文／任曉琪·山東大王金泰集團(tuán)有限公司

超強(qiáng)鋼熱沖壓成形生產(chǎn)線(xiàn)的應(yīng)用

文／任曉琪·山東大王金泰集團(tuán)有限公司

任曉琪，熱沖壓項(xiàng)目經(jīng)理，高級(jí)工程師，多年來(lái)一直從事超高強(qiáng)度鋼板熱沖壓成形工藝與關(guān)鍵設(shè)備開(kāi)發(fā)研究，獲山東省科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)2項(xiàng)、東營(yíng)市科技進(jìn)步獎(jiǎng)3項(xiàng)、發(fā)明專(zhuān)利2項(xiàng)、實(shí)用新型專(zhuān)利4項(xiàng)。

熱沖壓成形是將鋼板加熱后沖壓成形的同時(shí)模內(nèi)淬火，從而獲得更高的強(qiáng)度、硬度與低延伸率，能夠制造出抗拉強(qiáng)度高達(dá)1600～2000MPa的零件。采用熱成形零部件可明顯提高汽車(chē)的碰撞安全性，同時(shí)通過(guò)減小壁厚或截面，減少相關(guān)部位零件的數(shù)量和尺寸，從而實(shí)現(xiàn)汽車(chē)白車(chē)身輕量化。目前超強(qiáng)鋼熱沖壓技術(shù)已廣泛應(yīng)用于汽車(chē)的前保險(xiǎn)杠、后保險(xiǎn)杠、A柱、B柱、C柱、車(chē)頂構(gòu)架、車(chē)底框架、車(chē)門(mén)內(nèi)板及車(chē)門(mén)防撞梁等部位。部分車(chē)型超高強(qiáng)鋼熱成形零件的使用量可達(dá)到白車(chē)身的45%以上。

超強(qiáng)鋼及熱沖壓成形工藝

目前，常用的超高強(qiáng)鋼板有兩類(lèi)：一種是安賽樂(lè)米塔爾公司（ArcelorMittal）生產(chǎn)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(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生大量氧化皮，零件表面質(zhì)量好；另一種是無(wú)涂層鋼板，該種材料在生產(chǎn)中會(huì)產(chǎn)生氧化現(xiàn)象，后續(xù)需要噴丸處理，國(guó)內(nèi)如寶鋼等8家以上鋼廠均有生產(chǎn)。

圖1 熱成形工藝

熱沖壓工藝分為直接熱成形和預(yù)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(jìn)行沖壓成形并在模具內(nèi)淬火，后期進(jìn)行激光切邊割孔；預(yù)成形工藝是將板料在常溫下預(yù)先沖壓成形，獲得一定形狀后再進(jìn)行加熱—定形—淬火，后期激光切割，預(yù)成形工藝主要應(yīng)用于形狀更復(fù)雜的熱沖壓件生產(chǎn)。

熱沖壓成形生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)備

完整的熱沖壓成形生產(chǎn)線(xiàn)主機(jī)設(shè)備包括高速液壓機(jī)、加熱爐、拆垛系統(tǒng)、上下料機(jī)械傳動(dòng)裝置、生產(chǎn)線(xiàn)集成控制系統(tǒng)，輔助設(shè)備包括冷水系統(tǒng)、保護(hù)氣氛系統(tǒng)，后序設(shè)備包括激光切割機(jī)、拋丸涂油線(xiàn)，檢驗(yàn)設(shè)備包括機(jī)械性能試驗(yàn)機(jī)、金相顯微鏡、硬度計(jì)等。工裝包括模具、檢具、卡具、端拾器等。根據(jù)工藝要求組合成不同種類(lèi)的熱沖壓生產(chǎn)線(xiàn)。下面簡(jiǎn)要介紹壓機(jī)和加熱爐的基本情況。高速液壓機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)1。

表1 高速液壓機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)

壓機(jī)工作方式分為定程和定壓兩種。壓機(jī)操作方式有微動(dòng)對(duì)模、調(diào)整、手動(dòng)、半自動(dòng)和自動(dòng)循環(huán)五種。⑴微動(dòng)對(duì)模：按壓下行按鈕，滑塊無(wú)壓力緩慢微動(dòng)下行，手松動(dòng)作停。此動(dòng)作在對(duì)模時(shí)使用。在PLC程序中設(shè)置此功能，并在移動(dòng)按鈕站上有相應(yīng)按鈕。⑵調(diào)整（點(diǎn)動(dòng)）：按壓相應(yīng)按鈕產(chǎn)生相應(yīng)動(dòng)作，手松動(dòng)作停。此動(dòng)作無(wú)快速，在移動(dòng)按鈕站上要有相應(yīng)按鈕。⑶手動(dòng)：按壓相應(yīng)的操作按扭完成相應(yīng)的工藝動(dòng)作，當(dāng)按壓停止按鈕或到動(dòng)作的行程限位時(shí)運(yùn)動(dòng)停止。在移動(dòng)按鈕站上要有相應(yīng)按鈕。⑷半自動(dòng)（雙手動(dòng)單次循環(huán)）：按壓雙手下行按鈕，壓機(jī)連續(xù)完成快降→慢降→加壓（到設(shè)定壓力或設(shè)定位置）→慢速回程→快速回程到停止，完成一個(gè)單次循環(huán)過(guò)程。根據(jù)主操作站上主、副控的選擇鈕狀態(tài)，可在主操作站或移動(dòng)按鈕站間取其一進(jìn)行。⑸全自動(dòng)：接受上位機(jī)的啟停信號(hào)，并按控制器設(shè)定的程序全自動(dòng)運(yùn)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(yīng)用最廣泛的是陶瓷輥底式加熱爐，市場(chǎng)占有率約為90%。箱式爐是近年來(lái)為適應(yīng)試模、

