鋼鋁混合開卷落料線探討與應(yīng)用

李 娜，張 凱，徐濟(jì)聲，馬 冰，章海濱（濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所有限公司，山東 濟(jì)南 250306）

鋼鋁混合開卷落料線探討與應(yīng)用

李 娜，張 凱，徐濟(jì)聲，馬 冰，章海濱
（濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所有限公司，山東 濟(jì)南 250306）

簡(jiǎn)單分析了近年來鋁合金材料在汽車工業(yè)中的應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)以及應(yīng)用中遇到的部分問題，列舉鋁合金板材加工設(shè)備與常規(guī)碳鋼板加工設(shè)備的區(qū)別，介紹了一種適用多種原材料的鋼鋁混合開卷落料線。

汽車輕量化；鋁合金；覆蓋件；鋼鋁混合開卷落料線

在汽車工業(yè)高速發(fā)展的今天，環(huán)保的壓力也日益增大。大力發(fā)展新能源環(huán)保汽車和推進(jìn)汽車輕量化設(shè)計(jì)作為破解之策被寄予厚望。

汽車輕量化用材料可分為高強(qiáng)鋼、鋁合金、鎂合金、碳釬維復(fù)合材料等，其中鋁合金作為一種理想的輕金屬材料在汽車上的應(yīng)用越來越廣泛。近20年來，鋁及鋁合金的使用多集中在車身構(gòu)件、發(fā)動(dòng)機(jī)、空調(diào)器、保險(xiǎn)杠、車輪、裝飾件、車座等方面。2011年，日本轎車用鋁及鋁合金中，鑄造鋁合金占82%、加工材及鍛件占18%；美國(guó)轎車分別為70%、30%；德國(guó)轎車分別為78%、22%左右。而在加工材及鍛件用量中，擠壓材約占30%、板及箔約占68.5%、鍛件僅占1.5%左右。

2012年以來，發(fā)達(dá)國(guó)家出于行人保護(hù)等需求，車身覆蓋件大量采用鋁合金板材。以北美地區(qū)引擎蓋鋁化率為例，2012年引擎蓋鋁化率達(dá)30%，2015年接近50%，2020預(yù)計(jì)接近75%，2025預(yù)計(jì)達(dá)到85%。北美2020年車門和行李箱蓋/尾門、頂棚的鋁化率將達(dá)25%，翼子板鋁化率接近20%；2025年車門鋁化率將達(dá)50%、行李箱蓋/尾門與頂棚鋁化率將超過30%，翼子板鋁化率接近30%。以?shī)W迪、捷豹、F-150卡車、TESLA-S新能源汽車為代表的車身全鋁化正在推動(dòng)鋁合金板材在結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用。

2014年全球汽車用鋁量顯示，北美是總用量最多和單車用量最大的地區(qū)，為150kg/輛；歐洲第二，單車用鋁量145kg；日本第三，單車用鋁量140kg；中國(guó)雖是全球最大的汽車生產(chǎn)國(guó)，卻是單車用鋁最少的，僅110kg/輛。

預(yù)計(jì)到2020年，覆蓋件用鋁合金板材將大規(guī)模采用，2025年18%的乘用車將采用全鋁結(jié)構(gòu)，使北美每臺(tái)汽車鋁合金使用量超過250kg。北美乘用車鋁板2012年的市場(chǎng)規(guī)模只有10萬(wàn)t，預(yù)測(cè)2020年將超過120萬(wàn)t，2025年將超過200萬(wàn)t。歐洲乘用車鋁板2012年的市場(chǎng)為20萬(wàn)t，2020年將超過100萬(wàn)t，2025年將超過150萬(wàn)t。以上數(shù)據(jù)表明，發(fā)達(dá)國(guó)家鋁合金板材應(yīng)用已有相當(dāng)?shù)募夹g(shù)基礎(chǔ)及市場(chǎng)規(guī)模，未來還將呈現(xiàn)大規(guī)模增長(zhǎng)的趨勢(shì)。

國(guó)內(nèi)一些合資汽車公司如上海通用別克君威、君越、GL8商務(wù)車的引擎蓋，一汽大眾奧迪汽車引擎蓋、車門、行李箱后蓋2012年已開始使用鋁合金板材。預(yù)測(cè)國(guó)內(nèi)覆蓋件用高檔乘用車車身鋁合金板材在2016年超過6萬(wàn)t，2020年有望超過30萬(wàn)t。

