史曉辰，周波，孫慧

1.路加精工有限公司 山東濰坊 261000

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1 熱成形技術(shù)概述

熱沖壓成形（Hot Stamping，或Hot-Press Forming，以下簡(jiǎn)稱(chēng)熱成形）是一種零件加工工藝。加熱至高溫的熱成形鋼板材被投入沖壓機(jī)中經(jīng)沖壓成形，同時(shí)在模具中快速冷卻進(jìn)行淬火，最終得到高強(qiáng)度零件。這一技術(shù)最早在1977年由瑞典公司Plannja申請(qǐng)專(zhuān)利，并應(yīng)用于生產(chǎn)除草機(jī)的鋸片。隨后在1984年，另一家瑞典公司——薩博汽車(chē)公司利用這一工藝制造了薩博9000汽車(chē)的防沖擊側(cè)梁，這是熱成形技術(shù)第一次被應(yīng)用于汽車(chē)工業(yè)[1]。當(dāng)今，熱成形產(chǎn)品如高強(qiáng)度硼鋼汽車(chē)零件在汽車(chē)車(chē)體結(jié)構(gòu)件，即白車(chē)身上的應(yīng)用已十分廣泛，例如，以安全著稱(chēng)的沃爾沃，在2010年款S60的白車(chē)身中應(yīng)用了14.2%的熱成形零件，而在2015年款XC90的白車(chē)身中，這一占比提高到了38%（見(jiàn)圖1）。2021年上市的11代本田思域，在A柱（前立注）、B柱（中立注）、上下側(cè)梁部位，也均使用了抗拉強(qiáng)度＞1400MPa的熱成形零件（見(jiàn)圖2）。目前，汽車(chē)熱成形零件主要有橫向支撐梁、懸置固定梁、縱向承載梁、前緩沖梁、A柱、B柱、門(mén)檻及車(chē)頂側(cè)梁等[2]。

圖1 2015款沃爾沃XC90白車(chē)身結(jié)構(gòu)

圖2 第11代本田思域白車(chē)身結(jié)構(gòu)

汽車(chē)熱成形零件的普及，主要得益于這一技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)：高強(qiáng)度。一方面，高強(qiáng)度零件的應(yīng)用可以提高車(chē)體整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，有利于整車(chē)碰撞安全性和NVH（噪聲、振動(dòng)與聲振粗糙度）表現(xiàn)。在熱成形鋼之外，廣泛應(yīng)用于白車(chē)身的傳統(tǒng)冷沖壓用鋼，如DP-CP（雙相-復(fù)相）鋼，TRIP（相變誘導(dǎo)塑性）鋼等超高強(qiáng)度鋼的抗拉強(qiáng)度在1000MPa左右，而經(jīng)淬火后的熱成形鋼抗拉強(qiáng)度可達(dá)1500MPa，是一般冷沖壓超高強(qiáng)度鋼的1.5倍（見(jiàn)圖3）。未來(lái)，更高強(qiáng)度級(jí)別的熱成形鋼會(huì)得到繼續(xù)推廣，如長(zhǎng)城哈弗汽車(chē)在其2020年發(fā)布的檸檬造車(chē)平臺(tái)中，就提出以2000MPa熱成形鋼取代1500MPa級(jí)熱成形鋼。另一方面，高強(qiáng)度材料的應(yīng)用意味著在不降低安全性的同時(shí)可以采用更少的材料，達(dá)到降低汽車(chē)重量的輕量化目的。在燃油車(chē)時(shí)代，車(chē)輛的輕量化就一直是車(chē)企的主要研究方向之一。有數(shù)據(jù)指出，車(chē)輛整備質(zhì)量每減重100kg，百公里油耗可降低0.3～0.6L，同時(shí)每公里的CO2排放量最低可以減少15g（見(jiàn)圖4）。因此，車(chē)輛輕量化不僅可以提高使用經(jīng)濟(jì)性，而且對(duì)能源節(jié)約、環(huán)境保護(hù)也將起到積極作用。此外，更輕的整車(chē)重量也有利于車(chē)輛加速、制動(dòng)和耐久性等性能的提升。根據(jù)國(guó)際鋁業(yè)協(xié)會(huì)的研究結(jié)果，車(chē)輛質(zhì)量減輕10%，制動(dòng)距離可減少5%，轉(zhuǎn)向力減小6%，行駛穩(wěn)定性更好。

圖3 各種鋼抗拉強(qiáng)度-伸長(zhǎng)率關(guān)系

圖4 汽車(chē)重量-CO2排放關(guān)系

進(jìn)入新能源電動(dòng)車(chē)時(shí)代，車(chē)輛輕量化依然十分重要。大容量電池就像一柄雙刃劍，在使電動(dòng)車(chē)滿(mǎn)足長(zhǎng)距離續(xù)航的同時(shí)，卻也極大增加了車(chē)輛的重量，進(jìn)而影響到能耗表現(xiàn)、制動(dòng)性能以及操控性等。

除了能借助高強(qiáng)度來(lái)提高安全性、實(shí)現(xiàn)輕量化這一主要優(yōu)點(diǎn)之外，相較于傳統(tǒng)冷沖壓成形，熱成形技術(shù)還有如下優(yōu)勢(shì)。

1）改善沖壓成形性，提高零件質(zhì)量。因?yàn)闊岢尚武撌窃诟邷貭顟B(tài)下被投入沖壓機(jī)模具進(jìn)行沖壓的，此時(shí)材料具有較好的拉伸性能和流動(dòng)性，因此幾何成形性能很好，尺寸精度高，滿(mǎn)足了各種零件需求。在冷沖壓中需要多次沖壓成形的復(fù)雜形狀，若利用熱成形則只需一次沖壓，從而節(jié)約了設(shè)計(jì)成本，也有利于降低設(shè)備的投資與維護(hù)成本。

2）高強(qiáng)度鋼材料的冷沖壓成形零件存在回彈問(wèn)題，且強(qiáng)度越高，沖壓后零件形狀尺寸的變化越大。熱成形零件的回彈量相比冷沖壓極小，有效地解決了這一問(wèn)題（見(jiàn)圖5）。

圖5 冷沖壓與熱成形零件回彈對(duì)比

3）降低了沖壓機(jī)的噸位要求。同樣得益于高溫下材料優(yōu)秀的成形性，相較于冷沖壓則可以選擇更低的沖壓機(jī)噸位，以節(jié)省高昂的設(shè)備成本；同時(shí)減少了生產(chǎn)時(shí)的振動(dòng)噪聲并改善工作環(huán)境?？蛇x擇熱成形沖壓機(jī)噸位為500～1200t[2]。

得益于上述優(yōu)點(diǎn)，熱成形技術(shù)在汽車(chē)零部件制造中得到了普及。

相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，從2000年全世界不足30條熱沖壓生產(chǎn)線，到2016年時(shí)，已發(fā)展到超過(guò)300條熱沖壓生產(chǎn)線投入運(yùn)行，而在我國(guó)也已建成50余條熱沖壓生產(chǎn)線。

