汽車底盤充液成形自動化生產線

倪炳林，陸小怡，蒙小鵬，藍善軍

（柳州五菱汽車工業有限公司，廣西 柳州545007）

0 引言

汽車輕量化作為當今汽車設計的一大主流，從綠色、節能、環保、安全的理念出發，該技術可提高汽車燃油經濟性，實現節能減排目的。中國汽車工程學會最新發布的《節能與新能源汽車技術路線圖》，輕量化成為七大技術路線圖之一。基于國家對汽車油耗和尾氣排放標準不斷趨嚴，以及新能源汽車續航里程問題未能得到有效解決，輕量化是未來汽車發展的必然趨勢。汽車整車重量每減少100 kg，加速性能提升8%～10%，排放減少4%，制動距離可縮短2～7 m，汽車輕量化能夠兼顧提高燃油經濟性和環保性的雙重目標。

柳州某汽車企業多種車型底盤總成的扭轉梁、前副車架等關鍵件，已逐步采用充液成形零件。我司為該汽車企業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，利于承接新產品，經過深入研究考察，公司于2018年5月籌建一條7000T充液成形自動化生產線，于2018年4月投產運行。

1 生產線概述

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

其中，拖曳臂生產工藝流程為：管料—彎管—涂油—預成形—液壓終成形—鋸切—沖裁—打標清洗—成品。如圖1所示。

圖1 拖曳臂工藝方案

軸梁生產工藝流程大致為：管料—自動對焊縫并涂油—預成形—液壓終成形—打標清洗—激光切割—清洗—熱處理—成品（激光切割以后的工序不在本產線內進行），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

充液成形是指采用液態的水、油或粘性物質作為傳力介質，代替剛性的凹模或凸模，使坯料在傳力介質的壓力作用下貼合凹模或凸模而形成[1]。根據形成對象（結構、材料）的不同，它主要分為板材充液成形和管件充液成形。

本產線主要采用管材充液成形工藝，它是通過管材內部液體介質作為凸模，通過液體介質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，本產線所生產的是某車型兩種底盤總成關鍵件拖曳臂、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，然后壓機開動進行合模動作，上模2向下運行貼合，保持一定的合模力。

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

3）在加壓脹形后期，即“校形”階段。為了實現小圓角等復雜結構處的最終貼模，達到零件的成形效果，需要給乳化液施加很大的內高壓。經過前期仿真分析，目標產品拖曳臂和扭力梁均在180 MPa內壓力作用下，零件整體貼模度狀態最為良好，零件無明顯起皺和破裂風險。實際生產驗證的成形壓力值為200 MPa，偏差為11.1%，差異在可控范圍內。

圖3 管式充液成形原理

3 充液成形產線設備概述

3.1 產線整體布局

整線總共配置13臺設備，包含1臺彎管機，1臺涂油機，1臺2000T預成型壓力機，1臺5000T終成型壓力機，3臺ABB搬運機器人，1臺鋸床，2臺160T沖床，1臺激光打標機，1臺清洗機，1臺激光切割機。由彎管單元、預成形單元、涂油單元、充液成形單元、激光切割單元、清洗單元、搬運機器人單元、工裝夾具單元、總控制系統單元和外圍安全設備等組成了一條半自動化生產線。整體布局圖如圖4所示。安裝完成后投入使用的產線如圖5所示。本文主要著重對涂油、自動化、充液成形、清洗、激光切割進行介紹，對彎管、沖床等單機設備不進行詳細介紹。

圖4 充液成形產線整體布局圖

圖5 充液成形產線

3.2 涂油機單元

本系統主要由涂油機和上料平臺組成。涂油機可實現直管焊縫自動對正、涂油，然后將管材傳送至液壓成形自動生產線內。上料平臺上的工裝夾具可根據零件不同進行更換，實現不同類似零件的涂油需求。直管焊縫自動對正功能主要是針對于軸梁件管坯焊縫及兩側熱影響區域是成形過程中的危險區域而特殊定制的，該位置也直接影響后續零件的疲勞試驗壽命。上料初始位置要根據所判斷的位置放入預成形壓機模腔中。

3.3 HYTH2000-5000T充液成形液壓設備單元

HYTH2000-5000T充液成形液壓設備包括：2000T預成形壓機一臺，用于完成零件預成形，為下一序充液成形做準備；5000T充液成形合模液壓機一臺，用于完成液壓成形過程中模具的合模動作，并提供合適的合模力來保證液壓成形過程的順利進行。2000T液壓機主噸位由三缸實現；5000T噸液壓機主噸位由七缸實現，為分體框架式液壓機。壓機操作方式有微動對模、調整、手動單次循環和帶成型高壓系統的連續運行。