除此之外，結(jié)構(gòu)件及公交車、油罐車、貨運(yùn)掛車等商用汽車更加需要采用鋁合金實(shí)現(xiàn)輕量化，預(yù)測(cè)所需鋁合金板材在2020年會(huì)超過70萬(wàn)t。因此，2020年中國(guó)國(guó)內(nèi)汽車用鋁合金板材的市場(chǎng)需求在100萬(wàn)t以上。

1 鋁合金材料應(yīng)用中的問題

盡管市場(chǎng)前景廣闊，但中國(guó)汽車用鋁材面臨著成本高、技術(shù)不完善、廠商和大眾在消費(fèi)上存在偏見等嚴(yán)峻現(xiàn)實(shí)。

國(guó)內(nèi)汽車廠家在鋁合金的成形、連接、涂裝等應(yīng)用技術(shù)方面的研究剛剛起步，為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用還需要解決一系列技術(shù)問題。

（1）成形技術(shù)。鋁合金與鋼板相比，延伸率及應(yīng)變比低、拉延及深沖成形性較差，彈性模量低、成形后的彈性回復(fù)量偏大，因此需要從部件的形狀設(shè)計(jì)、潤(rùn)滑油的選擇、合理的成形條件著手實(shí)現(xiàn)鋁合金零部件的成形；還可以通過液壓成形、高溫快速充氣的熱成形進(jìn)行復(fù)雜形狀零部件的制備。

（2）連接技術(shù)。鋁合金的連接性能與鋼板相比，電阻低、熱傳導(dǎo)容易，加上表面致密的氧化物的存在，熔融焊接性能較差，特別是汽車鋼板連接常用的點(diǎn)焊技術(shù)用在焊接鋁板時(shí)性能不盡如意。盡管通用汽車公司找到一些解決辦法，但大多數(shù)汽車公司已經(jīng)把傳統(tǒng)的點(diǎn)焊改為鉚接。日本豐田汽車公司開發(fā)了點(diǎn)摩擦攪拌焊接替代傳統(tǒng)的點(diǎn)焊。

（3）表面處理技術(shù)。汽車鋁合金板材與鍍鋅汽車鋼板相比，在現(xiàn)有磷化處理液體中形成的磷酸鋅鹽結(jié)晶體粗大、致密度較低，不能滿足涂裝性能要求。因此需要對(duì)現(xiàn)有磷化處理液體進(jìn)行改進(jìn)，同時(shí)需要開發(fā)鋁鋼部件混合磷化、電泳處理技術(shù)。

2 加工設(shè)備的區(qū)別

處理碳鋼板車身材料常用的板材加工設(shè)備，也不能直接應(yīng)用于鋁合金材料。下面以開卷落料線為例簡(jiǎn)要說明。

如圖1所示，常規(guī)的開卷落料線主要由開卷機(jī)、清洗機(jī)、矯平機(jī)、伺服送料裝置、壓力機(jī)及碼垛部分組成，其簡(jiǎn)要工藝流程為：備料臺(tái)→上料小車→開卷機(jī)→引料機(jī)→切頭剪→清洗機(jī)→矯平機(jī)→活套橋→立導(dǎo)輥→伺服夾送→檢測(cè)輪→壓力機(jī)→碼垛部分→廢料筐。

而鋁板落料線與常規(guī)鋼板落料線的差異主要體現(xiàn)在：

圖1 常規(guī)開卷落料線工藝流程圖

（1）易產(chǎn)生過渡劃傷。鋁板與冷軋鋼板相比，屈服強(qiáng)度較低、表面更脆弱，不耐劃傷，鋁板線必須避免鋁板與金屬托板直接接觸，過渡則必須采用掛膠輥/輪等。

（2）矯平機(jī)間隙調(diào)整特點(diǎn)。鋁板與鋼板開卷線矯平機(jī)結(jié)構(gòu)相同，但板材彎曲彈復(fù)量差異較大，矯平機(jī)間隙調(diào)整需逐步調(diào)整，摸索經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。另外，國(guó)內(nèi)鋁材軋制技術(shù)相對(duì)落后，因此材料內(nèi)應(yīng)力消除不均勻，開卷時(shí)矯平機(jī)輥?zhàn)拥膿隙缺仨氉龅綄?shí)時(shí)在線調(diào)整，以得到更好的板型。

