超強鋼熱沖壓成形生產線的應用

文／任曉琪·山東大王金泰集團有限公司

超強鋼熱沖壓成形生產線的應用

文／任曉琪·山東大王金泰集團有限公司

任曉琪，熱沖壓項目經理，高級工程師，多年來一直從事超高強度鋼板熱沖壓成形工藝與關鍵設備開發研究，獲山東省科技進步二等獎2項、東營市科技進步獎3項、發明專利2項、實用新型專利4項。

熱沖壓成形是將鋼板加熱后沖壓成形的同時模內淬火，從而獲得更高的強度、硬度與低延伸率，能夠制造出抗拉強度高達1600～2000MPa的零件。采用熱成形零部件可明顯提高汽車的碰撞安全性，同時通過減小壁厚或截面，減少相關部位零件的數量和尺寸，從而實現汽車白車身輕量化。目前超強鋼熱沖壓技術已廣泛應用于汽車的前保險杠、后保險杠、A柱、B柱、C柱、車頂構架、車底框架、車門內板及車門防撞梁等部位。部分車型超高強鋼熱成形零件的使用量可達到白車身的45%以上。

超強鋼及熱沖壓成形工藝

目前，常用的超高強鋼板有兩類：一種是安賽樂米塔爾公司（ArcelorMittal）生產的帶Al-Si涂層的鋼板，帶涂層板表面隔絕空氣與鋼鐵接觸，在熱沖壓過程中不會產生大量氧化皮，零件表面質量好；另一種是無涂層鋼板，該種材料在生產中會產生氧化現象，后續需要噴丸處理，國內如寶鋼等8家以上鋼廠均有生產。

圖1 熱成形工藝

熱沖壓工藝分為直接熱成形和預成形兩種方式，如圖1所示。直接熱成形工藝是將板料奧氏體化并均熱后，直接放入模具里進行沖壓成形并在模具內淬火，后期進行激光切邊割孔；預成形工藝是將板料在常溫下預先沖壓成形，獲得一定形狀后再進行加熱—定形—淬火，后期激光切割，預成形工藝主要應用于形狀更復雜的熱沖壓件生產。

熱沖壓成形生產線設備

完整的熱沖壓成形生產線主機設備包括高速液壓機、加熱爐、拆垛系統、上下料機械傳動裝置、生產線集成控制系統，輔助設備包括冷水系統、保護氣氛系統，后序設備包括激光切割機、拋丸涂油線，檢驗設備包括機械性能試驗機、金相顯微鏡、硬度計等。工裝包括模具、檢具、卡具、端拾器等。根據工藝要求組合成不同種類的熱沖壓生產線。下面簡要介紹壓機和加熱爐的基本情況。高速液壓機的主要技術指標見1。

表1 高速液壓機的主要技術指標

壓機工作方式分為定程和定壓兩種。壓機操作方式有微動對模、調整、手動、半自動和自動循環五種。⑴微動對模：按壓下行按鈕，滑塊無壓力緩慢微動下行，手松動作停。此動作在對模時使用。在PLC程序中設置此功能，并在移動按鈕站上有相應按鈕。⑵調整（點動）：按壓相應按鈕產生相應動作，手松動作停。此動作無快速，在移動按鈕站上要有相應按鈕。⑶手動：按壓相應的操作按扭完成相應的工藝動作，當按壓停止按鈕或到動作的行程限位時運動停止。在移動按鈕站上要有相應按鈕。⑷半自動（雙手動單次循環）：按壓雙手下行按鈕，壓機連續完成快降→慢降→加壓（到設定壓力或設定位置）→慢速回程→快速回程到停止，完成一個單次循環過程。根據主操作站上主、副控的選擇鈕狀態，可在主操作站或移動按鈕站間取其一進行。⑸全自動：接受上位機的啟停信號，并按控制器設定的程序全自動運行。

加熱爐主要包括輥底式加熱爐和箱式加熱爐兩種，如圖2所示。加熱方式一般采用電加熱、天然氣加熱或氣電混合加熱。目前應用最廣泛的是陶瓷輥底式加熱爐，市場占有率約為90%。箱式爐是近年來為適應試模、

圖2 熱成形加熱爐類型

箱式爐不存在陶瓷輥棒和傳動系統，所以維護保養工作量小，箱式加熱爐生產線的自動化系統相比輥底爐生產線復雜。從這一點我們還可以發現，為什么多層箱式加熱爐生產線占空間少，沒有昂貴的陶瓷輥棒，而生產線的造價與輥底爐生產線相當的原因。輥底式加熱爐出現故障，必須整線生產暫停，排除故障后恢復生產；箱式加熱爐的1個或幾個加熱腔出現故障，則可以通過控制系統屏蔽掉有故障的加熱腔，生產可以繼續，當然此時生產效率會下降。在進行預成形零件或管類零件生產時，輥底式加熱爐需要配置托盤及托盤循環系統。多層箱式加熱爐由于毛坯料在加熱時是固定的，則不需要上述配置。料片位置精度控制方面，輥底式加熱爐采用了料片對中定位裝置，可以對料片進行糾偏定位，準確控制料片位置；多層箱式加熱爐的料片位置是固定在爐腔內的具體位置，保持不動。質量的一致性方面，輥底爐較長的加熱區域使得料片溫度一致性比箱式爐高，同時熱料片從出口輥道上的固定位置搬運到模具中去，每次搬運的路徑和時長都是相同的。也就是說馬氏體組織轉變的起始狀態是一致的，同批沖壓件具有穩定的質量。多層箱式爐每個爐腔的位置不同，所以每個料片的搬運路徑和時長由料片所在的爐腔位置決定。故沖壓件的質量是成周期性變化的。

常見的熱沖壓生產線布置形式主要有3種：適合大批量生產的輥底式加熱爐生產線、單層箱式試驗線、多層箱式小批量生產線。

適合大批量生產的輥底式加熱爐熱沖壓生產線，年產量一般在120萬沖次以上，按照最低一模兩件來計算，年產熱沖壓件在240～500萬件左右，如圖3所示。其中搬運系統一般采用直角坐標雙臂機械手結構，也有采用多關節機器人系統實現料片的搬運。但主流配置采用的是直角坐標雙臂機械手上下料加生產線L型布置方式。

單層箱式爐生產線有兩種方式，如圖4所示。一種采用直角坐標機械手和穿梭車實現料片搬運，另一種采用多關節機器人搬運物料，加熱爐采用單腔箱式爐結構。此種生產線，一般在高校、科研機構等用于對材料、工藝等進行測試，或者在模具制造企業進行模具的試模、以及單件小批量提供沖壓樣件等工作。

多層箱式爐小批量生產線是近年來推出的一種配置形式，如圖5所示。主要特點是占廠房面積小，相比輥底爐生產線大概節約150～200平方米。該生產線可以通過增加加熱爐腔的數量來調節生產節拍，一定范圍內增加產能。但是，由于各方面的缺陷，此配置形式不是上述生產、試驗單位的恰當選擇。

圖3 采用輥底加熱爐的大批量熱沖壓自動生產線

結束語

綜觀近年來熱沖壓成形技術在中國的發展，可謂日新月異、欣欣向榮。但是關于熱成形的材料、工藝、裝備、模具等方面的認識，還停留在學習國外專家學者的優秀理論中。近年來，國內的企業、科研、高校通過自身的努力，在熱成形技術裝備的研究應用上也在突飛猛進。對此，我們熱成形行業的各種力量應該凝聚起來形成合力，推動國產熱沖壓設備和技術的進一步發展。

圖4 單層箱式爐生產線

圖5 多層箱式爐生產線