全自動高強(qiáng)鋼間接熱成形生產(chǎn)線(上)

文/張海杰，嚴(yán)建文，李貴閃·合肥合鍛智能制造股份有限公司

近年來，節(jié)能減排的標(biāo)準(zhǔn)在不斷提高，對于交通領(lǐng)域特別是汽車行業(yè)而言，對節(jié)能減排最主要方法之一的輕量化，也提出了更高的要求。

目前廣泛使用高強(qiáng)度鋼板是實現(xiàn)汽車輕量化最常用、也是可行性最高的途徑，但是高強(qiáng)度鋼板的成形加工是普通沖壓技術(shù)無法實現(xiàn)的，特別是抗拉強(qiáng)度1500MPa 以上的超高強(qiáng)度鋼板，普通沖壓工藝完全無法實現(xiàn)成形加工，只能采用熱成形工藝。因此目前熱成形工藝在汽車行業(yè)應(yīng)用最為廣泛。圖1 為熱成形制件在車身上的實際應(yīng)用，紅色零件為現(xiàn)在市場上需求最多、汽車主機(jī)廠使用最廣泛的熱成形零件。生產(chǎn)線，使用一臺32 米輥底爐加熱，搭配3 軸機(jī)械手，實際生產(chǎn)節(jié)拍根據(jù)不同的零件有所差異，大約在3 ～4spm 之間。

熱成形工藝簡介

熱成形工藝是將工件加熱并保溫至材料完全奧氏體化，然后送入特制的水冷模具中，在模具中按一定的速率冷卻，使奧氏體組織轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織，從而使材料強(qiáng)度大幅度提高，并在冷卻過程中利用模具的型腔對工件形狀進(jìn)行約束，消除淬火變形，保證成品具有良好的尺寸精度。

目前熱成形工藝分為兩大類：直接熱成形工藝和間接熱成形工藝。直接熱成形工藝出現(xiàn)的較早，是目前使用比較廣泛的成形工藝；間接熱成形工藝出現(xiàn)的較遲，目前應(yīng)用不多，但是其可加工的產(chǎn)品范圍可以完全覆蓋并超過直接熱成形工藝，具有很高的發(fā)展?jié)摿Γ磥碛型耆〈苯訜岢尚喂に嚒?/p>

直接熱成形工藝

如圖4 所示，直接熱成形工藝的主要工藝流程為：開卷落料線(批量件)或激光切割機(jī)(試驗件)完成落料→送入加熱爐中加熱至奧氏體化→送入壓機(jī)在模具內(nèi)成形→淬火→激光切割切邊割孔→拼裝焊接→防腐處理→清洗涂油。

間接熱成形工藝及特點

間接熱成形工藝是近幾年剛出現(xiàn)的、最新的熱成形工藝，潛力極大，技術(shù)門檻高，目前行業(yè)內(nèi)只有三家企業(yè)掌握間接熱成形技術(shù)。如圖5 所示，間接熱成形工藝的主要工藝流程為：冷沖壓線落料→預(yù)成形→切邊沖孔→送入加熱爐加熱至奧氏體化→送入模具內(nèi)保形→淬火→清洗涂油。

間接熱成形工藝的優(yōu)勢

(1)沒有零件尺寸和形狀限制，可以生產(chǎn)任意形狀和任意拉深深度的零件，所有使用普通冷沖壓工藝和直接熱成形工藝生產(chǎn)的零件均可以使用間接熱成形工藝生產(chǎn)。

(2)在核心淬火環(huán)節(jié)中工件沒有變形過程，模具應(yīng)力分布均勻，工件與模具表面幾乎沒有相對運動，使得模具損耗很小，幾乎不會損傷工件表面。

(3)工件可以使用鋅鍍層板，只有間接熱成形工藝不會導(dǎo)致鍍鋅層損傷。

(4)工序少。1)落料工序和激光切割工序在預(yù)成形工序由冷沖壓線一次完成，提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)線建設(shè)投入；2)取消焊接工序，較大零件如：中通道、前圍、門坎等可以整體加工，一次成形；3)可選擇性取消防腐工序，使用鋅鍍層板的零件無需再做防腐處理，只有裸板需要再次做鍍鋅等防腐處理。

(5)可以較容易的控制不等強(qiáng)度板的成形過程，保證成品質(zhì)量穩(wěn)定性，實現(xiàn)不等強(qiáng)度板的批量生產(chǎn)。

間接熱成形生產(chǎn)線介紹

間接熱成形生產(chǎn)線一般由以下設(shè)備構(gòu)成。

(1)冷沖壓線。間接熱成形生產(chǎn)線配套的預(yù)成形沖壓線為通用型的冷沖壓線，并非間接熱成形工藝專用設(shè)備；一條冷沖壓線即可完成落料、預(yù)成形、切邊沖孔三道工序，也無需專門的開卷落料線。冷沖壓線的工藝流程為：落料/淺拉深→深拉深→切邊、沖孔→整形。

(2)自動化搬運系統(tǒng)。自動化搬運系統(tǒng)是以機(jī)器人或機(jī)械手為核心，包含端拾器、對中裝置等部件以及生產(chǎn)線總控系統(tǒng)。

(3)熱成形壓機(jī)。目前間接熱成形壓機(jī)均為液壓機(jī)，其他類型的壓機(jī)暫時無法滿足間接熱成形工藝特性的要求。

(4)加熱爐。間接熱成形的加熱爐目前也分為箱式爐和輥底爐兩種，均采用輻射加熱方式，間接熱成形生產(chǎn)線的分類也是以加熱爐種類進(jìn)行分類。

(5)水冷模具。間接熱成形水冷模具的體積大，型面形狀復(fù)雜、起伏幅度大，設(shè)計和加工難度均高于其他類模具。

以上設(shè)備中除了冷沖壓線為通用設(shè)備外，其余四類設(shè)備均為專用設(shè)備，同時這四類設(shè)備也是間接熱成形生產(chǎn)線的核心設(shè)備。

