方 昕

（江蘇省徐州鍛壓機(jī)床廠集團(tuán)有限公司，江蘇 徐州 221116）

汽車工業(yè)的快速發(fā)展產(chǎn)生了能耗、排放、安全三大問(wèn)題，汽車輕量化是汽車工業(yè)節(jié)能減排的最直接有效的手段。新能源汽車發(fā)展由于電池的能量密度及續(xù)駛里程的限制，輕量化對(duì)新能源汽車尤為重要。更多采用高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度鋼零部件是實(shí)現(xiàn)汽車輕量化和提升安全性的重要途徑。熱沖壓成形是一種生產(chǎn)超高強(qiáng)度汽車零件，且有效避免回彈的先進(jìn)成形技術(shù)，可廣泛應(yīng)用于汽車前、后保險(xiǎn)杠骨架、A柱、B柱等車身安全結(jié)構(gòu)件，在有效減少駕駛艙變形，保護(hù)駕乘人員安全的前提下，可以較大幅度地減少車身重量。熱沖壓成形技術(shù)是支撐汽車輕量化最重要的先進(jìn)加工技術(shù)之一，代表了汽車關(guān)鍵零部件制造技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

國(guó)內(nèi)熱沖壓成形生產(chǎn)線絕大部分依靠進(jìn)口，熱成形生產(chǎn)線控制系統(tǒng)及成形工藝等關(guān)鍵技術(shù)被國(guó)外公司壟斷，價(jià)格居高不下。截止目前國(guó)內(nèi)引進(jìn)生產(chǎn)線60余條，耗資超過(guò)50億元。依據(jù)我國(guó)目前自主品牌汽車產(chǎn)量和對(duì)熱沖壓成形的需求，預(yù)計(jì)到2020年，我國(guó)需要新建50條以上熱沖壓成形生產(chǎn)線。因而，開(kāi)發(fā)具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的熱沖壓成形數(shù)字化生產(chǎn)線，形成我國(guó)專有的熱沖壓裝備制造技術(shù)，提升我國(guó)熱沖壓生產(chǎn)線產(chǎn)業(yè)化裝備的制造水平和能力，平抑進(jìn)口生產(chǎn)線的價(jià)格，滿足國(guó)內(nèi)汽車行業(yè)，尤其是自主品牌廠家對(duì)熱沖壓成形零件快速發(fā)展的需求已是當(dāng)務(wù)之急。

圖1 熱成形零件達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)白車身重量的38%

1 熱沖壓成形技術(shù)

高強(qiáng)度鋼板熱沖壓成形技術(shù)是將特殊的鋼板（常溫下抗拉強(qiáng)度400～600MPa的硼合金鋼板）加熱到奧氏體溫度范圍，快速移動(dòng)到模具，快速?zèng)_壓，在壓機(jī)保壓狀態(tài)下通過(guò)模具對(duì)零件進(jìn)行淬火冷卻，最后獲得超高強(qiáng)度沖壓件（組織為馬氏體，強(qiáng)度在1500 MPa左右甚至更高）的成形工藝。

高強(qiáng)度鋼板熱沖壓成形技術(shù)的原型出現(xiàn)在1980年代，在歐洲經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)期的孕育和發(fā)展，1990年代，由于熱沖壓相關(guān)專利過(guò)期，熱沖壓成形裝備開(kāi)始發(fā)展，出現(xiàn)了高強(qiáng)鋼熱沖壓成形生產(chǎn)線的原型，在2000年之后開(kāi)始應(yīng)用擴(kuò)展，2007年前后進(jìn)入中國(guó)。

2 熱沖壓成形技術(shù)的工藝流程及熱成形生產(chǎn)線的解決方案

（1）落料。整個(gè)工藝流程中的頭道工序，把板料落出所需外輪廓毛坯。

（2）加熱。將鋼板加熱到一個(gè)合適的溫度，使鋼板完全奧氏體化，并且具有良好的塑性。

圖2 熱成形經(jīng)典工藝流程

徐鍛熱成形生產(chǎn)線中所使用的加熱設(shè)備不同于傳統(tǒng)熱成形生產(chǎn)線中的輥底爐，而是創(chuàng)新性的采用了多層箱式爐，由于無(wú)爐內(nèi)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，可靠性優(yōu)于輥底爐。每個(gè)爐層采用獨(dú)立的多點(diǎn)溫控系統(tǒng)和爐內(nèi)氣氛自動(dòng)控制系統(tǒng)，因此可以根據(jù)產(chǎn)量和功能的需要，選擇實(shí)際使用的爐層數(shù)量，也可改變進(jìn)出爐的爐層順序。同時(shí)采用了新設(shè)計(jì)的非線性分區(qū)動(dòng)態(tài)功率分配及控制策略，在不提高總能耗的前提下，使?fàn)t門區(qū)因進(jìn)出料熱交換功率大于爐內(nèi)中、后的能耗損失的能耗得以平衡補(bǔ)充，大大提高加熱系統(tǒng)的自適應(yīng)性和可靠性。如果因爐門機(jī)械手故障，致使某一爐層無(wú)法正常使用的情況發(fā)生時(shí)，由后備程序自動(dòng)改變流程順序，保證生產(chǎn)線繼續(xù)工作。應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)后，同樣生產(chǎn)率和生產(chǎn)節(jié)拍下，加熱爐單層能耗和總能耗，以及維護(hù)成本，遠(yuǎn)低于國(guó)外進(jìn)口輥底爐的工作能耗。

圖3 熱成形生產(chǎn)線多層箱式爐

（3）傳輸。將加熱后的鋼板從加熱爐中取出快速放到模具中去，這一環(huán)節(jié)必須保證速度足夠快，一方面是為了防止高溫下的鋼板氧化，另一方面是為了確保鋼板在成形時(shí)仍然處在較高的溫度下，以具有良好的塑性。