當(dāng)然，熱成形也存在著如下劣勢(shì)。

1）整線投資成本仍相對(duì)較高。雖然熱成形工藝中只需一次沖壓成形，且沖壓機(jī)噸位相較于傳統(tǒng)冷沖壓低，但因?yàn)榧尤肓思訜岘h(huán)節(jié)，所以需要增設(shè)加熱爐；為應(yīng)對(duì)高溫材料及提供淬火功能，熱成形用模具也需要特殊設(shè)計(jì)；根據(jù)使用的材料特性，后續(xù)還需要加入激光切割設(shè)備等。尤其當(dāng)下很多設(shè)備還以進(jìn)口為主，因此一條自動(dòng)化熱成形沖壓生產(chǎn)線的投資額可達(dá)6000萬(wàn)～1億元。比如，2020年優(yōu)尼沖壓（Unipress）在花都工廠新增一條高規(guī)格熱成形自動(dòng)化生產(chǎn)線，裝備及廠房的投資額達(dá)到了1.5億元。但隨著熱成形技術(shù)的成熟及國(guó)內(nèi)相關(guān)企業(yè)在研發(fā)上的突破，相信熱成形生產(chǎn)線成本必將進(jìn)一步降低，而國(guó)產(chǎn)生產(chǎn)線也將達(dá)到普及。

2）生產(chǎn)節(jié)拍慢。由于熱處理工藝的引入，沖壓機(jī)需要一定保壓時(shí)間來(lái)完成成形及淬火，因此熱成形整線的生產(chǎn)節(jié)拍普遍在4～6spm（stock per minute，每分鐘沖壓次數(shù)）。而冷沖壓成形線的生產(chǎn)節(jié)拍一般都在10spm以上，比如車(chē)身覆蓋件的生產(chǎn)節(jié)拍可達(dá)15spm以上，這是現(xiàn)有熱成形生產(chǎn)線暫時(shí)難以達(dá)到的。為提高熱成形生產(chǎn)線效率，相繼研發(fā)出多步?jīng)_壓、冷卻水直冷模具等新技術(shù)，未來(lái)熱成形線生產(chǎn)節(jié)拍有望突破10spm。

2 熱成形技術(shù)原理

熱成形的主要目的在于使沖壓零件得到強(qiáng)度較高的馬氏體組織，而其技術(shù)點(diǎn)主要在于兩方面：加熱及淬火。前者是將熱成形鋼板材（Blank）加熱至奧氏體化溫度以上并保溫，以使碳素鋼材料的金相組織均勻轉(zhuǎn)化為奧氏體。常見(jiàn)熱成形鋼的wC在0.21%左右，同時(shí)加入1.2%左右的Mn與少量B（0.002%～0.004%）的硼鋼，其中Mn、B的存在可以增加鋼的淬透性，有利于得到良好的熱處理組織。以最常用的 22MnB5鋼（化學(xué)成分見(jiàn)表1）為例，其奧氏體化溫度Ac3為850℃，因此，首先要求將22MnB5鋼加熱至900℃以上（一般設(shè)定為900～950℃），并保溫3～5min，在整體加熱爐中的加熱時(shí)間為5～8min，可得到均勻的奧氏體組織[3]。

表1 22MnB5鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

其次，將處于高溫的熱成形鋼投入沖壓機(jī)，在壓制成形的同時(shí)利用模具的冷卻系統(tǒng)快速冷卻，達(dá)到淬火的目的，以得到高強(qiáng)度馬氏體組織。因此，熱成形鋼也被稱(chēng)為沖壓硬化鋼（Press Hardened Steel, PHS）。加熱前22MnB5鋼的抗拉強(qiáng)度為 550～700MPa，經(jīng)沖壓硬化后抗拉強(qiáng)度就達(dá)到了1300～1600MPa。淬火的實(shí)現(xiàn)主要取決于冷卻速度，根據(jù)奧氏體連續(xù)冷卻組織轉(zhuǎn)變曲線（見(jiàn)圖6），由奧氏體穩(wěn)定得到馬氏體的冷卻速度應(yīng)＞30℃/s，如果小于此冷卻速度，得到的組織就成了硬度較低的貝氏體或鐵素體。

圖6 奧氏體連續(xù)冷卻組織轉(zhuǎn)變曲線

3 自動(dòng)化熱成形生產(chǎn)線組成

為順利實(shí)現(xiàn)熱成形，需要生產(chǎn)線中各裝置各司其職、相互配合。一條自動(dòng)化熱成形生產(chǎn)線主要由加熱爐（見(jiàn)圖7）、沖壓機(jī)（見(jiàn)圖8）以及自動(dòng)化裝置構(gòu)成[4]。其中，自動(dòng)化裝置又包括拆垛機(jī)（或裝載機(jī)，見(jiàn)圖9）以及沖壓上下料手（見(jiàn)圖10）。此外，還可能包括刻印、拋丸涂油和激光切割等裝置。

圖7 典型輥底式加熱爐

圖8 典型伺服式熱成形沖壓機(jī)

圖9 典型桁架式拆垛機(jī)

圖10 典型沖壓機(jī)上料手

一種典型的工藝流程，或者說(shuō)材料的流動(dòng)方向：拆垛機(jī)負(fù)責(zé)將疊放成料垛的熱成形板材一張張地取出放入加熱爐，經(jīng)加熱爐加熱后的板材被上料手迅速投入沖壓機(jī)，然后板材通過(guò)沖壓成形并淬火后得到的高強(qiáng)度部件再由下料手從沖壓機(jī)取出，搬入質(zhì)量檢查、激光切割等后續(xù)處理工序（見(jiàn)圖11）。

圖11 典型熱成形生產(chǎn)線工藝流程

4 熱成形生產(chǎn)線的關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)

自動(dòng)化熱成形生產(chǎn)線的組成裝備有很多，這里僅介紹其中關(guān)鍵的材料、加熱爐、沖壓機(jī)、模具和自動(dòng)化搬運(yùn)設(shè)備的相關(guān)設(shè)計(jì)。

4.1 熱成形板材

目前，汽車(chē)零部件中最常用的熱成形鋼是22MnB5。1997年前，應(yīng)用于熱成形的板材為無(wú)鍍層板，這種裸板成本低、焊接性好，但加熱過(guò)程中表面極易氧化生成氧化鐵皮。而氧化鐵皮脫落在模具中會(huì)增大鋼板與模具的摩擦系數(shù)，降低模具的使用壽命，且氧化鐵皮也會(huì)影響后續(xù)涂裝工序，同時(shí)鋼板氧化還會(huì)發(fā)生脫碳現(xiàn)象。因?yàn)椴牧系膹?qiáng)度與碳含量息息相關(guān)，所以脫碳會(huì)導(dǎo)致鋼板強(qiáng)度下降。因此，在裸板加熱過(guò)程中，需要保護(hù)氣氛來(lái)減少氧化程度，而在沖壓成形后對(duì)零件還要進(jìn)行噴丸處理，以去除氧化鐵皮，提高零件表面質(zhì)量。但是，裸板零件的厚度最好選擇1.2mm以上，否則拋丸會(huì)使零件產(chǎn)生較大變形且無(wú)法控制。另外，無(wú)鍍層板材制成零件的抗腐蝕性也較差，易于生銹，因此在儲(chǔ)存時(shí)還需要表面涂油。但保護(hù)氣氛、拋丸涂油等，都增加了使用裸板的熱成形生產(chǎn)成本。

