由于對高強度鋼和鋁材應用的持續提升，汽車(chē)部件的輕量化領(lǐng)域已經(jīng)取得了顯著(zhù)的進(jìn)步。然而，輕質(zhì)零部件的大部分成本是原材料——特別是對于沖壓落料的零件而言更是如此，由于在板件或卷材的切割過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生廢料，從而浪費大量的材料。此外，對于沖壓落料工藝來(lái)說(shuō)，每個(gè)部件都需要一款模具，因此，模具制造、模具更換和模具存儲都是不可避免的。

最大限度地減少浪費以及降低與模具相關(guān)的成本不僅能夠削減部件成本，同時(shí)還減少了材料生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的能源和二氧化碳——這對于使用大量材料的汽車(chē)行業(yè)而言是面臨的一個(gè)不小挑戰。鑒于此，本田(Honda)的解決方案是開(kāi)發(fā)了一款用于批量生產(chǎn)的無(wú)模(die-less)智能激光落料系統(ILBS)。

智能激光落料系統的目標

用模具進(jìn)行沖壓落料是一種被廣泛用于汽車(chē)行業(yè)大批量生產(chǎn)的工藝。與其高生產(chǎn)率相反的是，使用模具的缺點(diǎn)是帶來(lái)的昂貴制造成本和對長(cháng)期存儲空間的需求。此外，由于最小曲率引發(fā)的刀刃設計的限制，落料部件的材料回收率不是最佳的。

通過(guò)在汽車(chē)鈑金生產(chǎn)中應用激光落料技術(shù)，便不再需要用到模具，并且可以避免沖壓硬化，從而帶來(lái)更高的設計自由度、更低的成本和更高的可成形性，這些都是激光落料超越常規沖壓落料工藝的優(yōu)點(diǎn)。然而，激光落料主要用于小批量的原型設計，因為與沖壓落料相比，其工藝速度極其緩慢。

圖2. 高速激光切割頭的重量比傳統激光頭減少三分之一，但光學(xué)性能保持不變。

　因而，提高激光落料的加工速度對于最大化其優(yōu)于沖壓落料的優(yōu)勢至關(guān)重要。本田利用ILBS進(jìn)行批量生產(chǎn)，主要開(kāi)發(fā)出三種關(guān)鍵技術(shù)：高速激光切割、高加速的H型龍門(mén)架系統，以及連續進(jìn)料的輸送系統(圖1)。

　　高速激光切割

　　激光切割涉及通過(guò)施加熱能來(lái)熔化金屬板材，并通過(guò)施加氣體來(lái)除去熔融金屬。因此，通過(guò)增加熱能密度和優(yōu)化輔助氣體條件來(lái)提高切割速度是非常重要的舉措。本田使用了光斑直徑為50μm的5kW光纖激光器來(lái)提高熱能密度。對于輔助氣體，主要使用氮氣來(lái)代替壓縮空氣，以避免在切割表面產(chǎn)生氧化現象，從而能獲得更好的質(zhì)量。

　　首先，本田展示了使用具有優(yōu)化的輔助氣體條件和間隙(噴嘴頭到工件距離)的大功率激光器，可以實(shí)現120m/min(板件厚度：0.6mm)的切割速度。間隙是激光切割的一個(gè)重要參數，因為這將對激光焦點(diǎn)和輔助氣體流速產(chǎn)生直接的影響。當我們說(shuō)“可能切割”時(shí)，這意味著(zhù)該間隙在批量生產(chǎn)過(guò)程中有足夠的公差來(lái)抵抗干擾。

　　在實(shí)際切割中，由于激光頭振動(dòng)和鈑金波紋引起的間隙變化會(huì )導致激光焦點(diǎn)的散焦，由此產(chǎn)生切割問(wèn)題。與使用相同光學(xué)性能的傳統激光頭相比，本田使用了一款重量比傳統激光頭減少三分之一，但光學(xué)性能相同的輕型激光加工頭，從而降低了機架上的慣性力，以避免加速過(guò)程中的機器振動(dòng)(圖2)。

圖2. 高速激光切割頭的重量比傳統激光頭減少三分之一，但光學(xué)性能保持不變。

鈑金波紋是間隙的重要因素。如同傳統的系統一樣，激光頭尖端的電容式位移傳感器不斷地測量鈑金件之間的距離，然后將其反饋到激光頭的z軸電機以穩定其間隙。本田改進(jìn)了測量頻率和處理速度，以契合ILBS的切割速度，這比傳統系統要快得多。

　　通過(guò)提高熱能密度，穩定間隙和優(yōu)化輔助氣體條件，本田在大規模生產(chǎn)環(huán)境中實(shí)現了比常規激光切割系統快出3倍的切割速度。

　　高加速H型龍門(mén)架系統

　　激光頭需要在2D平面中自由移動(dòng)以切割出方形、弓形和復雜形狀的坯料。隨著(zhù)激光頭的軌線(xiàn)確定了尺寸精度，位置的重復性以及運動(dòng)的精度變得愈發(fā)重要。

　　當切割復雜的形狀時(shí)，加工時(shí)間顯著(zhù)增加，因為激光頭需要沿著(zhù)各種曲線(xiàn)移動(dòng)，其中包括加速度。因此，激光頭需要高加速、高精度的驅動(dòng)系統。

