熱沖壓成形件的智能制造(上)

文／馬鳴圖，馮儀，方剛·中國汽車工程研究院股份有限公司

賴一陽·中關(guān)村兵器北方車輛軍民融合智造加速器科創(chuàng)園

趙巖·北京理工大學(xué)重慶創(chuàng)新中心

李波·中新(重慶)超高強(qiáng)材料研究院有限公司

汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向

為擺脫傳統(tǒng)汽車工藝所帶來的油耗、排放、安全三大問題，汽車產(chǎn)業(yè)正在向電動化、智能化和輕量化發(fā)展。

⑴近年來，新能源汽車得到國家的高度重視，并得到迅速發(fā)展。2020 年中國新能源汽車銷量達(dá)到136.7 萬輛，2022 年新能源汽車銷量達(dá)到688.7 萬輛，其中純電動達(dá)到536.5 萬輛，插電混動為151.8 萬輛。與此同時(shí)，在發(fā)展電動車時(shí)需認(rèn)真考慮我國的電力能源結(jié)構(gòu)，只有解決儲能電池的原料和回收問題才能夠保證電動車的健康發(fā)展。

⑵智能化是汽車工業(yè)發(fā)展水平的體現(xiàn)，不僅能減輕駕乘人員的勞動強(qiáng)度，還能有效減少汽車安全事故的發(fā)生。同樣，智能化也應(yīng)該嚴(yán)格貫徹汽車制造、使用和回收的全過程管理體系。

⑶輕量化是汽車節(jié)能減排最直接而有效的手段，體現(xiàn)了汽車工業(yè)發(fā)展水平，是汽車工業(yè)長遠(yuǎn)健康發(fā)展所應(yīng)必須遵守的準(zhǔn)則。作為輕量化的兩大前提條件：首先，必須保證汽車功能不受影響；其次，保證或提升安全性，能夠滿足汽車各類安全法規(guī)的嚴(yán)格要求。

圖1 為汽車各類構(gòu)件的公共產(chǎn)業(yè)要求和相關(guān)安全法規(guī)要求，這就使得高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用成為了必要，高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度鋼既可以提升安全性，又能夠保證輕量化需求，是其他材料無法比擬的高性價(jià)比的材料。然而高強(qiáng)度鋼成形困難，成形構(gòu)件的回彈大，成形模具的磨損也大，為了解決超高強(qiáng)度鋼制造復(fù)雜零件的成形問題，熱沖壓成形技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

圖1 汽車各類安全碰撞法規(guī)

熱沖壓成形技術(shù)的發(fā)展

2014年熱沖壓成形產(chǎn)業(yè)和技術(shù)剛開始進(jìn)入中國，便得到了極為迅速的發(fā)展，并在世界范圍內(nèi)得到迅速的發(fā)展。2017年全世界已有530條熱沖壓成形生產(chǎn)線，其中中國、歐洲、北美各占四分之一。2018 年，全世界的熱沖壓成形生產(chǎn)線達(dá)到580 條，中國擁有數(shù)量達(dá)到180 條；2020 年，中國擁有的熱沖壓成形生產(chǎn)線數(shù)量達(dá)到200 條，2021 年數(shù)量變?yōu)?39 條，2022年數(shù)量已接近260 條。中國熱沖壓成形生產(chǎn)線的分布情況見圖2。

圖2 2021 年中國熱沖壓成形生產(chǎn)線分布情況

從筆者的親身經(jīng)歷來看，還沒有任何一種產(chǎn)業(yè)技術(shù)能夠在引入中國后發(fā)展得如此之快，這是一種國內(nèi)外都極為少見的發(fā)展速度，熱成形產(chǎn)業(yè)技術(shù)在中國得到迅速發(fā)展的原因也是多方面的。

⑴強(qiáng)烈的市場需求，2000 年以后中國汽車工業(yè)迅速發(fā)展，到2017 年中國汽車產(chǎn)量已接近3000 萬輛，中國汽車產(chǎn)品需要輕量化和提升安全性能，這就為熱沖壓產(chǎn)品的應(yīng)用提供了廣闊的市場空間，也迅速推動了熱成形產(chǎn)業(yè)和技術(shù)在中國的發(fā)展和應(yīng)用。與此同時(shí)，隨著熱沖壓成形生產(chǎn)線的大量建設(shè)，在激烈的市場競爭下，產(chǎn)品和熱成形材料價(jià)格均大幅度下降，進(jìn)一步刺激了主機(jī)廠對熱成形產(chǎn)品的興趣和應(yīng)用。