鋼鐵制造巨頭的安賽樂(lè)米塔爾公司（Arcelor Mittal）于1999年成功開(kāi)發(fā)了Al-Si（鋁硅）鍍層硼鋼，并取得相應(yīng)專(zhuān)利。Al-Si鍍層的存在有效解決了高溫下板材的表面氧化問(wèn)題，因此可以省去保護(hù)氣氛和噴丸工序。同時(shí)，Al-Si鍍層板可以減少?zèng)_壓時(shí)的摩擦系數(shù)，提高成形性，減少模具磨損，在模具保護(hù)、零件尺寸精度、甚至耐蝕性等方面也表現(xiàn)出優(yōu)異性能，從而迅速得到了推廣和應(yīng)用。但Al-Si鍍層板也存在一些缺點(diǎn)：首先作為專(zhuān)利產(chǎn)品，Al-Si鍍層板的購(gòu)買(mǎi)成本較高，相較于裸板，每公斤鍍層板價(jià)格要高1.5元以上。以一輛車(chē)的白車(chē)身（700kg）采用30%熱成形板材計(jì)算，選擇鍍層板就比裸板要增加成本315元。對(duì)于年產(chǎn)量10萬(wàn)輛以上的車(chē)企來(lái)說(shuō)，每年就是一筆不小的成本支出。另外，鍍層板對(duì)于加熱速度比較敏感。在快速加熱時(shí)，由于鍍層和基體鋼板的膨脹系數(shù)不同，容易因變形不均勻而產(chǎn)生微裂紋，影響隨后的沖壓性能以及油漆涂層的表面質(zhì)量和光鮮性[1]。此外，Al-Si鍍層板還存在黏輥問(wèn)題。當(dāng)加熱到一定溫度時(shí)，鍍層易與加熱爐陶瓷輥黏結(jié)，增加了加熱爐的維護(hù)使用成本。

除Al-Si鍍層板外，還有鍍鋅板。常用鍍鋅板有熱鍍純鋅鍍層GI（Hot-Dipped Galvanized）板，以及熱鍍鋅合金化鍍層GA（Galvannealed）板。GI板是表面鍍鋅板，通過(guò)在Zn液中添加少量Al，提高了鋅膜的附著力和抗氧化能力。GA板是在鍍鋅后通過(guò)500～550℃熱處理，讓鋼基體中的Fe與Zn相互擴(kuò)散，在表面形成鋅鐵合金相層的鍍層。Zn作為陽(yáng)極存在，可以保護(hù)處在陰極的鋼，起到防腐蝕的作用。因此，相比于Al-Si鍍層板，Zn鍍層板可以提供更好的耐腐蝕性。此外，鍍鋅板可以快速加熱，不會(huì)像Al-Si鍍層板樣產(chǎn)生微裂紋，但因?yàn)閆n的熔點(diǎn)較低，加熱過(guò)程中可能會(huì)滲入到鋼材基體中，誘發(fā)脆性，導(dǎo)致在沖壓時(shí)產(chǎn)生微裂紋，影響成品質(zhì)量，所以鍍鋅板的加熱溫度不宜過(guò)高。海斯坦普公司（Gestamp）開(kāi)發(fā)了一種基于鍍鋅板的多步熱成形工藝，可以將微裂紋尺寸控制在10μm以下。不過(guò)鍍鋅板在加熱后表面仍會(huì)產(chǎn)生一些氧化物，因此通常在熱成形之后零件依然要進(jìn)行噴丸處理。

綜合考慮生產(chǎn)全成本、產(chǎn)品質(zhì)量等，毫無(wú)疑問(wèn)Al- Si鍍層板的優(yōu)勢(shì)依然明顯。因此，Al-Si鍍層板仍然是當(dāng)今應(yīng)用最多的熱成形板材（見(jiàn)圖12）。

圖12 生產(chǎn)中的Al-Si鍍層板

除22MnB5鋼外，以安賽樂(lè)米塔爾可提供的熱成形用鋼為例，既有USIBOR1500/2000這類(lèi)硼鋼（wB＜0.005%），也有抗拉強(qiáng)度稍低的DUCTIBOR450/500這類(lèi)低合金鋼（wB＜0.001%）可供選擇。此外，鋁合金也可作為熱成形材料。本文中僅以22MnB5鋼為例進(jìn)行介紹。

因?yàn)椴⒉皇橇慵總€(gè)位置強(qiáng)度、硬度都是越高越好，比如需要吸能的縱梁局部位置，需要焊接的B柱止口位置。近年來(lái)，可根據(jù)車(chē)身強(qiáng)度和剛度要求定制的變強(qiáng)度熱成形零件的應(yīng)用也逐漸普及。變強(qiáng)度的實(shí)現(xiàn)有利于縮減材料用量，進(jìn)一步推進(jìn)車(chē)輛車(chē)體輕量化。用來(lái)制作變強(qiáng)度熱成形零件的板材主要包括激光拼焊板（Tailor Welded Blank，TWB），軋制差厚板（Tailor Rolling Blank，TRB），補(bǔ)丁板（Patch-Work Blank, PB）和軟硬分區(qū)等厚變強(qiáng)度板（Soft Zone）[5]，其中，應(yīng)用較廣泛的是TWB與TRB。

TWB是采用激光焊接技術(shù)把不同厚度、不同表面鍍層甚至是不同原材料的金屬薄板焊接在一起，然后再進(jìn)行沖壓制作成各種零件，可在同一板料的不同部位實(shí)現(xiàn)不同的厚度、強(qiáng)度，與傳統(tǒng)等厚度板材相比，其減重效果可達(dá)20%。由于TWB可以根據(jù)強(qiáng)度功能設(shè)計(jì)需要進(jìn)行任意拼接，因而具有極大的靈活性。其最大的優(yōu)勢(shì)就是減少了零件數(shù)量，從而不僅優(yōu)化了結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)裝配工藝，而且可減少所需模具數(shù)量，提高生產(chǎn)效率，優(yōu)化落料配置，提高材料利用率，大大降低整車(chē)制造及裝配成本。由于產(chǎn)品的不同零件在成形前即通過(guò)激光焊接在一起，因而提高了產(chǎn)品的整體精度，大大降低了零部件的制造及裝配公差。但TWB的拼接處存在著厚度突變，這使回彈預(yù)測(cè)、模具設(shè)計(jì)制造、焊縫移動(dòng)控制成為新的研究課題。而焊縫引起的材料硬化現(xiàn)象，不僅使焊縫的開(kāi)裂成為影響拼焊板零件質(zhì)量的因素之一，而且影響后續(xù)的成形，加之焊縫無(wú)法在外觀上完全消除，使TWB不適宜作為車(chē)身外覆蓋件。應(yīng)用TWB最多的是B柱、縱向承載梁等需要高強(qiáng)度的零件。

TRB軋制差厚板最早由德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)金屬成形研究所（IBF）開(kāi)發(fā)，核心技術(shù)是 “柔性軋制”：通過(guò)實(shí)時(shí)控制軋鋼機(jī)軋輥的位置來(lái)調(diào)整其間距，從而使軋制出的板材在沿軋制方向上具有預(yù)先根據(jù)載荷變化特點(diǎn)來(lái)設(shè)計(jì)的變厚度形狀。相對(duì)于TWB 來(lái)說(shuō)，TRB 具有下列優(yōu)點(diǎn)。

1）TRB 零件的厚度是連續(xù)變化的，比TWB零件具有更好的減重性能。

2）不存在TWB的厚度突變和焊縫的影響，這樣就消除了突變處的應(yīng)力峰值和因焊縫引起的硬化區(qū)域，因此具有良好的成形性能。

3）TRB 沒(méi)有焊縫難以彌蓋的缺陷，表面質(zhì)量好，可以作為汽車(chē)車(chē)身的外覆蓋件使用。

4）TRB過(guò)渡區(qū)光滑連接，模具設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單。

5）在零件生產(chǎn)和制作工藝方面，TRB工藝操作也與普通的等厚度板材的成形基本相同，可連續(xù)性生產(chǎn)，生產(chǎn)效率高。

6）TRB 的制造成本不受厚度過(guò)渡區(qū)數(shù)量的影響，而TWB 的制造成本則隨著焊縫數(shù)量的增加而增加，所以在成本方面相比多條焊縫的TWB板具有明顯的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。不過(guò)由于TRB板材是由單一材料整塊軋制而來(lái)，因而不能實(shí)現(xiàn)不同材質(zhì)的拼接，在多種形狀拼接時(shí)也表現(xiàn)出靈活性不足。另外，若TRB由鍍層板軋制，還可能因損傷材料的鍍層而影響防腐性能。TRB也主要應(yīng)用于B柱、橫梁縱梁等零件，多見(jiàn)于歐系車(chē)輛。

