基于全電伺服壓力機及多層箱式加熱爐的熱沖壓成形生產線整體解決方案

方 昕

（江蘇省徐州鍛壓機床廠集團有限公司，江蘇 徐州 221116）

汽車工業的快速發展產生了能耗、排放、安全三大問題，汽車輕量化是汽車工業節能減排的最直接有效的手段。新能源汽車發展由于電池的能量密度及續駛里程的限制，輕量化對新能源汽車尤為重要。更多采用高強度鋼和超高強度鋼零部件是實現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超高強度汽車零件，且有效避免回彈的先進成形技術，可廣泛應用于汽車前、后保險杠骨架、A柱、B柱等車身安全結構件，在有效減少駕駛艙變形，保護駕乘人員安全的前提下，可以較大幅度地減少車身重量。熱沖壓成形技術是支撐汽車輕量化最重要的先進加工技術之一，代表了汽車關鍵零部件制造技術的發展趨勢。

國內熱沖壓成形生產線絕大部分依靠進口，熱成形生產線控制系統及成形工藝等關鍵技術被國外公司壟斷，價格居高不下。截止目前國內引進生產線60余條，耗資超過50億元。依據我國目前自主品牌汽車產量和對熱沖壓成形的需求，預計到2020年，我國需要新建50條以上熱沖壓成形生產線。因而，開發具有我國自主知識產權的熱沖壓成形數字化生產線，形成我國專有的熱沖壓裝備制造技術，提升我國熱沖壓生產線產業化裝備的制造水平和能力，平抑進口生產線的價格，滿足國內汽車行業，尤其是自主品牌廠家對熱沖壓成形零件快速發展的需求已是當務之急。

圖1 熱成形零件達到標準白車身重量的38%

1 熱沖壓成形技術

高強度鋼板熱沖壓成形技術是將特殊的鋼板（常溫下抗拉強度400～600MPa的硼合金鋼板）加熱到奧氏體溫度范圍，快速移動到模具，快速沖壓，在壓機保壓狀態下通過模具對零件進行淬火冷卻，最后獲得超高強度沖壓件（組織為馬氏體，強度在1500 MPa左右甚至更高）的成形工藝。

高強度鋼板熱沖壓成形技術的原型出現在1980年代，在歐洲經過了長期的孕育和發展，1990年代，由于熱沖壓相關專利過期，熱沖壓成形裝備開始發展，出現了高強鋼熱沖壓成形生產線的原型，在2000年之后開始應用擴展，2007年前后進入中國。

2 熱沖壓成形技術的工藝流程及熱成形生產線的解決方案

（1）落料。整個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 熱成形經典工藝流程

徐鍛熱成形生產線中所使用的加熱設備不同于傳統熱成形生產線中的輥底爐，而是創新性的采用了多層箱式爐，由于無爐內運動機構，可靠性優于輥底爐。每個爐層采用獨立的多點溫控系統和爐內氣氛自動控制系統，因此可以根據產量和功能的需要，選擇實際使用的爐層數量，也可改變進出爐的爐層順序。同時采用了新設計的非線性分區動態功率分配及控制策略，在不提高總能耗的前提下，使爐門區因進出料熱交換功率大于爐內中、后的能耗損失的能耗得以平衡補充，大大提高加熱系統的自適應性和可靠性。如果因爐門機械手故障，致使某一爐層無法正常使用的情況發生時，由后備程序自動改變流程順序，保證生產線繼續工作。應用該項技術后，同樣生產率和生產節拍下，加熱爐單層能耗和總能耗，以及維護成本，遠低于國外進口輥底爐的工作能耗。

圖3 熱成形生產線多層箱式爐

（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，這一環節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。

徐鍛熱成形生產線中所使用的傳輸設備也不同于傳統熱成形生產線中的機械手，而是采用了多機械手協同工作，在單元控制系統和總控系統指令下，保證輸送目標運動的快速性和可靠性。板料從加熱爐輸送到模具中的過程由加熱爐下料機械手和壓力機上料機械手共同完成。在交接區段，熱坯料輸送機械手是減速過程，而壓力機上料機械手是啟動加速過程，二者的協同工作，是減少交接同步過程的時間，實現熱坯料快速上模的關鍵，如圖4所示。

圖4 機械手協同工作過程

通過對2個機械手的在線協同控制，降低了交接過程的時間，提高了輸送效率。較國外同類產品的輸送時間，從7.9s降低到6.7s，縮短17%的輸送時間，減少了坯料輸送過程中的溫度損失，達到公認的最佳熱坯料輸送時間內。

熱成形生產線傳輸系統如圖5所示。

（4）沖壓和淬火。在將熱坯料放進模具后，要立即對熱坯料進行沖壓，以免溫度下降過多影響鋼板的成形性能。成形后模具要合模保壓一段時間，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置的冷卻水道對鋼板進行淬火，使零件形成均勻的馬氏體組織，獲得良好的尺寸精度和機械性能。就目前常用的熱沖壓板材而言，實現奧氏體向馬氏體轉變的最小冷卻速率為27～30℃/s，因此要保證模具對板料的冷卻速度大于此臨界值。

圖5 熱成形生產線傳輸系統

目前全球范圍內近百條熱沖壓成形生產線中的壓力機由幾家歐洲供應商提供，如瑞典AP&T公司、德國SCHULER公司等，且均為液壓機。但由于傳統的液壓機不具備快速合模、沖壓的功能，單獨開發的針對熱成形的快速液壓機成本極高、噪音大且能耗較高。而傳統的機械壓力機又不具備保壓功能，不能滿足熱成形工藝的要求。

徐鍛提出了伺服驅動技術的壓力機方案，并創新性地采用了多驅動單元并聯技術和同步技術，克服了驅動器單臺功率不足的困擾，進一步提高了壓力機運動部件的系統響應。近年來高速發展的伺服壓力機，由于取消了飛輪和離合器-制動器，用交流同步伺服電機取代傳統的交流異步電機直接驅動，并采用數字控制系統，可使滑塊在運行過程中的速度在任意位置調整，滑塊的運動和定位精度高，具有柔性化、高速化和高效率等特點。徐鍛在伺服壓力機的結構設計上進行了優化，采用了高速重載滑動絲桿加肘桿的傳動布局，完美匹配了熱成形工藝要求，不僅適用于高強度鋼板的沖壓，同時兼顧了鋁合金的沖壓，實現了鋼鋁混線生產，是熱沖壓成形生產線中壓力機的優選設備。

熱成形生產線布置示意圖如圖6所示。

圖6 熱成形生產線的布置示意圖

圖7 熱成形生產線的客戶現場實景

（5）后續處理。在成形件從模具中取出以后，還需要進行一些后續處理，如利用噴丸方式去除零件表面的氧化皮，以及對零件進行激光切邊和鉆孔等。

3 結束語

徐鍛基于全電機械伺服壓力機及多層箱式加熱爐的熱沖壓成形生產線的整體解決方案，極大地提升了我國熱沖壓生產裝備的整體水平，打破國外技術壟斷，更好地滿足國內汽車、航空等行業對高性能、高安全性、輕量化的需求。其中大型伺服多連桿沖壓主機在加工高強度鋼板、鋁合金板材、非等厚焊接鋼板的成形方面有獨特優勢，比傳統壓力機節能50%以上，沖裁噪聲大幅度下降，為新材料的應用、推廣以及汽車輕量化降低能耗方面提供了重要的技術手段；也為新工藝新技術的開發提供了一個創新的平臺。

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