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激光落料系统使 “无模具” 的批量生产变为现实

来源:荣格

  发布:星之球科技

关键词:激光 激光技术

2017-10-11

 由于对高强度钢和铝材应用的持续提升,汽车部件的轻量化领域已经取得了显著的进步。 然而,轻质零部件的大部分成本是原材料——特别是对于冲压落料的零件而言更是如此,由于在板件或卷材的切割过程中会产生废料,从而浪费大量的材料。 此外,对于冲压落料工艺来说,每个部件都需要一款模具,因此,模具制造、模具更换和模具存储都是不可避免的。
 
最大限度地减少浪费以及降低与模具相关的成本不仅能够削减部件成本,同时还减少了材料生产过程中产生的能源和二氧化碳——这对于使用大量材料的汽车行业而言是面临的一个不小挑战。 鉴于此,本田(Honda)的解决方案是开发了一款用于批量生产的无模( die-less )智能激光落料系统(ILBS)。
 
智能激光落料系统的目标
 
用模具进行冲压落料是一种被广泛用于汽车行业大批量生产的工艺。与其高生产率相反的是,使用模具的缺点是带来的昂贵制造成本和对长期存储空间的需求。此外,由于最小曲率引发的刀刃设计的限制,落料部件的材料回收率不是最佳的。
 
通过在汽车钣金生产中应用激光落料技术,便不再需要用到模具,并且可以避免冲压硬化,从而带来更高的设计自由度、更低的成本和更高的可成形性,这些都是激光落料超越常规冲压落料工艺的优点。然而,激光落料主要用于小批量的原型设计,因为与冲压落料相比,其工艺速度极其缓慢。
 
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图1. 本田工程有限公司在日本Yorii 工厂安装的ILBS生产线。
 
因而,提高激光落料的加工速度对于最大化其优于冲压落料的优势至关重要。本田利用ILBS进行批量生产,主要开发出三种关键技术:高速激光切割、高加速的H型龙门架系统,以及连续进料的输送系统(图1)。
 
高速激光切割
 
激光切割涉及通过施加热能来熔化金属板材,并通过施加气体来除去熔融金属。因此,通过增加热能密度和优化辅助气体条件来提高切割速度是非常重要的举措。本田使用了光斑直径为50μm的5kW光纤激光器来提高热能密度。对于辅助气体,主要使用氮气来代替压缩空气,以避免在切割表面产生氧化现象,从而能获得更好的质量。
 
首先,本田展示了使用具有优化的辅助气体条件和间隙(喷嘴头到工件距离)的大功率激光器,可以实现120m / min(板件厚度:0.6mm)的切割速度。间隙是激光切割的一个重要参数,因为这将对激光焦点和辅助气体流速产生直接的影响。当我们说“可能切割”时,这意味着该间隙在批量生产过程中有足够的公差来抵抗干扰。
 
在实际切割中,由于激光头振动和钣金波纹引起的间隙变化会导致激光焦点的散焦,由此产生切割问题。与使用相同光学性能的传统激光头相比,本田使用了一款重量比传统激光头减少三分之一,但光学性能相同的轻型激光加工头,从而降低了机架上的惯性力,以避免加速过程中的机器振动(图2)。
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图2. 高速激光切割头的重量比传统激光头减少三分之一,但光学性能保持不变。
 
钣金波纹是间隙的重要因素。如同传统的系统一样,激光头尖端的电容式位移传感器不断地测量钣金件之间的距离,然后将其反馈到激光头的z轴电机以稳定其间隙。本田改进了测量频率和处理速度,以契合ILBS的切割速度,这比传统系统要快得多。
 
通过提高热能密度,稳定间隙和优化辅助气体条件,本田在大规模生产环境中实现了比常规激光切割系统快出3倍的切割速度。
 
高加速H型龙门架系统
 
激光头需要在2D平面中自由移动以切割出方形、弓形和复杂形状的坯料。随着激光头的轨线确定了尺寸精度,位置的重复性以及运动的精度变得愈发重要。
 
当切割复杂的形状时,加工时间显著增加,因为激光头需要沿着各种曲线移动,其中包括加速度。因此,激光头需要高加速、高精度的驱动系统。
 
通常,对于工业机器人来说,由于加速度不够高,因此得到保证的是位置的重复性,而不是其轨线。当使用线性电机驱动系统来提高每个轴的精度和加速度时,需要巨大的驱动力,从而导致连续运行时电机的高功耗和过热。根据运动定律,a = F/M(其中a =加速度,F =力和M =质量),减轻重量是改善加速度的最佳方式。
 