PB是一種在基板上面局部連接一塊板材獲得的變厚度板材，連接上去的板材像補(bǔ)丁一樣對(duì)構(gòu)件局部起到加強(qiáng)結(jié)構(gòu)承載能力的作用。Soft Zone是在厚度不變情況下，通過(guò)局部加熱實(shí)現(xiàn)不同部位的強(qiáng)度高低分布。與TWB和TRB相比，上述兩種變強(qiáng)度板的減重效果都較差。

由此可見(jiàn)，投入到加熱爐、沖壓機(jī)的板材形狀并不是規(guī)則的，會(huì)根據(jù)最終成形零件的形狀進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)于常見(jiàn)等厚度熱成形板材，一般是從矩形板材或卷材上沿一定輪廓剪裁而來(lái)，這一工序就是沖壓工藝中的落料，在沖裁出形狀的同時(shí)也為后續(xù)工序提供了可靠的定位基準(zhǔn)。熱處理前的硼鋼強(qiáng)度為550～700MPa，因此落料可以使用沖壓機(jī)冷沖壓進(jìn)行。另外一種常用落料方式是使用激光切割，這樣輪廓的選擇更加自由，形狀精度更高，也節(jié)省了沖壓模具的高昂使用成本。如果需要制作TWB或PB，落料后得到的熱成形板材會(huì)被送入下一工序中進(jìn)行焊接。最后，將這些板材一張張堆疊起來(lái)成為垛料進(jìn)行保存。

4.2 加熱爐

加熱爐的作用是加熱熱成形鋼板材，并保溫一段時(shí)間以保證得到均勻的奧氏體組織。一臺(tái)典型加熱爐的技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 典型熱成形加熱爐技術(shù)參數(shù)

輥底式加熱爐是最常見(jiàn)的加熱爐形式（見(jiàn)圖7），90%的熱成形生產(chǎn)線會(huì)采用這種加熱爐。輥底式加熱爐有長(zhǎng)條狀腔體，腔體內(nèi)部沿加熱爐長(zhǎng)度方向每隔一定距離設(shè)置有陶瓷材質(zhì)的耐熱輥，板材的輸送通過(guò)輥的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。腔體兩端設(shè)置有可自動(dòng)開(kāi)閉的爐門(mén)，起到隔絕保溫的作用，加熱爐兩端還設(shè)置有用于板料進(jìn)出的傳輸帶。出口處傳輸帶高速運(yùn)轉(zhuǎn)，并設(shè)置有材料位置對(duì)中及舉升裝置，以幫助自動(dòng)化設(shè)備更快速準(zhǔn)確地抓取板材[4]。輥底式加熱爐的腔體為模塊化設(shè)計(jì)，可根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍來(lái)調(diào)整組合加熱爐的長(zhǎng)度。輥底式加熱爐可采用的加熱方式有燃?xì)饧訜岷碗娂訜幔喝細(xì)饧訜崾窃谀蜔彷伒纳戏胶拖路降臓t膛內(nèi)布置燃燒器或陶瓷輻射管，利用輻射熱加熱板材。讓天然氣在輻射管中燃燒可以防止生成的水氣擴(kuò)散到板材上引起氫脆、裂紋等材料失效問(wèn)題。電加熱則是利用纏繞在爐輥或其他陶瓷管上的加熱線圈，對(duì)板材進(jìn)行加熱。電加熱的優(yōu)點(diǎn)在于加熱速度快，加熱效率較高，但電加熱的能耗成本是燃?xì)饧訜崾降?倍以上，因此最常用的加熱方式依然是燃?xì)饧訜帷３鲜鰞煞N輻射加熱及燃?xì)馀c電加熱的混合應(yīng)用外，還有直接通電加熱及感應(yīng)加熱方式，但因?yàn)榧訜崴俣瓤刂评щy，加熱不均勻等問(wèn)題都還處于應(yīng)用試驗(yàn)階段。

輥底式加熱爐的腔體中由于可以應(yīng)用保護(hù)氣氛，所以無(wú)論是Al-Si或Zn的鍍層板材，還是無(wú)鍍層的裸板，均可使用輥底式加熱爐來(lái)進(jìn)行加熱。對(duì)于表面易氧化裸板，常用的保護(hù)氣為氮?dú)饣虻獨(dú)猓ǎ?5%）+天然氣（＜5%）的混合氣。對(duì)于鍍層板材，可以不使用保護(hù)氣氛，采用干燥空氣即可。因?yàn)榈獨(dú)鉃槌Ｓ枚栊员Ｗo(hù)氣，熱成形沖壓線中有時(shí)也會(huì)將制氮機(jī)組作為輔助裝置的一種引入。

板材在加熱爐中的加熱保溫時(shí)間關(guān)系到材料組織是否能均勻轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，也關(guān)系到鍍層板表面鍍層的變化。如果加熱保溫時(shí)間過(guò)短使材料得不到足夠加熱，則板材內(nèi)的奧氏體晶粒大小不均勻，在成形過(guò)程中，各部分變形不均勻，經(jīng)過(guò)淬火后得到的馬氏體組織也不均勻，內(nèi)部組織軟硬不一就會(huì)影響到熱沖壓成品的質(zhì)量均一性。對(duì)裸板而言，提高加熱速度、縮短加熱時(shí)間，既可節(jié)能，又可提高生產(chǎn)率，同時(shí)減少氧化，防止組織晶粒過(guò)大。但對(duì)于Al-Si鍍層板，由于鍍層和基體鋼板的膨脹系數(shù)不同，加熱速度較快時(shí)，容易產(chǎn)生微裂紋，因此一般規(guī)定Al-Si鍍層板加熱時(shí)間為300～330s。

加熱時(shí)，基材中的Fe擴(kuò)散到Al-Si鍍層生成復(fù)雜的Al、Si、Fe金屬間化合物層，又稱(chēng)擴(kuò)散層。長(zhǎng)時(shí)間加熱Al-Si鍍層板，原有鍍層和擴(kuò)散層的厚度都會(huì)逐漸增加，從而影響到?jīng)_壓件的焊接性能。同時(shí)表面顏色也會(huì)因?yàn)楸⊙趸ぃê穸?.1～0.5μm）的生成而變得五顏六色，但此顏色變化對(duì)板材的主要特性不會(huì)有太多影響。為保證焊接性能，對(duì)于加熱后的鍍層厚度，一些汽車(chē)生產(chǎn)商指定了自己的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。比如，某汽車(chē)生產(chǎn)商規(guī)定，鍍層應(yīng)該有5層構(gòu)造，其中第1層+第3層的厚度應(yīng)≥15μm，而第4層+第5層的擴(kuò)散層厚度應(yīng)＜10μm。擁有Al-Si鍍層硼鋼專(zhuān)利的安賽樂(lè)米塔爾公司推薦加熱后原鍍層厚度35～45μm，擴(kuò)散層厚度＜15μm（見(jiàn)圖13）。另外，針對(duì)Al-Si鍍層板的具體加熱工藝，阿賽洛米塔爾公司作出了規(guī)定：當(dāng)板材厚度為1.2mm時(shí)，設(shè)定加熱溫度890～930℃，設(shè)定加熱保溫時(shí)間4～6min；當(dāng)板材厚度為2.3mm時(shí)，設(shè)定加熱溫度900～940℃，設(shè)定加熱保溫時(shí)間6～8min。由此可知，對(duì)于較厚的板材，由于受熱后溫度上升率較小，所以相對(duì)于薄板要選擇更高的設(shè)定溫度及適當(dāng)延長(zhǎng)加熱保溫時(shí)間。同時(shí)也要注意，由于薄板在離開(kāi)加熱爐后在空氣中的降溫速率也會(huì)比厚板更快，所以對(duì)自動(dòng)化設(shè)備的搬運(yùn)速度要求也要相應(yīng)提高。對(duì)于鍍鋅板，也可以快速加熱而不會(huì)產(chǎn)生微裂紋。但因?yàn)閆n的熔點(diǎn)較低，所以需要控制加熱溫度。鍍鋅板的加熱溫度一般選擇890～930℃。