圖2 熱成形加熱爐類(lèi)型

箱式爐不存在陶瓷輥棒和傳動(dòng)系統(tǒng)，所以維護(hù)保養(yǎng)工作量小，箱式加熱爐生產(chǎn)線(xiàn)的自動(dòng)化系統(tǒng)相比輥底爐生產(chǎn)線(xiàn)復(fù)雜。從這一點(diǎn)我們還可以發(fā)現(xiàn)，為什么多層箱式加熱爐生產(chǎn)線(xiàn)占空間少，沒(méi)有昂貴的陶瓷輥棒，而生產(chǎn)線(xiàn)的造價(jià)與輥底爐生產(chǎn)線(xiàn)相當(dāng)?shù)脑?。輥底式加熱爐出現(xiàn)故障，必須整線(xiàn)生產(chǎn)暫停，排除故障后恢復(fù)生產(chǎn)；箱式加熱爐的1個(gè)或幾個(gè)加熱腔出現(xiàn)故障，則可以通過(guò)控制系統(tǒng)屏蔽掉有故障的加熱腔，生產(chǎn)可以繼續(xù)，當(dāng)然此時(shí)生產(chǎn)效率會(huì)下降。在進(jìn)行預(yù)成形零件或管類(lèi)零件生產(chǎn)時(shí)，輥底式加熱爐需要配置托盤(pán)及托盤(pán)循環(huán)系統(tǒng)。多層箱式加熱爐由于毛坯料在加熱時(shí)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(duì)中定位裝置，可以對(duì)料片進(jìn)行糾偏定位，準(zhǔn)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(nèi)的具體位置，保持不動(dòng)。質(zhì)量的一致性方面，輥底爐較長(zhǎng)的加熱區(qū)域使得料片溫度一致性比箱式爐高，同時(shí)熱料片從出口輥道上的固定位置搬運(yùn)到模具中去，每次搬運(yùn)的路徑和時(shí)長(zhǎng)都是相同的。也就是說(shuō)馬氏體組織轉(zhuǎn)變的起始狀態(tài)是一致的，同批沖壓件具有穩(wěn)定的質(zhì)量。多層箱式爐每個(gè)爐腔的位置不同，所以每個(gè)料片的搬運(yùn)路徑和時(shí)長(zhǎng)由料片所在的爐腔位置決定。故沖壓件的質(zhì)量是成周期性變化的。

常見(jiàn)的熱沖壓生產(chǎn)線(xiàn)布置形式主要有3種：適合大批量生產(chǎn)的輥底式加熱爐生產(chǎn)線(xiàn)、單層箱式試驗(yàn)線(xiàn)、多層箱式小批量生產(chǎn)線(xiàn)。

適合大批量生產(chǎn)的輥底式加熱爐熱沖壓生產(chǎn)線(xiàn)，年產(chǎn)量一般在120萬(wàn)沖次以上，按照最低一模兩件來(lái)計(jì)算，年產(chǎn)熱沖壓件在240～500萬(wàn)件左右，如圖3所示。其中搬運(yùn)系統(tǒng)一般采用直角坐標(biāo)雙臂機(jī)械手結(jié)構(gòu)，也有采用多關(guān)節(jié)機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)料片的搬運(yùn)。但主流配置采用的是直角坐標(biāo)雙臂機(jī)械手上下料加生產(chǎn)線(xiàn)L型布置方式。

單層箱式爐生產(chǎn)線(xiàn)有兩種方式，如圖4所示。一種采用直角坐標(biāo)機(jī)械手和穿梭車(chē)實(shí)現(xiàn)料片搬運(yùn)，另一種采用多關(guān)節(jié)機(jī)器人搬運(yùn)物料，加熱爐采用單腔箱式爐結(jié)構(gòu)。此種生產(chǎn)線(xiàn)，一般在高校、科研機(jī)構(gòu)等用于對(duì)材料、工藝等進(jìn)行測(cè)試，或者在模具制造企業(yè)進(jìn)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(chǎn)線(xiàn)是近年來(lái)推出的一種配置形式，如圖5所示。主要特點(diǎn)是占廠房面積小，相比輥底爐生產(chǎn)線(xiàn)大概節(jié)約150～200平方米。該生產(chǎn)線(xiàn)可以通過(guò)增加加熱爐腔的數(shù)量來(lái)調(diào)節(jié)生產(chǎn)節(jié)拍，一定范圍內(nèi)增加產(chǎn)能。但是，由于各方面的缺陷，此配置形式不是上述生產(chǎn)、試驗(yàn)單位的恰當(dāng)選擇。

圖3 采用輥底加熱爐的大批量熱沖壓自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)

結(jié)束語(yǔ)

綜觀近年來(lái)熱沖壓成形技術(shù)在中國(guó)的發(fā)展，可謂日新月異、欣欣向榮。但是關(guān)于熱成形的材料、工藝、裝備、模具等方面的認(rèn)識(shí)，還停留在學(xué)習(xí)國(guó)外專(zhuān)家學(xué)者的優(yōu)秀理論中。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)的企業(yè)、科研、高校通過(guò)自身的努力，在熱成形技術(shù)裝備的研究應(yīng)用上也在突飛猛進(jìn)。對(duì)此，我們熱成形行業(yè)的各種力量應(yīng)該凝聚起來(lái)形成合力，推動(dòng)國(guó)產(chǎn)熱沖壓設(shè)備和技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

圖4 單層箱式爐生產(chǎn)線(xiàn)

圖5 多層箱式爐生產(chǎn)線(xiàn)