豐田相繼向工廠導入了多項革新性制造技術。該公司以2008年發生的雷曼危機為契機,以降低成本和提高質量為目標,快速開發了多項制造技術。 為了縮短車身焊接工序的周期而開發的技術是“激光螺旋焊接”(LSW:LaserScrewWelding)(圖1)。豐田為田原工廠、堤工廠、元町工廠、豐田九州工廠導入了該技術,并從“雷克薩斯IS”開始推廣。
圖1 激光焊接技術“激光螺旋焊接” 焊接速度高達每焊點0.3~1.0秒,可縮短工序周期。提高了焊接質量以投入實用。 目前,車身焊接的主流技術是點焊。方法是用電極夾著鋼板,然后通入電流,利用此時產生的熱量(電阻熱)來熔化并接合鋼板。這種工藝存在的課題是所需時間長,焊接速度為每個焊點2.0~2.5秒。為了縮短焊接時間和工序周期,豐田采用了激光焊接法。 激光焊接法的焊接速度高達每個焊點0.3~1.0秒,比點焊快兩倍以上。這是因為從一個焊點到下一個焊點的移動速度很快。激光焊接是利用透鏡聚光產生的熱量來熔融并焊接鋼板的方法。通過控制透鏡,可使激光快速移動至焊點,因此能夠實現高速焊接。 普通的激光焊接存在質量不穩定的問題,比如鋼板的焊縫容易燒穿或者出現孔洞,但豐田克服了這一難題。不過,該公司并未公開技術詳情。 新的激光焊接機與點焊機一樣,安裝在工業用機器臂的頂端來使用。不過,由于每臺機器人的焊接打點數更多,因此需要的機器人數量更少。最終,成功利用激光螺旋焊接縮短了焊接工序的周期。 鋼材和鋁合金均采用激光焊 為了讓新開發的激光焊接技術不僅能用于鋼材,還能用于鋁合金,豐田正在努力推進開發。如果兩種材料能夠使用相同的焊接機,就能節省一條焊接生產線。而且,由于能夠高速焊接,因此還能構建前所未有的小型焊接生產線。由此便有望使設備投資額降至1/2以下。目前,豐田使用點焊方式來焊接鋼材,使用摩擦攪拌焊接方式來焊接鋁合金。由于工藝不同,因此必須設置不同的焊接設備。 不過,激光焊接也存在課題,那就是鋁合金容易斷裂。在焊接之后進行冷卻凝固時,鋁合金的收縮幅度大于鋼材,因此無法在與鋼材相同的焊接條件下,使用激光焊接方式來焊接鋁合金。豐田通過改進溫度控制,抑制了鋁合金斷裂。據介紹,目前這項技術已有眉目,應用于車身的時間已經不遠了。 CFRP面板的成型 面向碳纖維增強樹脂基復合材料制成的前發動機罩及車頂等,豐田開發了可縮短周期時間的成型法。在射出樹脂時,通過在模具稍微打開而不是完全閉合的狀態下射出,以縮短加工時間。“雷克薩斯RCF CarbonPackage”采用新成型法之后,每塊前發動機罩的周期時間縮短到了10分鐘左右(圖2)。而2010年上市的“雷克薩斯LFA”的前發動機罩的周期時間則長達1小時左右。另外,采用新成型法后,可將沖壓機由合模力為3000tf(約29.4MN)的機型改為1000tf(約9.8MN)的小型產品,因此還可降低設備投資額。
圖2 “雷克薩斯RCF Carbon Package” 前發動機罩和車頂以CFRP成型。每塊前發動機罩的周期時間為10分鐘左右,遠遠低于以前的約1小時。 外側使用樹脂傳遞成型技術(RTM,ResinTransferMolding)。具體方法是,先切割碳纖維基材,將其放入加熱至90~150℃的模具中,在模具溫度為150℃的狀態下直接注入樹脂,然后讓樹脂凝固,等其凝固之后再將模具溫度由150℃降至20℃,進行脫模冷卻。 內側則使用片材沖壓成型技術。