圖13 Al-Si板加熱后鍍層形態(tài)

零件的延時(shí)開(kāi)裂是Al-Si鍍層板在熱成形中常見(jiàn)的失效形式，延時(shí)開(kāi)裂是指零件成形幾天后才出現(xiàn)的脆化甚至開(kāi)裂的現(xiàn)象。延時(shí)開(kāi)裂產(chǎn)生的原因，是熱成形過(guò)程中產(chǎn)生的高殘余應(yīng)力與加熱過(guò)程中擴(kuò)散進(jìn)入材料內(nèi)部的氫元素的共同作用。如果加熱過(guò)程中有水分接觸到高溫的Al-Si鍍層，就會(huì)產(chǎn)生氫氣，造成氫元素在材料中的擴(kuò)散。為降低因氫引起的脆化和延時(shí)開(kāi)裂產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)，加熱爐中需配置露點(diǎn)傳感裝置來(lái)實(shí)時(shí)檢測(cè)和控制爐腔內(nèi)的露點(diǎn)在較低狀態(tài)，一般要求露點(diǎn)溫度至少低于－10℃。實(shí)際生產(chǎn)中在采用氮?dú)饣蚋稍锟諝庾鳛楸Ｗo(hù)氣氛時(shí)，露點(diǎn)可控制在－35～－45℃。

除輥底式加熱爐外，還有一種加熱爐是多層箱式加熱爐。這種加熱爐采用固定式加熱腔體，板材在腔體內(nèi)的托架上處于靜止?fàn)顟B(tài)下得到加熱和保溫?？赏ㄟ^(guò)采取對(duì)腔體進(jìn)行疊加的方式來(lái)調(diào)整生產(chǎn)節(jié)拍。這種加熱爐由于占地面積小，組合靈活，但爐門(mén)較多，不易形成保護(hù)氣氛，因此不適合易氧化的裸板；同時(shí)因?yàn)檫@種箱式加熱爐只能應(yīng)用電加熱，所以一般僅用于零件的試制和小批量生產(chǎn)。

4.3 沖壓機(jī)和模具

（1）沖壓機(jī) 沖壓機(jī)的作用是結(jié)合配置在滑塊上的模具，利用滑塊的上下運(yùn)動(dòng)及巨大壓力，得到所需形狀的零件，同時(shí)保證零件的質(zhì)量。一臺(tái)典型熱成形沖壓線沖壓機(jī)的技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 典型熱成形沖壓機(jī)技術(shù)參數(shù)

熱成形沖壓生產(chǎn)線中常用的沖壓機(jī)有傳統(tǒng)液壓沖壓機(jī)與伺服沖壓機(jī)兩種。其中，液壓沖壓機(jī)的壓力源為液壓缸，又可分傳統(tǒng)多液壓缸沖壓機(jī)和液壓連桿式?jīng)_壓機(jī)。多液壓缸沖壓機(jī)中配備多個(gè)液壓缸，滑塊快速運(yùn)動(dòng)時(shí)使用一個(gè)或多個(gè)液壓缸，在保壓成形需要大壓力時(shí)其他液壓缸再工作。液壓連桿式?jīng)_壓機(jī)是利用液壓缸帶動(dòng)連桿結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)更快的工作速度。液壓沖壓機(jī)的工作曲線，可通過(guò)對(duì)液壓缸流量控制閥的調(diào)節(jié)來(lái)改變。

圖8中展示的是一臺(tái)伺服沖壓機(jī)，它以伺服電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力源，通過(guò)偏心齒輪、曲軸、連桿等部件帶動(dòng)滑塊上下運(yùn)動(dòng)。應(yīng)用了偏心齒輪的伺服沖壓機(jī)可滿(mǎn)足更長(zhǎng)的滑塊行程。得益于伺服電動(dòng)機(jī)的高精度及可編程化控制的動(dòng)作特性，可靈活控制滑塊的運(yùn)動(dòng)形式（滑塊的位置重復(fù)控制精度可達(dá)±0.01mm）以滿(mǎn)足沖壓加工多樣化的需求。對(duì)伺服曲線的優(yōu)化可幫助降低振動(dòng)和噪聲、延長(zhǎng)模具壽命，提高零件成形性好，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用及智能化。伺服壓力機(jī)的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在同時(shí)配備電能回收系統(tǒng)情況下，可大大降低電動(dòng)機(jī)的能耗，耗電量?jī)H為傳統(tǒng)液壓沖壓機(jī)的30%。由于伺服壓力機(jī)的伺服曲線可以分段進(jìn)行編輯，所以除了加壓過(guò)程，其他行程可以適當(dāng)加快壓力機(jī)滑塊的速度，這樣就大大提升了沖壓線的生產(chǎn)節(jié)拍。目前，隨著伺服電動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用更加靈活、生產(chǎn)節(jié)拍更快的伺服沖壓機(jī)已越來(lái)越多地進(jìn)入到熱成形領(lǐng)域。

因?yàn)闊岢尚螞_壓是在材料處于高溫情況下進(jìn)行的，這時(shí)材料的強(qiáng)度不足200MPa，所以相比于冷沖壓，可選擇較低的噸位。但是，隨著材料在模具中迅速冷卻，抗拉強(qiáng)度增加到1500MPa，此時(shí)的壓力如果過(guò)低，則不能抑制零件的變形而使尺寸精度降低，因此具體噸位還要考慮到成形后材料的強(qiáng)度。一般情況下，若一個(gè)模具出2個(gè)零件時(shí)，沖壓機(jī)噸位選擇500～800t；若一個(gè)模具出4個(gè)零件時(shí)，沖壓機(jī)噸位選擇1000～1200t。

影響熱成形零件質(zhì)量的因素除了壓力大小外，還有滑塊下降速度以及保壓時(shí)間，因?yàn)檫@關(guān)系到板材是否能在較高溫度時(shí)開(kāi)始冷卻成形，以及冷卻速度是否能滿(mǎn)足得到均勻馬氏體的淬火條件。一般要求滑塊下降速度＞500mm/s，這樣滑塊由上死點(diǎn)下降到與板材接觸開(kāi)始成形位置用時(shí)只需1～1.5s，可保證板材成形前溫度不下降太多。

