全自動高強鋼間接熱成形生產線(上)

文/張海杰，嚴建文，李貴閃·合肥合鍛智能制造股份有限公司

近年來，節能減排的標準在不斷提高，對于交通領域特別是汽車行業而言，對節能減排最主要方法之一的輕量化，也提出了更高的要求。

目前廣泛使用高強度鋼板是實現汽車輕量化最常用、也是可行性最高的途徑，但是高強度鋼板的成形加工是普通沖壓技術無法實現的，特別是抗拉強度1500MPa 以上的超高強度鋼板，普通沖壓工藝完全無法實現成形加工，只能采用熱成形工藝。因此目前熱成形工藝在汽車行業應用最為廣泛。圖1 為熱成形制件在車身上的實際應用，紅色零件為現在市場上需求最多、汽車主機廠使用最廣泛的熱成形零件。生產線，使用一臺32 米輥底爐加熱，搭配3 軸機械手，實際生產節拍根據不同的零件有所差異，大約在3 ～4spm 之間。

熱成形工藝簡介

熱成形工藝是將工件加熱并保溫至材料完全奧氏體化，然后送入特制的水冷模具中，在模具中按一定的速率冷卻，使奧氏體組織轉變為馬氏體組織，從而使材料強度大幅度提高，并在冷卻過程中利用模具的型腔對工件形狀進行約束，消除淬火變形，保證成品具有良好的尺寸精度。

目前熱成形工藝分為兩大類：直接熱成形工藝和間接熱成形工藝。直接熱成形工藝出現的較早，是目前使用比較廣泛的成形工藝；間接熱成形工藝出現的較遲，目前應用不多，但是其可加工的產品范圍可以完全覆蓋并超過直接熱成形工藝，具有很高的發展潛力，未來有望完全取代直接熱成形工藝。

直接熱成形工藝

如圖4 所示，直接熱成形工藝的主要工藝流程為：開卷落料線(批量件)或激光切割機(試驗件)完成落料→送入加熱爐中加熱至奧氏體化→送入壓機在模具內成形→淬火→激光切割切邊割孔→拼裝焊接→防腐處理→清洗涂油。

間接熱成形工藝及特點

間接熱成形工藝是近幾年剛出現的、最新的熱成形工藝，潛力極大，技術門檻高，目前行業內只有三家企業掌握間接熱成形技術。如圖5 所示，間接熱成形工藝的主要工藝流程為：冷沖壓線落料→預成形→切邊沖孔→送入加熱爐加熱至奧氏體化→送入模具內保形→淬火→清洗涂油。

間接熱成形工藝的優勢

(1)沒有零件尺寸和形狀限制，可以生產任意形狀和任意拉深深度的零件，所有使用普通冷沖壓工藝和直接熱成形工藝生產的零件均可以使用間接熱成形工藝生產。

(2)在核心淬火環節中工件沒有變形過程，模具應力分布均勻，工件與模具表面幾乎沒有相對運動，使得模具損耗很小，幾乎不會損傷工件表面。

(3)工件可以使用鋅鍍層板，只有間接熱成形工藝不會導致鍍鋅層損傷。

(4)工序少。1)落料工序和激光切割工序在預成形工序由冷沖壓線一次完成，提高了生產效率，降低了生產線建設投入；2)取消焊接工序，較大零件如：中通道、前圍、門坎等可以整體加工，一次成形；3)可選擇性取消防腐工序，使用鋅鍍層板的零件無需再做防腐處理，只有裸板需要再次做鍍鋅等防腐處理。

(5)可以較容易的控制不等強度板的成形過程，保證成品質量穩定性，實現不等強度板的批量生產。

間接熱成形生產線介紹

間接熱成形生產線一般由以下設備構成。

(1)冷沖壓線。間接熱成形生產線配套的預成形沖壓線為通用型的冷沖壓線，并非間接熱成形工藝專用設備；一條冷沖壓線即可完成落料、預成形、切邊沖孔三道工序，也無需專門的開卷落料線。冷沖壓線的工藝流程為：落料/淺拉深→深拉深→切邊、沖孔→整形。

