业的高速发展以及铝合金板材在汽车车身用量的逐渐增多，相应板材处理设备的需求量也大幅增长。但是能够同时兼顾碳钢板及铝合金板材的加工设备却呈现出数量明显不足的态势，如本文举例的钢铝混合开卷落料线国内不足10条，远远不能满足市场需要。

研制高性能的汽车用铝合金和铝合金板材加工设备，对提高我国汽车工业和装备制造业的国际竞争力具有举足轻重的作用，同时也将产生重大的经济和社会效益。

[1] 赵丕植.国内汽车铝板应用的趋势与挑战[J].中国汽车材料网，2016，（9）.

[2]王祝堂，张新华.汽车用铝合金[J].轻合金加工技术，2011，39（2）.

[3] 王孟君，黄电源，姜海涛.汽车用铝合金的研究进展[J].金属热处理，2006，31（9）.

[4] 王 平，崔礼春，马国礼.先进开卷落料线的工艺规划设计[J].锻压技术，2013，38（4）.

[5] 管 俊，蒋国美，吉素云.薄板横切开卷线中矫直机结构探讨[J].锻压装备与制造技术，2011，46（3）：31-33.

Discussion and application of decoiling-blanking production line for steel and aluminum

LI Na,ZHANG Kai,XU Jisheng,MA Bing,ZHANG Haibin
（Jinan Foundry and Metalforming Machinery Research Institute Co.,Ltd.,Jinan 250306,Shandong China）

The application developing trend of aluminum alloy in the automotive industry has been simply analyzed in the text.Some issues of aluminum alloy during promoting in domestic automotive industry have been put forward.The differences of processing equipment for aluminum alloy and steel have been listed.Finally,the decoiling-blanking production line suitable for steel and aluminum has been introduced.

Light-weighting of automotive;Aluminum alloy;Automotivestructuralpart& panel;Decoiling-blanking production line for steel and aluminum

TG333.2

B

10.16316/j.issn.1672-0121.2017.02.006

1672-0121（2017）02-0022-03

2016-11-10；

2017-01-16

李 娜（1982-），女，助理工程师。E-mail：zk990218@163.com