保壓時(shí)間應(yīng)根據(jù)板材開(kāi)始成形時(shí)的溫度、成形后溫度，以及目標(biāo)冷卻速度進(jìn)行計(jì)算。僅考慮淬火性能，以?shī)W氏體連續(xù)冷卻組織轉(zhuǎn)變圖提示的冷卻開(kāi)始最低溫度600℃，最低冷卻速度30℃/s，并設(shè)定成形后溫度200℃為例，可以計(jì)算出保壓時(shí)間需要13.3s?？紤]到雖然成形開(kāi)始前溫度一般＞600℃，但因?yàn)閷?shí)際冷卻速度遠(yuǎn)＞30℃/s（可達(dá)100℃/s以上），所以選擇保壓時(shí)間5～10s。當(dāng)保壓時(shí)間為5s時(shí)，可以滿(mǎn)足生產(chǎn)線生產(chǎn)節(jié)拍10spm。

（2）模具 要得到高質(zhì)量的熱成形零件，最關(guān)鍵的還是模具的設(shè)計(jì)。作為整個(gè)熱成形工藝的核心部件，熱成形模具與板材直接接觸，不僅用于零件的成形，而且起到冷卻淬火的作用。因此，熱成形模具的設(shè)計(jì)應(yīng)主要關(guān)注以下兩點(diǎn)。

1）符合沖壓時(shí)的精度要求，以提供良好的成形能力。

2）具備優(yōu)異的冷卻能力。

本文主要以模具材料、上下凸凹模間隙和冷卻回路配置為例說(shuō)明其設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

由于模具材料決定了沖壓零件的質(zhì)量及模具本身的壽命，所以熱成形模具的材料應(yīng)滿(mǎn)足以下幾項(xiàng)性能：一是高耐熱疲勞性，以滿(mǎn)足生產(chǎn)過(guò)程中短時(shí)間內(nèi)溫度由高溫到低溫再到高溫的反復(fù)循環(huán)；二是良好的熱硬度和低熱膨脹度，以保證高溫下的成形強(qiáng)度和尺寸精度穩(wěn)定性；三是高熱傳導(dǎo)性，確保快速傳熱，提高冷卻效率。然而，具備高強(qiáng)度、高熱傳導(dǎo)、低熱變形又易于加工的完美模具材料并不存在，因此需根據(jù)具體工作情況和產(chǎn)品來(lái)選擇。為延長(zhǎng)模具壽命，對(duì)模具表面還常采用滲氮、PVD（物理氣相沉積）等熱處理工藝。

凸凹模的間隙影響材料與模具間的接觸和摩擦狀況，因此關(guān)系到零件的成形與冷卻。當(dāng)間隙較大時(shí)，模具與材料間的摩擦力減小，利于高溫材料的流動(dòng)，因此可以沖壓出高表面質(zhì)量的零件并減少模具磨損。但同時(shí)，板料與模具表面不能?chē)?yán)密接觸，影響傳熱效果，對(duì)于裸板還會(huì)增加表面氧化。反之，當(dāng)間隙較小時(shí)，冷卻效率得到保證，但模具與材料間較大的摩擦力會(huì)影響零件成形并加速模具磨損[6]。一般凸凹模的間隙，可設(shè)定為板材厚度 ＋0.05mm以下。

在成形過(guò)程中，板材的熱量先傳遞給模具，再通過(guò)模具內(nèi)部設(shè)置的冷卻回路帶出模具。冷卻回路的配置應(yīng)能提供足夠的冷卻能力，并保證模具各部分散熱均勻且在每一次沖壓前保持溫度一致。常用的冷卻介質(zhì)為水，其流動(dòng)性好，比熱容大，成本較低，易于獲取。為達(dá)到足夠的冷卻能力，冷卻水溫度應(yīng)控制在5～20℃。如果冷卻能力不足，則不能順利實(shí)現(xiàn)淬火得到馬氏體組織。如果模具各部分散熱不均勻，得到的零件的各部分組織也會(huì)呈現(xiàn)不均勻分布，進(jìn)而影響到力學(xué)性能。如果模具在每一次沖壓時(shí)溫度不同，同樣會(huì)因?yàn)槔鋮s速度和成形溫度的不同影響到零件質(zhì)量的穩(wěn)定性。冷卻回路的配置設(shè)計(jì)需要考慮冷卻孔徑的大小、冷卻孔中心距模具型面的距離，以及冷卻孔的間距和布置方式等。其中影響模具冷卻能力的因素，按作用由強(qiáng)到弱依次為冷卻孔中心到模具表面距離、冷卻孔間距及冷卻孔徑。考慮到冷卻能力、模具強(qiáng)度、加工性等，當(dāng)冷卻孔徑取D時(shí)，可取冷卻孔到模具型面距離和冷卻孔間距為（1.5～2）D。

近年來(lái)，為進(jìn)一步提高冷卻速度，縮短沖壓機(jī)保壓時(shí)間，已有國(guó)外機(jī)構(gòu)，如日本制鐵株式會(huì)社，開(kāi)始研究直接冷卻模具，即通過(guò)在模具表面設(shè)置噴水孔，直接利用冷卻水來(lái)冷卻高溫板材。通過(guò)這一技術(shù)，有望將保壓時(shí)間縮短至2.5s，實(shí)現(xiàn)10spm以上的生產(chǎn)節(jié)拍[7]。

因?yàn)闊岢尚文＞叩脑O(shè)計(jì)工作量及模具制造成本都很高，所以不適宜用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法以實(shí)物進(jìn)行設(shè)計(jì)和試驗(yàn)。利用Ls-DYNA、AutoForm、DynaForm、Pam-stamp等一批數(shù)值模擬板材成形CAE軟件，可極大地提高熱成形模具的設(shè)計(jì)效率（見(jiàn)圖14）。

圖14 熱成形模擬溫度變化

4.4 自動(dòng)化搬運(yùn)設(shè)備

自動(dòng)化熱成形生產(chǎn)線中使用的自動(dòng)化搬運(yùn)設(shè)備的主要作用是實(shí)現(xiàn)板材在各工序間的搬送。主要包括將由板材疊放而成的垛料分張，并將板材搬送至加熱爐的拆垛機(jī)，將加熱后的板材搬送至沖壓機(jī)的上料手以及從沖壓機(jī)取出沖壓零件搬送至下一工序的下料手。

（1）拆垛機(jī) 無(wú)論是規(guī)則形狀還是預(yù)先裁剪接近成品形狀的板材，一般都是一張張疊放成垛料進(jìn)行存放的，因此需要拆垛機(jī)將垛料上的板材一張張取出，然后投入加熱爐。

常見(jiàn)拆垛機(jī)形式有通用工業(yè)機(jī)器人和專(zhuān)用桁架式機(jī)械臂（見(jiàn)圖9）兩種。

1）工業(yè)機(jī)器人一般為6軸驅(qū)動(dòng)，可以提供更高的空間運(yùn)動(dòng)自由度，因此動(dòng)作靈活，配置方便，適應(yīng)性強(qiáng)，設(shè)計(jì)柔性高。而桁架機(jī)械臂一般借助直線導(dǎo)軌導(dǎo)向，伺服電動(dòng)機(jī)與齒輪齒條驅(qū)動(dòng)，僅提供上下、左右、前后方向的直線運(yùn)動(dòng)，雖然有的機(jī)械臂增加了平面轉(zhuǎn)動(dòng)，但動(dòng)作范圍仍不如工業(yè)機(jī)器人靈活。由于桁架機(jī)械臂一般是根據(jù)廠房、設(shè)備布局、流程進(jìn)行專(zhuān)門(mén)定制的，因此通用性較差，不利于改造。

2）從硬件投入成本上看，單臺(tái)工業(yè)機(jī)器人的投入在200萬(wàn)元左右，而桁架機(jī)械臂的價(jià)格在500萬(wàn)元以上，即使是常見(jiàn)的2臺(tái)機(jī)器人的組合配置，仍然是工業(yè)機(jī)器人的成本相對(duì)更低。