(2)自動化搬運系統。自動化搬運系統是以機器人或機械手為核心，包含端拾器、對中裝置等部件以及生產線總控系統。

(3)熱成形壓機。目前間接熱成形壓機均為液壓機，其他類型的壓機暫時無法滿足間接熱成形工藝特性的要求。

(4)加熱爐。間接熱成形的加熱爐目前也分為箱式爐和輥底爐兩種，均采用輻射加熱方式，間接熱成形生產線的分類也是以加熱爐種類進行分類。

(5)水冷模具。間接熱成形水冷模具的體積大，型面形狀復雜、起伏幅度大，設計和加工難度均高于其他類模具。

以上設備中除了冷沖壓線為通用設備外，其余四類設備均為專用設備，同時這四類設備也是間接熱成形生產線的核心設備。

間接熱成形生產線是全自動、智能化的生產線。生產線的所有設備均采用PLC 控制，同時使用總線技術進行設備之間的相互通信，并有一臺裝載了總控系統的上位機對所有設備進行統籌調度，協調各設備間的工作狀態，保證整條生產線的穩定、有序、可靠運行。生產線的所有工序和工件序間轉運環節均可實現無人干預的自動化生產，只有在線首裝填原料和線尾取走成品需要人工完成，中間過程可以全部自動完成。

生產線可以實現智能化生產，如：自動換模、換端拾器、換料架等。此外，還可以自動檢測并排出中間工序產生的不合格件；記錄每個工件在每個工序時對應設備的工作狀態，實現每個工件的質量追溯。

間接熱成形生產線的分類

高強鋼間接熱成形生產線的分類也是以加熱爐的類型進行分類，目前也分為兩大類：箱式爐生產線和輥底爐生產線。

圖6 所示為箱式爐生產線。箱式爐生產線通常由以下部分組成：(1)單層或多層箱式加熱爐。工件為成形件而非板料，每層爐膛的尺寸比直接熱成形加熱爐要大一些，加熱爐的整體尺寸也更大。(2)以6 軸或7 軸機器人為核心的自動化系統。工件形狀復雜且是三維體，自動化系統的端拾器、進/出爐機構和對中系統要復雜很多。(3)熱成形壓機。間接熱成形工藝可以做復雜、大型、深拉深件，壓機的噸位、臺面、工藝動作等均有所不同，技術難度更高。

圖7 所示為輥底爐生產線。輥底爐生產線通常由以下部分組成：(1)雙層輥底式加熱爐。工件為成形件而非板料，工件傳送不能使用輥棒直接傳送，需要使用專用料架，加熱爐分兩層，下層加熱，上層用于料架返回線首。(2)以單臂或雙臂機械手為核心的自動化系統。工件形狀復雜且是整體件，重量較大，需要高負重的快速機械手。(3)熱成形壓機。壓機要求與箱式爐生產線相同。

間接熱成形生產線的特點

(1)工藝適應性好。

工藝兼容性好，所有直接熱成形生產線可以加工的零件均可以放在間接熱成形生產線上加工；間接熱成形零件尺寸不受限制，大型零件可以整體熱成形、不用分段，熱成形加工后直接焊接；零件所用板材不受限制，裸板、鋁硅鍍層板、鋅鍍層板均可加工，其中鋅鍍層板只能用間接熱成形加工，可以完全取代直接熱成形生產線。

(2)工序更少，總成本更低。

直接熱成形工序從開卷落料開始至成品件出廠一共6 道(鍍層板)或7 道(裸板)工序，而間接熱成形工序從開卷落料開始至成品件出廠一共3 道(鋅鍍層板)或5 道(裸板)工序，總工序少2 ～3 道，且由于淬火后的高硬度工件不用進行切邊沖孔，因此生產效率更高、設備投入更少，因此間接熱成形生產線的加工成本比直接熱成形生產線更低。

(3)生產線核心設備技術難度高。

因間接熱成形的毛坯件均為成形件，所以生產線的各核心設備與直接熱成形工藝有所區別。如圖8 所示，箱式爐的爐膛容積更大，熱能計算更復雜；輥底爐需要雙層往復式結構，機械結構更復雜；自動化機器人和機械手的端拾器結構和負重要求遠高于直接熱成形的設備，運動速度和運動穩定性的要求更高；壓機的尺寸、重量更大，工藝曲線實現難度高，大質量體的運動控制、慣性控制難度更高。

(4)占地面積大。

相對直接熱成形生產線來說，間接熱成形生產線由于加熱爐（箱式爐、輥底爐）尺寸更大；自動化搬運系統的機構多，單個機構的體積大；壓機的噸位、臺面更大，因此間接熱成形生產線的總占地面積要比直接熱成形生產線更大、更高。例如，同樣是箱式爐生產線，直接熱成形生產線占地約26m×15m，而間接熱成形生產線占地約46m×18m。