⑵隨著對熱成形技術(shù)工藝裝備材料的認(rèn)識和研發(fā)有了一定的普及和基礎(chǔ)，到2014 年在中國由中汽院和華科大聯(lián)合發(fā)起“先進(jìn)高強(qiáng)度鋼和熱沖壓成形”的國際會議(International Conference on Advanced High Strength Steel and Press Hardening，簡稱ICHSU)，并于2014 年在重慶召開了首屆，至今為止已成功召開了6 屆，公開出版論文550 余篇，由瑞典呂勒奧理工大學(xué)和德國卡塞爾大學(xué)聯(lián)合發(fā)起的“高性能鋼熱板成形技術(shù)國際會議(Hot Sheet Metal Forming of Highperformance Steel，簡稱CHS2)”，從2005 年每兩年一屆，到2019 年已成功召開了7 屆，出版論文集7 集，收集各類文章500 余篇。首先，兩大國際會議的召開和論文集的出版，不僅推動了該領(lǐng)域的技術(shù)快速發(fā)展，以及產(chǎn)業(yè)的擴(kuò)大和技術(shù)的成熟和完善，還使熱成形在中國的普及有了穩(wěn)固的技術(shù)基礎(chǔ)；其次，熱成形的技術(shù)工藝、裝備材料等相關(guān)技術(shù)的國產(chǎn)化工作取得了較大的進(jìn)展，如今相關(guān)的技術(shù)裝備材料工藝基本都生成了我國的專有技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化，投資價(jià)位也大幅度下降；再次，國內(nèi)高校科研單位與其相結(jié)合組成了產(chǎn)學(xué)研用的聯(lián)合體，再加上政府的臨時(shí)專項(xiàng)和強(qiáng)基計(jì)劃的支持，在熱成形工藝技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化方面做了大量的研發(fā)工作，并取得了較大的進(jìn)展。

盡管如此，熱成形產(chǎn)業(yè)和技術(shù)的迅速發(fā)展也暴露出了一些問題：

第一大類問題，如連續(xù)式的輥道爐上輥?zhàn)拥膲勖鼏栴}，鋁硅涂層板材(Alumino-silicon coating sheet)或構(gòu)件，涂層與輥?zhàn)颖砻娴恼尺B問題，熱成形產(chǎn)品或裝備的應(yīng)用規(guī)范問題，液壓設(shè)備的油缸活塞的磨損問題和由此產(chǎn)生的漏油問題，進(jìn)口設(shè)備的壽命和維修問題，這些都影響了設(shè)備的使用和潛能的發(fā)揮。

第二大類問題，包括材料的強(qiáng)度級別問題、涂層板的種類和厚度層選用問題、熱成形產(chǎn)品的強(qiáng)度和延性的匹配問題、超高強(qiáng)鋼的氫脆問題。

第三大類問題，大型熱成形零件功能的評價(jià)問題、超大型零件的熱成形模具的設(shè)計(jì)制造模擬等相關(guān)技術(shù)問題、超高強(qiáng)零件的裝備開發(fā)或應(yīng)用的問題，如何發(fā)揮自主知識產(chǎn)權(quán)生產(chǎn)線的建設(shè)或批量生產(chǎn)問題，或者說商用車熱沖壓成形零件的開發(fā)和應(yīng)用問題。

第四大類問題，引進(jìn)乘用車技術(shù)和裝備的國產(chǎn)化問題，切實(shí)做好引進(jìn)產(chǎn)品的替代問題。

智能制造技術(shù)和系統(tǒng)

智能制造的含義就是面向產(chǎn)品全生命周期，實(shí)現(xiàn)廣泛感知條件下的信息化制造，是信息化與工業(yè)化深度融合的產(chǎn)物。智能制造技術(shù)是充分利用現(xiàn)代傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動化技術(shù)、擬人化數(shù)字技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，特征包括云計(jì)算大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)、信息物理的融合技術(shù)、工藝信息安全技術(shù)、無線傳感技術(shù)等，通過智能化的感知、人機(jī)交互、決策和執(zhí)行技術(shù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、制造過程與裝備的智能化。

智能制造系統(tǒng)是由智能機(jī)器和人類專家共同組成的智能化系統(tǒng)，不僅可以在制造過程中通過計(jì)算機(jī)模擬相關(guān)結(jié)果和進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析、推理、判斷、構(gòu)思和決策等，還可以收集、存貯、完善和共享制造過程中的結(jié)果和數(shù)據(jù)，不斷完善和完成產(chǎn)品制造的全過程。通過智能制造系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量的可追溯、生產(chǎn)設(shè)備可感知、生產(chǎn)工藝過程可管控，生產(chǎn)工藝過程中的各類數(shù)據(jù)可分析、各類經(jīng)驗(yàn)可學(xué)習(xí)等目標(biāo)。

新一代智能制造系統(tǒng)是融合了人、物理的一個(gè)完整的生態(tài)系統(tǒng)，通過人的智能工作對生產(chǎn)數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)等進(jìn)行分析和優(yōu)化，通過各類信息的集成建造流程控制系統(tǒng)，并建立起基于云數(shù)據(jù)的分析系統(tǒng)，然后通過傳感網(wǎng)絡(luò)將相關(guān)系統(tǒng)融合在一起。新一代智能制造系統(tǒng)的最本質(zhì)特征是使信息系統(tǒng)增加了認(rèn)知和學(xué)習(xí)的功能，不僅具有強(qiáng)大的感知計(jì)算分析和控制能力，更具有了學(xué)習(xí)提升與產(chǎn)出知識的能力，正是擁有這樣一個(gè)階段，新一代的智能技術(shù)將使人、信息物理系統(tǒng)發(fā)生質(zhì)的變化，形成新一代的人、信息物理系統(tǒng)，這一系統(tǒng)將包括將人的部分學(xué)習(xí)型的腦力勞動轉(zhuǎn)移給數(shù)據(jù)庫的信息系統(tǒng)，從而賦予該系統(tǒng)具備了認(rèn)知和學(xué)習(xí)的能力，并通過“人在回路”的融入進(jìn)一步混合增強(qiáng)智能，人機(jī)深度融合將從本質(zhì)上提高系統(tǒng)處理復(fù)雜不確定性問題的能力，極大提高制造系統(tǒng)的技能。因而，熱成形工藝過程就需要這種以智能制造為基礎(chǔ)的人機(jī)互動的工藝過程。