　　通常，對于工業(yè)機器人來(lái)說(shuō)，由于加速度不夠高，因此得到保證的是位置的重復性，而不是其軌線(xiàn)。當使用線(xiàn)性電機驅動(dòng)系統來(lái)提高每個(gè)軸的精度和加速度時(shí)，需要巨大的驅動(dòng)力，從而導致連續運行時(shí)電機的高功耗和過(guò)熱。根據運動(dòng)定律，a=F/M(其中a=加速度，F=力和M=質(zhì)量)，減輕重量是改善加速度的最佳方式。

　　H型龍門(mén)架由四臺固定式伺服電機和傳動(dòng)皮帶組成。通過(guò)控制左右伺服電機的旋轉，傳動(dòng)皮帶使激光頭沿著(zhù)x軸和y軸方向移動(dòng)。這是一個(gè)獨特的驅動(dòng)系統，在驅動(dòng)部件上沒(méi)有作動(dòng)器，從而實(shí)現了輕量化的設計。

　　此外，通過(guò)使用輕質(zhì)，高剛性的碳纖維增強塑料(CFRP)來(lái)減輕框架的重量和變形，與傳統鋼架3G的加速度相比，本田實(shí)現了10G的加速度。同時(shí)，通過(guò)使用帶碳纖維芯的聚氨酯傳動(dòng)帶，由此獲得的延伸率幫助減少了50%的精度問(wèn)題。

　　通過(guò)優(yōu)化影響H型龍門(mén)架剛度的關(guān)鍵要素，本田實(shí)現了高加速度，并且提高了軌跡精度。

　　連續進(jìn)料的輸送系統

　　在常規的沖壓落料工藝中，將材料送入壓機中并且以一定的長(cháng)度中止進(jìn)料，而板件獲得落料，重復該步驟直到全部的卷材被壓平和排出。這意味著(zhù)在進(jìn)料過(guò)程中，模具不起作用。借助智能激光落料系統，本田通過(guò)連續進(jìn)料輸送系統來(lái)提高生產(chǎn)線(xiàn)的效率，從而消除了這一停機時(shí)間。

　　為了建立連續的激光切割過(guò)程，確保激光頭下方的空間并穩定進(jìn)料是關(guān)鍵問(wèn)題。一般來(lái)說(shuō)，激光切割下方位置的鋸齒支架能夠在切割過(guò)程中保持板件的平整。鋸齒支架的問(wèn)題是鋸齒本身同時(shí)被切割，因而在高速切割期間會(huì )由于熔融金屬排出造成的堵塞而發(fā)生切割失效。

　　因此，本田開(kāi)發(fā)了可以保護激光頭下方空間的傳送系統。一個(gè)飛濺箱被放置在激光頭下面，與激光頭的y軸運動(dòng)保持同步，從而使其可以自始至終安全地收集飛濺物。這種使用了CFRP的獨特傳送系統旨在減輕重量并增加與高加速H型龍門(mén)架系統保持同步的剛度。

　　基于這種同步系統，本田可以在2×2m的工藝區內切割長(cháng)度大于3m的側面板(SPO)等大型零件，以及后內板等小型部件。

　　飛濺物收集器和自動(dòng)清洗系統

　　ILBS在一天內能夠切割10-20噸的卷材，從而使每天要收集數十公斤的飛濺物受到關(guān)注。在傳統的激光切割工藝中，煙霧收集器僅用于收集微小的飛濺物。相較之下，ILBS使用飛濺箱來(lái)收集和防止飛濺物飛散，飛濺箱與一款設計用于收集不同尺寸的飛濺物的煙霧收集器進(jìn)行連接。

　　本田通過(guò)減少過(guò)濾器的堵塞來(lái)提高飛濺物的收集效率并保持吸力，這通常需要定期維護。他們還通過(guò)使用自動(dòng)清潔系統來(lái)最大限度地減少對生產(chǎn)率的影響，自動(dòng)清潔系統在卷材更換期間對過(guò)濾器進(jìn)行清潔處理。

　　ILBS的實(shí)施結果

　　自2015年10月以來(lái)，本田已經(jīng)使用ILBS(這是汽車(chē)行業(yè)首款無(wú)模落料線(xiàn))(圖3)，對例如SPO和覆蓋件等在內的許多部件進(jìn)行了落料加工。當前模型的模具依然存在，因為在實(shí)施智能激光落料系統之前已經(jīng)開(kāi)始生產(chǎn)，但是從現在開(kāi)始的模型無(wú)須再使用模具，因此不需要存儲空間或周轉設備。之前型號的模具必須在零件生產(chǎn)結束后存儲10年——然而使用了ILBS，所需的數據幾乎可以永久保存。

圖3 顯示了使用無(wú)模的落料生產(chǎn)線(xiàn)揀選廢料。

　　通常，坯料被設計成具有一定的余量，以應對沖壓成形過(guò)程中落料設置可能發(fā)生的校準不當的問(wèn)題。此外，通過(guò)重寫(xiě)程序，可以即刻借助落料設計的優(yōu)化來(lái)解決諸如裂紋等沖壓成形問(wèn)題。 其他優(yōu)點(diǎn)，如沖壓成形性的提高和沖壓負荷的降低，推動(dòng)將高強度鋼的沖壓落料工藝替換為智能激光落料系統的進(jìn)程。

　　結語(yǔ)

　　通過(guò)開(kāi)發(fā)ILBS，本田徹底革新了汽車(chē)行業(yè)的制造過(guò)程(圖4)。并且，公司希望與用戶(hù)攜手合作，不斷改進(jìn)ILBS，以幫助消除全球各國落料線(xiàn)上的模具使用。