冲压开卷线堆垛工艺的分析与优化

文/王昌·一汽-大众汽车有限公司佛山分公司

好的汽车从冲压开始，而冲压的首个工艺是开卷落料，其工艺过程是将钢卷经过展开、清洗、校直、切割和堆垛等加工成钢板料垛，在生产过程中有钢板变形、划伤、坑包和脏污等质量问题，其中钢板的变形问题较为突出，针对此类问题，本文对堆垛工艺进行分析，提出了技术和管理两方面的改进方法，经过实际验证，有效地消除了钢板拍打变形的问题。

近年来，国内汽车产业高速发展，车型的推出周期不断缩短，生产节拍不断加快，对整车制造企业形成了巨大的技术压力，特别是开卷落料线，它是汽车生产的第一步工艺，生产出来的板料质量决定了后续生产是否能有序进行。在此背景下，提高落料线的制件质量是提高竞争力的最关键因素。

一汽-大众开卷落料线引进的是德国舒勒自动化的技术，于2013 年建成投产，适用于钢卷和铝卷的开平校直，能生产矩形、梯形、平行四边形和带形状的板料，并进行自动堆垛。生产的制件尺寸覆盖范围非常广：厚度范围是0.5 ～2.5mm，长度范围为300 ～4100mm，宽度600 ～2100mm，制件堆垛最高500mm，单料垛最大23t，目前主流家庭用汽车的成形板件的生产都能满足。

问题的产生

本课题来源于Schuler 开卷落料线的堆垛区域。Schuler 落料线有4 个相同的堆垛工位，实现无缝切换的连续堆垛生产。每个堆垛工位有伺服控制的8 个挡块单元，每两个单元位于同一边，8 个单元实现四边的定位，每个单元都有水平面X、Y 两个方向的定位。其中4 个挡块用于基准的定位，另外四个带有气缸拍打功能，在堆垛过程中促使制件堆垛整齐。挡块的使用数量根据实际工况选择，但前提是要保证制件的堆垛要整齐，既要钢板堆垛整齐没有错层，还要保证没有钢板变形等质量问题。生产过程中，根据板料的尺寸大小和形状，选择单料垛模式或者双料垛模式，如图1 所示。

图1 单工位堆垛和多工位堆垛方式

在堆垛过程中，钢板通过电磁力吸附在传输皮带下方，到达预先设定好的位置后，电磁铁断开磁性，钢板受重力落下，落下过程分为平抛运动和垂直落体运动(根据生产工艺要求可实现这两种落下动作)，钢板由于面积较大，飘落过程无序，所以存在参差不齐的现象，堆垛存在错层现象，为此设备设计气缸对钢板侧面进行拍打，目的使板料堆垛整齐。根据生产速度设定动作频率，一般是每1 ～3 张板料拍打一次，如图2 所示。

图2 根据生产速度设定动作频率

拍打器(图3)拍打能够避免板料堆垛错层，由于拍打位置是钢板的侧面，钢板的厚度较薄(1mm 左右)拍打会造成钢板侧面变形，钢板的变形长期会影响冲压拉延模具的表面光洁度，影响冲压成形工艺，从而影响冲压零件的产品质量。如何优化拍打导致的钢板变形，是本次课题的目的。

图3 拍打器位置及动作示意

原因分析

经过对拍打气缸控制压力、板料的厚度、拍打气缸的动作行程等可能造成板料变形的因素进行测试，发现以下三个因素会造成板料边缘变形：

⑴拍打的气缸控制气压大小。设备低压空气的供给压力范围是0 ～7.5bar，我们以0.2bar 为跨度标尺进行测试，当气压低于1.8bar 时，拍打器气缸推力过小，拍打气缸无动作，当大于5.2bar 时，气缸推力过大，厚度小于1.2mm 板料边缘都会产生变形，Schuler图纸要求的拍打器压力值2～5bar，目前实际生产使用的是5bar。

⑵板料的厚度。一汽-大众某分厂冲压车间现场生产的板料厚度范围比较广，最薄的板料达0.55mm，最厚的板料达2mm，针对所有厚度的板料进行测试，发现厚度小于0.9mm 的板料，使用4.6bar以上的压力都会产生变形。

⑶拍打气缸的动作行程。拍打气缸的行程主要是由挡块与钢板边缘的距离决定，挡块如果紧贴板料，气缸受压力曲线限制，拍打瞬间的压力不足；挡块距离板料较远，在气缸的全行程末端，由于受到阻尼环的影响，也会造成拍打力不足，拍打力不足会导致板料的倾斜错层，同时由于错层，拍打单张板料也会造成钢板变形。图4 为拍打不到位，板料边缘参差不齐。图5 为距离过小，板料变形甚至倾斜。

图4 板料边缘参差不齐

图5 板料变形甚至倾斜

综上所述：⑴拍打器行程大小的设置不合理导致变形；⑵薄板料使用较小的拍打力也容易变形；⑶使用较高的拍打气压也导致变形，其中的核心是拍打气缸，找出应对不同板料的气缸最佳的控制压力和有效行程，是解决制件板料边缘变形的根本途径。

研究气缸性能参数发现，现场使用的气缸最大行程为100mm，随着行程的增加，负载力会随行程的增加而下降。生产现场很多产品参数里的挡块行程很多小于20mm 或者大于80mm，这都不是挡块动作的最佳负载行程。要想解决现场板料变形问题，需要大量的现场测试，在气缸的100mm 行程里面找出最优段的负载力、行程和最佳行程范围的控制气压压力。

措施实施

针对板料厚度和挡块行程设定问题，行程的设定要满足板料能落到挡块之间，而且拍打要整齐，采用分区间测试的方法，现场生产的板料厚度最小的0.5mm，最大的达到2mm，采用0.25mm 的间距进行测试。针对气缸的控制压力和板料厚度，根据现场的低压空气压力，在2 ～5bar 之间以0.5bar 为区间进行测试。

经过测试，得到不同厚度制件的挡块最佳行程：0.5 ～2mm 板料的最佳行程应该设置在20 ～40mm之间，见表1；不同厚度的制件对应的气缸控制压力选择：0.5 ～2mm 板料的最佳控制气压应该在2.5 ～4bar 之间，见表2，同时改造原有设备的气路，增加比例阀组，增加控制程序，将固定的拍打气压优化成根据不同零件自动调节自适应的拍打气压。

表1 0.5 ～2mm 板料的最佳行程

表2 0.5 ～2mm 板料的最佳控制气压

结束语

根据板料的厚度、挡块的行程和拍打器控制压力的测试，形成数据设定表，见表3。通过对开卷落料线出现钢板边缘变形问题的分析测试，优化了原厂宽泛的图纸标准，得到了挡块的最佳工作行程和拍打气压，通过增加硬件和优化软件，实现了拍打行程的最优和拍打气压的自适应控制，在同类型生产线有较好的推广意义。通过挡块行程和气缸控制压力设置规范化，消除了落料线堆垛参数设置不合理导致的钢板变形的问题，使产品质量得到了进一步的优化和保证。

表3 挡块行程的参数设定