將長度不同的碳纖維(長纖維)和樹脂片材放入模具,將模具溫度提高至150℃,一邊讓樹脂融化一邊進行沖壓,使熔融樹脂流遍模具的所有區域。然后,待樹脂凝固后,將溫度由150℃降至20℃,進行脫模冷卻。內側的部件數量也由7個減少到了4個。 電加熱火印的單件生產 豐田的電加熱火印(Hot Stamp)技術利用可兼顧鋼板成型性和高強度的火印方式,實現了逐個制造部件的“單件生產”(圖3)。先對鋼板加熱,使其變軟之后再進行沖壓成型,然后利用與模具接觸所產生的冷卻效果并淬火,由此加工部件。由此可制造出尺寸精度出色的輕量化部件。
圖3 采用電加熱火印技術對鋼板加熱 利用鋼板通入電流后產生的焦耳熱,逐一為鋼板加熱。使加熱變軟的鋼板成型后,在模具內冷卻并進行淬火,以提高拉伸強度。 這項技術的特點是使用電加熱器來加熱鋼板。利用鋼板通入直流電后產生的焦耳熱,逐一加熱鋼板。這樣可將加熱時間縮短到了10~20秒(不到原來的1/20),從而實現了小型生產線。具體來說,用電加熱器將拉伸強度為590MPa的鋼板加熱至約900℃,并進行沖壓成型,然后在模具內冷卻,使強度提高至1470MPa。設備長度為2m,只有原來的火印設備的1/10。該技術可使設備投資額減少30%。 以前的火印技術使用氣爐來加熱鋼板,每次處理5~20塊鋼板。加熱爐長度為20m,加熱時間長達4~6分鐘。 小型涂裝生產線 小型涂裝生產線是使噴涂寬度(噴束圖形)可變而實現的。正如區分使用粗筆和細筆來涂色的“線條畫”一樣,首先用較細的噴束圖形細密地涂裝邊緣部分,然后以較粗的噴束圖形高效涂覆中間部分。該技術可將涂裝機器人的數量由原來的四臺減少到兩臺。以前的涂裝生產線使用的都是不能調整寬度的噴束圖形,涂裝較小的位置時,會導致很多涂料無法附著到工件上。 為了使新涂裝生產線更小,豐田還開發出了一種小型裝置,使用旋流的離心力來回收未附著到工件上的涂料。這項技術使工序周期比原來縮短了20%,設備體積縮小了40%。設備投資額也減少了40%。該公司計劃從2015年夏季開始在生產“普銳斯”的堤工廠使用新的涂裝生產線。 逐一生產儀表板蒙皮 使儀表板實現單件生產的是SimpleSlim搪塑成型機。儀表板蒙皮采用粉末搪塑成型技術來制造。該技術是在加熱后的模具中放入粉末狀樹脂,在熱的作用下使薄薄的一層樹脂凝固。這樣冷卻之后,就能獲得蒙皮狀成型品(儀表板蒙皮)。 以前的粉末搪塑成型機使用正面設有加熱區、左邊設有成型區、右邊設有冷卻區的大型設備,將很多儀表板蒙皮集中在一起進行一次生產。而新的粉末搪塑成型機在一個地方進行加熱、成型和冷卻,并對儀表板蒙皮逐一成型。 具體方法是,在對模具加熱的同時,使其與原料罐一同旋轉來成型。加熱時使用紅外線加熱器,并在必要時只加熱相關位置。這樣可使成型溫度比原來降低20℃。冷卻采用進一步旋轉模具并從后方噴水的方法,實現了均勻的高速冷卻。 新的粉末搪塑成型機的安裝面積為5m×9m,與原來的10m×12m相比縮小了62%。設備投資額減少了30%,儀表板蒙皮的成本降低了21%。 由于能夠逐一更換模具,因此還能混流生產。先由機器人取出模具,然后由作業人員將成型好的儀表板蒙皮從模具中剝離出來。機器人則利用這一時間,將其他模具放入設備。這種包含裝夾時間在內的周期時間為240秒。豐田計劃2015年夏季為高岡工廠導入這種新型成型機。 |
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