H型龙门架由四台固定式伺服电机和传动皮带组成。通过控制左右伺服电机的旋转,传动皮带使激光头沿着x轴和y轴方向移动。这是一个独特的驱动系统,在驱动部件上没有作动器,从而实现了轻量化的设计。
 
此外,通过使用轻质,高刚性的碳纤维增强塑料(CFRP)来减轻框架的重量和变形,与传统钢架3G的加速度相比,本田实现了10G的加速度。同时,通过使用带碳纤维芯的聚氨酯传动带,由此获得的延伸率帮助减少了50%的精度问题。
 
通过优化影响H型龙门架刚度的关键要素,本田实现了高加速度,并且提高了轨迹精度。
 
连续进料的输送系统
 
在常规的冲压落料工艺中,将材料送入压机中并且以一定的长度中止进料,而板件获得落料,重复该步骤直到全部的卷材被压平和排出。这意味着在进料过程中,模具不起作用。借助智能激光落料系统,本田通过连续进料输送系统来提高生产线的效率,从而消除了这一停机时间。
 
为了建立连续的激光切割过程,确保激光头下方的空间并稳定进料是关键问题。 一般来说,激光切割下方位置的锯齿支架能够在切割过程中保持板件的平整。 锯齿支架的问题是锯齿本身同时被切割,因而在高速切割期间会由于熔融金属排出造成的堵塞而发生切割失效。
 
因此,本田开发了可以保护激光头下方空间的传送系统。 一个飞溅箱被放置在激光头下面,与激光头的y轴运动保持同步,从而使其可以自始至终安全地收集飞溅物。 这种使用了CFRP的独特传送系统旨在减轻重量并增加与高加速H型龙门架系统保持同步的刚度。
 
基于这种同步系统,本田可以在2×2m的工艺区内切割长度大于3m的侧面板(SPO)等大型零件,以及后内板等小型部件。
 
飞溅物收集器和自动清洗系统
 
ILBS在一天内能够切割10-20吨的卷材,从而使每天要收集数十公斤的飞溅物受到关注。在传统的激光切割工艺中,烟雾收集器仅用于收集微小的飞溅物。相较之下,ILBS使用飞溅箱来收集和防止飞溅物飞散,飞溅箱与一款设计用于收集不同尺寸的飞溅物的烟雾收集器进行连接。
 
本田通过减少过滤器的堵塞来提高飞溅物的收集效率并保持吸力,这通常需要定期维护。他们还通过使用自动清洁系统来最大限度地减少对生产率的影响,自动清洁系统在卷材更换期间对过滤器进行清洁处理。
 
ILBS的实施结果
 
自2015年10月以来,本田已经使用ILBS(这是汽车行业首款无模落料线)(图3),对例如SPO和覆盖件等在内的许多部件进行了落料加工。当前模型的模具依然存在,因为在实施智能激光落料系统之前已经开始生产,但是从现在开始的模型无须再使用模具,因此不需要存储空间或周转设备。之前型号的模具必须在零件生产结束后存储10年——然而使用了ILBS,所需的数据几乎可以永久保存。
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图3 显示了使用无模的落料生产线拣选废料。
 
通常,坯料被设计成具有一定的余量,以应对冲压成形过程中落料设置可能发生的校准不当的问题。此外,通过重写程序,可以即刻借助落料设计的优化来解决诸如裂纹等冲压成形问题。 其他优点,如冲压成形性的提高和冲压负荷的降低,推动将高强度钢的冲压落料工艺替换为智能激光落料系统的进程。
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图4显示的是使用ILBS的激光落料零件的输送。
 
结语
 
通过开发ILBS,本田彻底革新了汽车行业的制造过程(图4)。 并且,公司希望与用户携手合作,不断改进ILBS,以帮助消除全球各国落料线上的模具使用。