3）由于設(shè)計(jì)上的通用性，工業(yè)機(jī)器人在通過(guò)控制器與各種傳感器的配合便利性上更具優(yōu)勢(shì)，因此智能化程度高。

4）工業(yè)機(jī)器人的動(dòng)作靈活，但相應(yīng)運(yùn)動(dòng)也更復(fù)雜，工作速度較桁架機(jī)械臂要慢。以攜帶某200kg裝置為例，最大載荷350kg的工業(yè)機(jī)器人的最大線速度為2000mm/s，而桁架機(jī)械臂可以達(dá)到2700mm/s，且機(jī)器人動(dòng)作復(fù)雜，所需示教成本也更高。

5）工業(yè)機(jī)器人一般安裝于地面支座之上，設(shè)計(jì)位置時(shí)不僅要考慮工作軌跡，還要考慮到運(yùn)動(dòng)時(shí)與其他設(shè)備的干涉。桁架機(jī)械臂安裝于桁架之上，利用了縱向空間，因此地面配置上只需考慮桁架的支柱部分，節(jié)省了空間。

6）拆垛工作對(duì)精度要求一般不高。因?yàn)榘宀脑诩訜釥t中運(yùn)動(dòng)時(shí)位置也會(huì)發(fā)生變化，所以對(duì)板料進(jìn)入加熱爐的位置無(wú)高精度要求。即便是對(duì)加熱前在板材上打上編號(hào)這種對(duì)板材與刻印裝置相對(duì)位置有要求的情況，拆垛機(jī)的重復(fù)精度要不低于±0.5mm，也足以滿(mǎn)足使用要求?，F(xiàn)今，一般工業(yè)機(jī)器人的重復(fù)精度在±0.06mm以上，而桁架機(jī)械臂的重復(fù)精度也可以做到0.03mm左右。

綜上所述，通用工業(yè)機(jī)器人與桁架機(jī)械臂各有特點(diǎn)，具體選擇還應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品特征、投資成本、生產(chǎn)計(jì)劃來(lái)判斷。對(duì)于品種較固定且大批量生產(chǎn)的生產(chǎn)線，可以選擇專(zhuān)用桁架機(jī)械臂來(lái)提升生產(chǎn)節(jié)拍。

為完成拆垛任務(wù)，還有一些配合拆垛機(jī)工作的重要設(shè)備。

1）垛料臺(tái)車(chē)：垛料臺(tái)車(chē)負(fù)責(zé)板料的運(yùn)送并提供簡(jiǎn)單定位、分張等功能。一般垛料臺(tái)車(chē)被配置在拆垛機(jī)附近的軌道上，用叉車(chē)或門(mén)式起重機(jī)將板料搬運(yùn)至臺(tái)車(chē)上后，再移動(dòng)到拆垛機(jī)附近。隨著可自引導(dǎo)運(yùn)行的AGV（Automated Guided Vehicle）小車(chē)應(yīng)用技術(shù)的進(jìn)步，未來(lái)垛料臺(tái)車(chē)可借助AGV小車(chē)，從板料儲(chǔ)存區(qū)域附近直接運(yùn)行到拆垛機(jī)附近的情景也會(huì)得到實(shí)現(xiàn)。另外，所謂分張就是將層層疊放的板材分離成一張張的，方便拆垛機(jī)抓取。由于垛料板材間光滑表面會(huì)產(chǎn)生相互黏連，因此如果沒(méi)有分張器，拆垛機(jī)在拾取板材時(shí)，就很容易一次抓起2張甚至3張疊放著的材料。常用分張裝置是磁力分張器，磁力分張器與垛料接觸，借助永磁鐵的強(qiáng)磁力分布，使最上面的板材在端處產(chǎn)生較大變形，實(shí)現(xiàn)了上下板材的部分分離。

2）雙料檢測(cè)：雖然分張器可以很大程度上減少拆垛機(jī)一次抓取不止1張板材的情況，但為了杜絕多張黏連的板材被送入加熱爐、甚至是放進(jìn)沖壓機(jī)的情況，就需要設(shè)置雙料檢測(cè)工序。雙料檢測(cè)借助傳感器，根據(jù)拾取的板料厚度判斷是否存在多張黏連情況。傳感器類(lèi)型有電磁傳感器和激光傳感器2種：①電磁傳感器利用電磁感應(yīng)來(lái)監(jiān)測(cè)透過(guò)板材的磁通量，以此判斷板材厚度是否過(guò)厚。電磁傳感器可安裝在拆垛機(jī)的端拾器上，在抓取板材后同步進(jìn)行監(jiān)測(cè)。②激光傳感器可以利用激光被物體反射后回到傳感器的時(shí)間來(lái)計(jì)算傳感器到物體的距離。當(dāng)板材進(jìn)入固定距離的兩個(gè)激光傳感器之間時(shí)，通過(guò)距離差就可以算出板材的厚度。為不影響生產(chǎn)節(jié)拍，激光傳感器可設(shè)定在板材的運(yùn)動(dòng)路徑上，在拆垛機(jī)搬運(yùn)板材經(jīng)過(guò)雙料檢測(cè)區(qū)域時(shí)快速進(jìn)行判斷。典型激光傳感器的測(cè)樣速率可以達(dá)到3000Hz（周期為0.33ms）。

3）端拾器：端拾器一般應(yīng)用真空吸盤(pán)來(lái)抓取板材。拆垛機(jī)要順利抓取板材，端拾器的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。一方面，真空吸盤(pán)的數(shù)量，即吸引力要滿(mǎn)足高速水平搬運(yùn)板材的需求。所需的真空吸盤(pán)數(shù)量可以根據(jù)吸盤(pán)吸引力等于重力與提供水平加速度的摩擦力之和這一力平衡關(guān)系來(lái)計(jì)算。然后，真空吸盤(pán)的設(shè)置位置還要考慮到板材的形狀。比如，如果吸盤(pán)下是孔洞，則真空條件無(wú)法達(dá)成，不能提供吸引力，因此配置要避開(kāi)板材上的孔洞、邊緣。同時(shí)還要盡量使板材受力平衡，不出現(xiàn)頭重腳輕之類(lèi)的現(xiàn)象，以防滑落。另一方面，端拾器結(jié)構(gòu)在滿(mǎn)足強(qiáng)度要求的基礎(chǔ)上應(yīng)盡量簡(jiǎn)單，作輕量化處理，比如采用鋁合金或碳纖維材料。因?yàn)槎耸捌靼惭b在機(jī)器人或機(jī)械臂前端，工作時(shí)呈懸臂梁姿勢(shì)，所以較大的重量會(huì)產(chǎn)生極大扭矩，影響到運(yùn)動(dòng)速度、動(dòng)作范圍甚至拆垛機(jī)壽命。

4）自動(dòng)工具交換（Auto Tool Change，ATC）：為適應(yīng)多種不同板材的搬送，可以為拆垛機(jī)增加ATC，即端拾器更換功能。要實(shí)現(xiàn)ATC，需要在機(jī)器人或機(jī)械臂端安裝ATC主盤(pán)，在各個(gè)端拾器端分別安裝工具盤(pán)。主盤(pán)與工具盤(pán)連接后，可實(shí)現(xiàn)電信號(hào)與壓縮空氣的傳遞。

（2）沖壓機(jī)上下料手 上下料手一般安裝于沖壓機(jī)上，除端拾器外，運(yùn)動(dòng)部分原理與拆垛機(jī)相同，均為三軸方向直線運(yùn)動(dòng)。