間接熱成形生產(chǎn)線是全自動、智能化的生產(chǎn)線。生產(chǎn)線的所有設(shè)備均采用PLC 控制，同時使用總線技術(shù)進(jìn)行設(shè)備之間的相互通信，并有一臺裝載了總控系統(tǒng)的上位機(jī)對所有設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)籌調(diào)度，協(xié)調(diào)各設(shè)備間的工作狀態(tài)，保證整條生產(chǎn)線的穩(wěn)定、有序、可靠運行。生產(chǎn)線的所有工序和工件序間轉(zhuǎn)運環(huán)節(jié)均可實現(xiàn)無人干預(yù)的自動化生產(chǎn)，只有在線首裝填原料和線尾取走成品需要人工完成，中間過程可以全部自動完成。

生產(chǎn)線可以實現(xiàn)智能化生產(chǎn)，如：自動換模、換端拾器、換料架等。此外，還可以自動檢測并排出中間工序產(chǎn)生的不合格件；記錄每個工件在每個工序時對應(yīng)設(shè)備的工作狀態(tài)，實現(xiàn)每個工件的質(zhì)量追溯。

間接熱成形生產(chǎn)線的分類

高強(qiáng)鋼間接熱成形生產(chǎn)線的分類也是以加熱爐的類型進(jìn)行分類，目前也分為兩大類：箱式爐生產(chǎn)線和輥底爐生產(chǎn)線。

圖6 所示為箱式爐生產(chǎn)線。箱式爐生產(chǎn)線通常由以下部分組成：(1)單層或多層箱式加熱爐。工件為成形件而非板料，每層爐膛的尺寸比直接熱成形加熱爐要大一些，加熱爐的整體尺寸也更大。(2)以6 軸或7 軸機(jī)器人為核心的自動化系統(tǒng)。工件形狀復(fù)雜且是三維體，自動化系統(tǒng)的端拾器、進(jìn)/出爐機(jī)構(gòu)和對中系統(tǒng)要復(fù)雜很多。(3)熱成形壓機(jī)。間接熱成形工藝可以做復(fù)雜、大型、深拉深件，壓機(jī)的噸位、臺面、工藝動作等均有所不同，技術(shù)難度更高。

圖7 所示為輥底爐生產(chǎn)線。輥底爐生產(chǎn)線通常由以下部分組成：(1)雙層輥底式加熱爐。工件為成形件而非板料，工件傳送不能使用輥棒直接傳送，需要使用專用料架，加熱爐分兩層，下層加熱，上層用于料架返回線首。(2)以單臂或雙臂機(jī)械手為核心的自動化系統(tǒng)。工件形狀復(fù)雜且是整體件，重量較大，需要高負(fù)重的快速機(jī)械手。(3)熱成形壓機(jī)。壓機(jī)要求與箱式爐生產(chǎn)線相同。

間接熱成形生產(chǎn)線的特點

(1)工藝適應(yīng)性好。

工藝兼容性好，所有直接熱成形生產(chǎn)線可以加工的零件均可以放在間接熱成形生產(chǎn)線上加工；間接熱成形零件尺寸不受限制，大型零件可以整體熱成形、不用分段，熱成形加工后直接焊接；零件所用板材不受限制，裸板、鋁硅鍍層板、鋅鍍層板均可加工，其中鋅鍍層板只能用間接熱成形加工，可以完全取代直接熱成形生產(chǎn)線。

(2)工序更少，總成本更低。

直接熱成形工序從開卷落料開始至成品件出廠一共6 道(鍍層板)或7 道(裸板)工序，而間接熱成形工序從開卷落料開始至成品件出廠一共3 道(鋅鍍層板)或5 道(裸板)工序，總工序少2 ～3 道，且由于淬火后的高硬度工件不用進(jìn)行切邊沖孔，因此生產(chǎn)效率更高、設(shè)備投入更少，因此間接熱成形生產(chǎn)線的加工成本比直接熱成形生產(chǎn)線更低。

(3)生產(chǎn)線核心設(shè)備技術(shù)難度高。

因間接熱成形的毛坯件均為成形件，所以生產(chǎn)線的各核心設(shè)備與直接熱成形工藝有所區(qū)別。如圖8 所示，箱式爐的爐膛容積更大，熱能計算更復(fù)雜；輥底爐需要雙層往復(fù)式結(jié)構(gòu)，機(jī)械結(jié)構(gòu)更復(fù)雜；自動化機(jī)器人和機(jī)械手的端拾器結(jié)構(gòu)和負(fù)重要求遠(yuǎn)高于直接熱成形的設(shè)備，運動速度和運動穩(wěn)定性的要求更高；壓機(jī)的尺寸、重量更大，工藝曲線實現(xiàn)難度高，大質(zhì)量體的運動控制、慣性控制難度更高。

(4)占地面積大。

相對直接熱成形生產(chǎn)線來說，間接熱成形生產(chǎn)線由于加熱爐（箱式爐、輥底爐）尺寸更大；自動化搬運系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)多，單個機(jī)構(gòu)的體積大；壓機(jī)的噸位、臺面更大，因此間接熱成形生產(chǎn)線的總占地面積要比直接熱成形生產(chǎn)線更大、更高。例如，同樣是箱式爐生產(chǎn)線，直接熱成形生產(chǎn)線占地約26m×15m，而間接熱成形生產(chǎn)線占地約46m×18m。