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

液壓成型工藝控制系統為整個液壓成形成套設備的總控系統。如圖6所示，該系統能實時監控和控制5000T液壓成形成套設備的運行，讓其按照指定工藝要求完成所有動作。此系統能智能控制合模壓機的合模噸位，使其與液壓成形超高壓系統中的壓力相匹配（合模噸位跟隨零件內壓升高而升高，降低而降低）。

圖6 液壓站+水站

油系統主要包括油箱電機、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提供壓力油，同時對增壓缸高壓腔壓力以及側推缸位移進行控制。增壓缸低壓端及側推缸帶有內置式位移尺，通過比例伺服閥進行位移和壓力的閉環控制，壓力控制精度為0.5 MPa，側推油缸位移定位精度為0.1 mm，此油系統與合模壓機油系統融合為一體。

超高壓水系統主要包括水箱、電機、管道泵及電機、乳化液過濾裝置、油水分離系統、管路等組成。主要為零件內腔及增壓器高壓腔提供低壓水。水系統介質為HFA液體（95%的水+5%的乳化液）。系統過濾系統采用兩級，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水過濾[2]。油水分離系統主要將充液成形過程中進入水系統中油液進行分離。

3.4 自動搬運機單元

本單元主要由三臺ABB搬運機器人完成中轉臺1、預成形壓機、涂油機、充液成形壓機以及中轉臺2之間的零件搬運。搬運機器人一次可抓取2件扭力梁或拖曳臂（一模雙件），通過離線編程軟件RobotStudio軟件模擬仿真三臺機器人與涂油機、兩臺壓機的抓件運行軌跡，保證其在運行過程中不與相關設備發生干涉碰撞，且能有效提高運行效率。機器人與端拾器間采用法蘭盤聯接，法蘭盤公頭位于機器人六軸端面，內置鎖緊到位檢測開關，通過氣路可實現快速連接。端拾器主桿為鋁合金型材與法蘭盤母頭連接，使用氣動夾爪夾緊工件，并附有工件檢測。端拾器具備自動更功能，可以在換模期間同步完成，非常快捷、方便、安全，自動更換過程可在5 min內完成。

3.5 自動周轉清洗機構

清洗機七槽全自動超聲波管件清洗機，利用洗劑超聲清洗、清水超聲波漂洗、熱循環風吹干、防銹浸泡、高壓風吹干來清除油漬、灰塵等污物。設有清洗槽、烘干槽、浸泡槽、瀝油槽共7個槽體，對充液成形的兩個零件按整框進行清洗。并且設計有自動回轉料臺，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采用SF3015型激光切割機，本機主要是用于將充液成形后的封閉軸梁進行清洗并打碼后的切割工藝。激光切割機采用高架龍門雙驅結構，床身采用一體化整體焊接加工成型，高剛性高動態響應的橫梁，同時采用專用導軌基座、直線導軌的雙邊齒輪齒條雙電機驅動，具有重量輕、動態響應好等特點，其龍門整體結構和齒輪齒條的傳動方式保證了設備的高速定位、快速動態響應和良好的穩定性。耐磨、抗震，滿負荷運轉下能保持其高精度、高效率、低噪音的良好性能。設備的穩定性和加速性能好，具有一體化設計和高配置的特點。

3.7 生產線總控系統

本產線自動化生產單元采用集中中央CPU+總線通訊的控制結構。通訊原則為中央CPU為主站，其余專機設備的控制、機器人控制柜等為從站。

該系統可以完成整個生產線的自動控制，使各個工序有效銜接，保證生產按設計節拍有序進行。通過PLC編程，實現對產線的過程控制和實時監測，在出現異常情況時系統能及時報警并顯示報警信息，并能根據系統定義情況發出控制指令（全停，部分停或不停），以確保設備安全和人身安全。同時，自動化系統配備完善的安全門鎖、急停開關、安全繼電器等安全裝置，采用硬接線的方式實現信息交換，實時控制顯示安全區域狀況。聲光報警單元作為整線安全系統的輔助工具，能夠在設備起停、故障以及安全系統中各安全監控點異常時報警等，從而做到各種異常狀況發生時能夠及時通知操作人員處理[3]。

4 結束語

該產線除了具備生產當前兩種底盤零件外，還可以在后期根據不同產品特性進行柔性改造，這符合當前汽車產品多樣性市場特點。此產線結構設計可為充液成形產線提供參考。隨著自動化程度水平的不斷提升，使用機器人替代人工在環境較為惡劣（噪音、高溫、油污）的環境生產是行業發展的必然趨勢。充液成形技術的研究應用對汽車輕量化具有重要的發展意義，普及和推廣改技術，必將顯著提高我國汽車制造業的工業水平且能有效帶動經濟和社會發展。