徐鍛熱成形生產(chǎn)線中所使用的傳輸設(shè)備也不同于傳統(tǒng)熱成形生產(chǎn)線中的機(jī)械手，而是采用了多機(jī)械手協(xié)同工作，在單元控制系統(tǒng)和總控系統(tǒng)指令下，保證輸送目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的快速性和可靠性。板料從加熱爐輸送到模具中的過(guò)程由加熱爐下料機(jī)械手和壓力機(jī)上料機(jī)械手共同完成。在交接區(qū)段，熱坯料輸送機(jī)械手是減速過(guò)程，而壓力機(jī)上料機(jī)械手是啟動(dòng)加速過(guò)程，二者的協(xié)同工作，是減少交接同步過(guò)程的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)熱坯料快速上模的關(guān)鍵，如圖4所示。

圖4 機(jī)械手協(xié)同工作過(guò)程

通過(guò)對(duì)2個(gè)機(jī)械手的在線協(xié)同控制，降低了交接過(guò)程的時(shí)間，提高了輸送效率。較國(guó)外同類產(chǎn)品的輸送時(shí)間，從7.9s降低到6.7s，縮短17%的輸送時(shí)間，減少了坯料輸送過(guò)程中的溫度損失，達(dá)到公認(rèn)的最佳熱坯料輸送時(shí)間內(nèi)。

熱成形生產(chǎn)線傳輸系統(tǒng)如圖5所示。

（4）沖壓和淬火。在將熱坯料放進(jìn)模具后，要立即對(duì)熱坯料進(jìn)行沖壓，以免溫度下降過(guò)多影響鋼板的成形性能。成形后模具要合模保壓一段時(shí)間，一方面是為了抑制回彈、控制零件的形狀，另一方面是利用模具中設(shè)置的冷卻水道對(duì)鋼板進(jìn)行淬火，使零件形成均勻的馬氏體組織，獲得良好的尺寸精度和機(jī)械性能。就目前常用的熱沖壓板材而言，實(shí)現(xiàn)奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變的最小冷卻速率為27～30℃/s，因此要保證模具對(duì)板料的冷卻速度大于此臨界值。

圖5 熱成形生產(chǎn)線傳輸系統(tǒng)

目前全球范圍內(nèi)近百條熱沖壓成形生產(chǎn)線中的壓力機(jī)由幾家歐洲供應(yīng)商提供，如瑞典AP&T公司、德國(guó)SCHULER公司等，且均為液壓機(jī)。但由于傳統(tǒng)的液壓機(jī)不具備快速合模、沖壓的功能，單獨(dú)開(kāi)發(fā)的針對(duì)熱成形的快速液壓機(jī)成本極高、噪音大且能耗較高。而傳統(tǒng)的機(jī)械壓力機(jī)又不具備保壓功能，不能滿足熱成形工藝的要求。

徐鍛提出了伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的壓力機(jī)方案，并創(chuàng)新性地采用了多驅(qū)動(dòng)單元并聯(lián)技術(shù)和同步技術(shù)，克服了驅(qū)動(dòng)器單臺(tái)功率不足的困擾，進(jìn)一步提高了壓力機(jī)運(yùn)動(dòng)部件的系統(tǒng)響應(yīng)。近年來(lái)高速發(fā)展的伺服壓力機(jī)，由于取消了飛輪和離合器-制動(dòng)器，用交流同步伺服電機(jī)取代傳統(tǒng)的交流異步電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，并采用數(shù)字控制系統(tǒng)，可使滑塊在運(yùn)行過(guò)程中的速度在任意位置調(diào)整，滑塊的運(yùn)動(dòng)和定位精度高，具有柔性化、高速化和高效率等特點(diǎn)。徐鍛在伺服壓力機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上進(jìn)行了優(yōu)化，采用了高速重載滑動(dòng)絲桿加肘桿的傳動(dòng)布局，完美匹配了熱成形工藝要求，不僅適用于高強(qiáng)度鋼板的沖壓，同時(shí)兼顧了鋁合金的沖壓，實(shí)現(xiàn)了鋼鋁混線生產(chǎn)，是熱沖壓成形生產(chǎn)線中壓力機(jī)的優(yōu)選設(shè)備。

熱成形生產(chǎn)線布置示意圖如圖6所示。

圖6 熱成形生產(chǎn)線的布置示意圖

圖7 熱成形生產(chǎn)線的客戶現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景

（5）后續(xù)處理。在成形件從模具中取出以后，還需要進(jìn)行一些后續(xù)處理，如利用噴丸方式去除零件表面的氧化皮，以及對(duì)零件進(jìn)行激光切邊和鉆孔等。

3 結(jié)束語(yǔ)

徐鍛基于全電機(jī)械伺服壓力機(jī)及多層箱式加熱爐的熱沖壓成形生產(chǎn)線的整體解決方案，極大地提升了我國(guó)熱沖壓生產(chǎn)裝備的整體水平，打破國(guó)外技術(shù)壟斷，更好地滿足國(guó)內(nèi)汽車、航空等行業(yè)對(duì)高性能、高安全性、輕量化的需求。其中大型伺服多連桿沖壓主機(jī)在加工高強(qiáng)度鋼板、鋁合金板材、非等厚焊接鋼板的成形方面有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，比傳統(tǒng)壓力機(jī)節(jié)能50%以上，沖裁噪聲大幅度下降，為新材料的應(yīng)用、推廣以及汽車輕量化降低能耗方面提供了重要的技術(shù)手段；也為新工藝新技術(shù)的開(kāi)發(fā)提供了一個(gè)創(chuàng)新的平臺(tái)。

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