熱成形工藝過程解析

熱成形工藝分為直接熱成形工藝和間接熱成形工藝，如圖3 所示。對于熱成形加熱和冷卻過程中的設(shè)計(jì)與控制，是一個(gè)典型的智能制造過程，具體工藝過程如下。

圖3 兩類熱沖壓成形工藝對比

⑴機(jī)械手上料、入爐：需要準(zhǔn)確定位。

⑵加熱：需要準(zhǔn)確控制溫度。

⑶工件出爐：需要準(zhǔn)確定位。

⑷機(jī)械手將工件傳遞到壓機(jī)：需要準(zhǔn)確定位。

⑸成形和淬火：需要準(zhǔn)確控制工藝參數(shù)。

⑹工件取出和精確安放。

⑺工件組織、性能和尺寸檢測。

⑻每條工序都需要自動化控制。

⑼工藝過程中設(shè)備和檢測聯(lián)動需合理總線控制。

⑽自動控制過程中的參量要滿足工藝的需求。

⑾生產(chǎn)過程中故障發(fā)生、診斷、排除以及故障處理決策的確定。

⑿根據(jù)數(shù)據(jù)檢測結(jié)果和自學(xué)習(xí)過程，確定工藝過程中參量調(diào)整的指令。

實(shí)現(xiàn)熱沖壓成形工藝制造的條件

生產(chǎn)線上所有裝備都必須具有自動化的條件和自動化運(yùn)行的能力；各設(shè)備單獨(dú)運(yùn)行的特點(diǎn)可以進(jìn)入總線控制系統(tǒng)；單臺設(shè)備故障具有預(yù)警能力、自修復(fù)能力，并具有保證總線正常運(yùn)行的故障修復(fù)建議的能力；每臺設(shè)備還具有數(shù)字化的運(yùn)行能力和對工藝適應(yīng)性的調(diào)整能力。

熱沖壓成形材料具有完整的數(shù)據(jù)庫，包括摩擦系數(shù)對溫度的依賴性，不同裸板和鍍層板的表面狀態(tài)特點(diǎn)及受溫度的影響，例如不同溫度下的成形極限圖，模具的導(dǎo)熱系數(shù)、傳熱能力，熱成形鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線，熱成形鋼的加熱和冷卻時(shí)的一些特征點(diǎn)等；模具的冷卻速度與不同厚度工件的組織轉(zhuǎn)變；非馬氏體組織的自動檢測；組織組成和硬度之間的關(guān)系；液流速度和冷卻能力之間的關(guān)系；熱成形件的組織和硬度的自動檢測和工藝過程中的自動調(diào)整。

建立全系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，且具有自學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)挖掘的功能，以使熱成形零件的制造過程具有自動的糾錯(cuò)和零件強(qiáng)度級別、板材厚度變化時(shí)的工藝調(diào)整功能以及性能預(yù)報(bào)的能力。熱成形材料性能數(shù)據(jù)庫包括材料的成分、表面狀態(tài)、涂層結(jié)構(gòu)、摩擦性能，不同溫度下的流變曲線，不同溫度下的成形性，相變特征，連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線，變形條件下的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線，供貨狀態(tài)的組織、晶粒度、馬氏體板條束的大小以及組織和性能之間的關(guān)系，不同應(yīng)變速率下材料的本構(gòu)方程；典型零件的數(shù)據(jù)庫包括3D 圖、壓潰吸能、碰撞吸能、零件功能和材料性能之間的關(guān)系、成形工藝對零件功能的影響、零件的失效模式、材料氫脆敏感性和零件氫脆敏感性以及環(huán)境的影響。數(shù)據(jù)庫中應(yīng)具有各種自學(xué)習(xí)系統(tǒng)，以使零件在成形過程和成形后產(chǎn)生各種性能不足或成形缺陷時(shí)具有自糾偏的功能。

系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)庫：整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行過程中應(yīng)具有相關(guān)的數(shù)據(jù)庫，包括正常運(yùn)行、故障的產(chǎn)生和分析、故障的排除、故障的預(yù)報(bào)等。

在目前缺少相關(guān)數(shù)據(jù)庫的條件下，可以充分利用云服務(wù)平臺構(gòu)建相關(guān)的智能化的熱成形應(yīng)用的控制和模擬系統(tǒng)。東莞豪斯特的這類系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。

圖4 東莞豪斯特智能化熱成形應(yīng)用控制和模擬系統(tǒng)