熱沖壓成形技術與設備的發展趨勢

文/任曉琪·東營廣大金科機器人有限公司

作為解決“環境”及“安全”問題的重要方法之一，各汽車公司將高強度鋼等材料用于車身骨架，在保證車身強度和剛度的同時減輕重量，并帶來汽車車身的抗撞性能和抗變形性能的提高，由此顯著提高汽車的安全性。與該材料配套的熱沖壓成形技術和設備，近年來得到了迅猛的發展。

板材熱沖壓成形技術

熱沖壓技術一般用于開放型截面（板材）材料成形，也可以用于封閉型界面（管件）材料成形，本文主要介紹板材的熱成形。板材熱沖壓成形存在兩種成形方法：直接熱沖壓和間接熱沖壓成形，如圖1所示。直接熱沖壓成形技術，一般是將板材加熱到再結晶溫度以上，內部組織呈現出奧氏體態（此時板材的流動應力極大降低），然后進行沖壓成形，沖壓后在合模狀態快速冷卻，使得板材內部組織轉化為淬火態的馬氏體從而提高其強度。間接熱沖壓成形主要針對于沖壓深度深、成形難度大的零件，先使用冷沖壓進行預成形，隨后進行熱沖壓成形最終得到所需零件的形狀尺寸及強度。

熱成形裝備及工裝

熱成形生產工藝的不斷完善，帶來了裝備的不斷更新。隨著國內熱成形線的快速推廣，裝備國產化已經是既成事實。

目前，熱成形專用高速液壓機已實現國產化，主要廠家有合鍛、天鍛、徐鍛、重慶江東機械等，壓機主參數之一的滑塊下行速度已突破1000mm/s，遠超進口壓機剛進入中國時600mm/s的下行速度，臺面尺寸一般為3000mm×2500mm。

加熱爐分為輥底式加熱爐、箱式加熱爐兩大類，加熱方式主要采用電加熱。作為整條沖壓線的消耗大戶，輥底爐制造商中，施瓦茨、本特勒是進口設備的代表；國內北京機電所、大王金泰熱成形項目部均開發出適用于大批量生產的國產輥底式加熱爐。

多層箱式爐生產線具有占空間小、產能要求相對不高的特征，主要應用于模具廠、鋼鐵廠、高校科研所、汽車設計公司等單位。但是隨著汽車制造業的轉型，原先大批量產的汽車制造模式逐漸演化為小批量產，尤其是新能源汽車的興起，為熱沖壓技術的推廣提供了廣闊的舞臺，造成箱式爐生產線的崛起，我公司為國內熱成形用戶提供了近二十臺箱式加熱爐及全套自動化系統，如圖2所示。

圖1 板材熱沖壓成形技術原理過程

圖2 多層箱式加熱爐送料機構

隨著熱沖壓技術的不斷普及應用，早期設備的老化和功能上的缺失對沖壓生產造成影響。我公司率先在國內開展了老生產線維護保養與性能升級的業務，對早期的生產線進行保養維護和功能升級。

歐洲企業壟斷時，一套兩腔的熱成形模具市場價大約是400萬元。目前，國內模具企業如上海凌云汽車模具、天汽模、吉林元隆達等立足自主研發，熱沖壓行業已基本擺脫了依賴國外進口模具。同時，博匯、江東、同捷、科正、輝泰等模具公司也紛紛進軍熱成形行業。2015年，我公司提供的熱成形試模線設備，采用了一臺單層加熱爐配自動化搬運設備，如圖3所示。

企業自從采用了該設備，當年熱成形模具銷售額就完成了3000萬元，而他們只有二十多名員工。隨著時間的推移，該模具廠逐漸成長，2年后，采購了我公司的第二代試模線設備，配有三層加熱爐和自動化的試模線設備，如圖4所示。該公司的熱成形模具年度銷售額達到了1.5億元，團隊員工增加到了60人，而這時模具的價格跌到了200萬元。

圖3 第一代熱成形試模線設備

圖4 三層箱式電加熱爐

目前，國內沖壓企業（如凌云股份、上海屹豐、賽科利、博匯、天汽模、華翔等）擁有近50條熱沖壓生產線，絕大部分生產設備采用國內自主生產配套，極大降低了熱沖壓零件的制造成本。

未來技術的發展

管類零件的熱成形，需要在一個零件上實現不同部位強度不同，目前采用了開弱化孔、不等厚板激光拼焊、變厚度軋制等技術，采用均一材質的梯度強度熱沖壓零件可以簡化制造流程、降低成本。目前國內有凌云股份、我公司及其他單位在合作研發該產品，包括軟區線性過渡產品（圖5）。

實現該項技術的工藝手段有多種，性價比和可靠性最理想的方案是在構建一種合理的加熱爐，該種加熱爐將擁有梯度強度（軟區）功能、并線生產管類氣脹熱成形零件功能等，我們的方案是設計各種功能模塊，將這些功能模塊整合到加熱爐內或外部，并可以將功能模塊添加到已有的生產線中。

圖5 軟區零件工藝要求

結束語

熱成形技術是源自超強鋼板的一種加工技術，采用形變與相變結合的制造工藝。目前國內在鋁板沖壓方面也采用類似的技術，來提高零件的強度和成形性。鋁板熱沖壓技術的核心之一是加熱技術，如蔚來汽車、同捷汽車等公司就已經實現了7系鋁板的熱沖壓成形。但是，由于鋁板熱處理中液相擴散較慢、溫度窗口窄等原因，常規的加熱手段很難在效率和質量把控上取得滿意的效果。為此，采用對流加熱方式或接觸式加熱方式可有效改善固溶效果，而研究一種新型的鋁合金材料，縮短固溶處理時間，改變時效處理要求，才是推動鋁合金熱成形應用的理想方案。