（3）易產(chǎn)生伺服送料壓痕。由于鋁板表面硬度低，易造成板面壓痕?？煽紤]使用較軟的材質(zhì)作為伺服送料輥或減少輥?zhàn)拥南聣毫Α?/p>

（4）電磁碼垛機(jī)無(wú)法使用。電磁碼垛機(jī)作為開卷落料線碼垛部分的核心部件，位于整個(gè)落料線的末端。通過電磁鐵產(chǎn)生磁力并透過同步帶作用于需要輸送的鋼板上，使鋼板吸附在皮帶下表面并跟隨皮帶一起運(yùn)動(dòng)并在合適位置碼垛。此方式的優(yōu)點(diǎn)有效率高，柔性強(qiáng)，能夠碼垛兩種不同形狀的異型鋼板，并且對(duì)板料無(wú)劃傷，是高檔開卷落料線的發(fā)展趨勢(shì)。近年來，在汽車制造業(yè)、鋼材加工配送企業(yè)等都有廣泛應(yīng)用。

但鋁合金板材具有磁的不可吸附性。落料線生產(chǎn)的板材特點(diǎn)是異形和鏤空。當(dāng)前碳鋼主流板材市場(chǎng)使用的堆垛機(jī)為氣浮堆垛機(jī)和磁性堆垛。但是異形和鏤空板氣浮堆垛機(jī)無(wú)法正常堆垛使用；鋁板因磁的不可吸附性使磁性堆垛機(jī)也無(wú)法正常使用。對(duì)此必須尋求新的堆垛形式，才能滿足需求量迅速增加的鋁合金板材的沖壓落料需求。

3 一種鋼鋁混合開卷落料線

隨著鋁合金板材在汽車覆蓋件和結(jié)構(gòu)件方面的應(yīng)用日益增多，能夠同時(shí)處理碳鋼板和鋁合金材料的混合開卷落料線應(yīng)運(yùn)而生。下面簡(jiǎn)要介紹這種鋼鋁混合開卷落料線的基本結(jié)構(gòu)。

如圖2所示，該鋼鋁復(fù)合開卷落料線與普通落料線最顯著的區(qū)別在于碼垛部分。能夠?qū)⒄婵肇?fù)壓系統(tǒng)和電磁皮帶結(jié)合在一起，在盡量減少對(duì)常規(guī)碼垛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改變的同時(shí)，很好地解決了鋁板和鋼板在生產(chǎn)線上的輸送問題，因此可兼顧兩種板材進(jìn)行高速高精度碼垛，不失為一種巧妙實(shí)用的方案設(shè)計(jì)。

圖2 鋼鋁混合開卷落料線結(jié)構(gòu)

4 結(jié)語(yǔ)

從高速、舒適、美觀、耐用、輕量化、節(jié)能環(huán)保、降低綜合成本等方面看，鋁合金無(wú)疑是汽車工業(yè)現(xiàn)代化和輕量化的首選材料，因此世界各國(guó)都在致力于汽車用鋁合金的研究。

隨著國(guó)內(nèi)汽車行業(yè)的高速發(fā)展以及鋁合金板材在汽車車身用量的逐漸增多，相應(yīng)板材處理設(shè)備的需求量也大幅增長(zhǎng)。但是能夠同時(shí)兼顧碳鋼板及鋁合金板材的加工設(shè)備卻呈現(xiàn)出數(shù)量明顯不足的態(tài)勢(shì)，如本文舉例的鋼鋁混合開卷落料線國(guó)內(nèi)不足10條，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足市場(chǎng)需要。

研制高性能的汽車用鋁合金和鋁合金板材加工設(shè)備，對(duì)提高我國(guó)汽車工業(yè)和裝備制造業(yè)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力具有舉足輕重的作用，同時(shí)也將產(chǎn)生重大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

[1] 趙丕植.國(guó)內(nèi)汽車鋁板應(yīng)用的趨勢(shì)與挑戰(zhàn)[J].中國(guó)汽車材料網(wǎng)，2016，（9）.

[2]王祝堂，張新華.汽車用鋁合金[J].輕合金加工技術(shù)，2011，39（2）.

[3] 王孟君，黃電源，姜海濤.汽車用鋁合金的研究進(jìn)展[J].金屬熱處理，2006，31（9）.

[4] 王 平，崔禮春，馬國(guó)禮.先進(jìn)開卷落料線的工藝規(guī)劃設(shè)計(jì)[J].鍛壓技術(shù)，2013，38（4）.

[5] 管 俊，蔣國(guó)美，吉素云.薄板橫切開卷線中矯直機(jī)結(jié)構(gòu)探討[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，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，助理工程師。E-mail：zk990218@163.com