沖壓機(jī)上料手（見(jiàn)圖11）安裝于沖壓機(jī)入口端，負(fù)責(zé)將經(jīng)加熱爐加熱后的板材迅速投入沖壓機(jī)，放置在模具上。因?yàn)閷?duì)沖壓前板材溫度有著嚴(yán)格要求，所以對(duì)上料手最重要的要求就是迅速。板材經(jīng)加熱爐加熱并保溫至900℃，在出爐到達(dá)出口搬送帶上后，暴露在空氣中的板材溫度就開(kāi)始以約20℃/s的速度開(kāi)始下降，而將板材放入模具后，雖然還未加壓，但因?yàn)榕c溫度較低的模具相接觸，板材下降的溫度會(huì)更快，所以為保證成形質(zhì)量與淬火質(zhì)量，一般希望板件在沖壓前溫度≥750℃。如果按出爐后的板材被上料手抓取時(shí)溫度為800℃，則整個(gè)送料過(guò)程最長(zhǎng)不能超過(guò)2.5s。在實(shí)際工程中，上料手可實(shí)現(xiàn)從抓取到釋放在2s內(nèi)完成，以保證板材溫度不會(huì)下降太多。除速度要求外，上料手依然需要關(guān)注溫度的影響。首先，上料手應(yīng)設(shè)置溫度傳感器，以確保抓取前的板材溫度為800～1000℃。典型紅外線溫度傳感器可在超過(guò)1m外測(cè)量板材溫度，測(cè)溫范圍為－50～1400℃。另外，由于是抓取800℃以上高溫的板材，端拾器部分就不能再使用拆垛機(jī)上的真空吸盤(pán)，而主要采用金屬制耐熱夾鉗（見(jiàn)圖15）。上料手一般有兩臺(tái)，這樣就能分別夾住板材的前后，然后送入沖壓機(jī)。因?yàn)楦邷叵虏牧陷^軟，在夾鉗壓力下可能變形，所以板材的形狀在設(shè)計(jì)時(shí)也會(huì)考慮到留有專(zhuān)門(mén)用來(lái)夾取的空間，這部分在沖壓后會(huì)從零件上除掉。因?yàn)闊釠_壓零件強(qiáng)度較高，使用冷加工可能對(duì)零件造成損害，所以后處理多使用激光切割系統(tǒng)。

圖15 典型熱成形用耐熱夾鉗

總之，上料手端拾器在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到耐高溫的問(wèn)題，如管道線材使用耐高溫規(guī)格，如有必要還需添加防熱板。在上料手的動(dòng)作設(shè)計(jì)上，為保證較快的搬送時(shí)間，希望板材搬送高度盡量接近模具，因此夾鉗的位置在保證正確抓取板材前提下，還要避免在運(yùn)動(dòng)中與沖壓機(jī)內(nèi)的模具發(fā)生干涉。

沖壓機(jī)下料手安裝于沖壓機(jī)的出口端，形式與上料手相同，負(fù)責(zé)將沖壓零件從沖壓機(jī)模具中取出，然后搬送至下一工序區(qū)域。這個(gè)區(qū)域可以是裝箱檢驗(yàn)區(qū)，也可以是拋丸涂油區(qū)或激光切割區(qū)域。因?yàn)榻?jīng)沖壓成形、淬火降溫后的零件溫度仍在100～200℃，所以同樣下料手端拾器也無(wú)法使用真空吸盤(pán)。除夾鉗外，也可選用耐高溫的磁鐵吸盤(pán)。一種典型的熱成形用磁鐵吸盤(pán)的工作溫度可達(dá)350℃。夾鉗或磁鐵吸盤(pán)的配置同樣要考慮與模具的干涉，夾鉗可從側(cè)面抓取零件，而磁鐵吸盤(pán)需要從上方吸取零件（見(jiàn)圖16），因此所需空間更為嚴(yán)格。為保證沖壓零件得到足夠強(qiáng)度，要求淬火后零件溫度在200℃以下，因此在下料手區(qū)域可設(shè)置溫度傳感器或熱成像儀器，用來(lái)監(jiān)控零件的溫度。如果溫度不符合標(biāo)準(zhǔn)，下料手會(huì)將取出的零件放置在指定位置。

圖16 典型熱成形用耐熱磁鐵吸盤(pán)

當(dāng)熱成形生產(chǎn)線中各設(shè)備都能在安全前提下以最大速度運(yùn)行時(shí)，就能實(shí)現(xiàn)最大生產(chǎn)節(jié)拍，達(dá)到生產(chǎn)的最優(yōu)化狀態(tài)。其中，上下料手與沖壓機(jī)的運(yùn)動(dòng)關(guān)系很大程度上決定了整線的生產(chǎn)節(jié)拍。以工作節(jié)拍為6spm的沖壓機(jī)上下料手運(yùn)動(dòng)時(shí)間為例（見(jiàn)圖17）：沖壓機(jī)滑塊下降中，放置完板材的上料手開(kāi)始后退，途中模塊與上料手正好不碰撞；在保壓成形過(guò)程中，下料手向模具附近的安全位置開(kāi)始移動(dòng)，上料手則準(zhǔn)備抓取下一張從加熱爐出來(lái)的板材；成形結(jié)束、滑塊開(kāi)始上升后，下料手盡快進(jìn)入抓取零件，并且途中與模具正好不碰撞；上料手抓取加熱的板材后進(jìn)入沖壓機(jī)，與取完零件正在后退的下料手正好不碰撞，以此往復(fù)。若實(shí)現(xiàn)這樣的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，則需要各設(shè)備在自動(dòng)化同期控制系統(tǒng)的控制下協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)（見(jiàn)圖18）。

圖17 沖壓機(jī)、上下料手運(yùn)動(dòng)時(shí)間實(shí)例（工作節(jié)拍=6spm）

圖18 自動(dòng)化熱成形生產(chǎn)線同期控制系統(tǒng)監(jiān)控界面

5 結(jié)束語(yǔ)

熱成形可以制造出高精度、高強(qiáng)度的汽車(chē)零部件，在汽車(chē)產(chǎn)業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。由于自動(dòng)化生產(chǎn)線設(shè)計(jì)的非標(biāo)化，即常需要根據(jù)廠家具體生產(chǎn)情況及產(chǎn)品計(jì)劃進(jìn)行定制化設(shè)計(jì)，且涉及到材料、塑性成形、熱、機(jī)械及電氣等多個(gè)領(lǐng)域，所以實(shí)際設(shè)計(jì)十分復(fù)雜。在本文中，在熱成形的基本工藝原理之外，又通過(guò)列舉關(guān)鍵工藝數(shù)據(jù)，詳細(xì)介紹了組成自動(dòng)化熱成形生產(chǎn)線的重要設(shè)備：加熱爐、沖壓機(jī)、模具和自動(dòng)化搬運(yùn)設(shè)備的選型和設(shè)計(jì)內(nèi)容。未來(lái)自動(dòng)化熱成形生產(chǎn)線發(fā)展的重點(diǎn)在于優(yōu)化工藝，以提高生產(chǎn)效率，降低設(shè)備成本。伴隨著汽車(chē)環(huán)保、輕量化需求的增加，自動(dòng)化熱生產(chǎn)線和熱成形技術(shù)的應(yīng)用也將繼續(xù)得到推廣，且有望在汽車(chē)產(chǎn)業(yè)之外的領(lǐng)域，如軌道交通、工程機(jī)械等領(lǐng)域得到更多 關(guān)注。