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?這是金屬加工（mw1950pub）發布的第15345篇文章編者按隨著環保、安全因素對車輛的限制越發嚴格，高強度熱沖壓成形零件在車輛制造中的比重也逐漸提高，已成為車輛白車身構造不可或缺的重要組成。在介紹熱成形技術基本原理的基礎上，通過列舉關鍵工藝數據，對汽車零部件自動化生產線的主要構成設備，包括加熱爐、沖壓機、沖壓模具和自動化搬送設備的選型及相關設計內容作了詳細介紹。1熱成形技術概述熱沖壓成形（HotStamping，或Hot-PressForming，以下簡稱熱成形）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中經沖壓成形，同時在模具中快速冷卻進行淬火，最終得到高強度零件。這一技術最早在1977年由瑞典公司Plannja申請專利，并應用于生產除草機的鋸片。隨后在1984年，另一家瑞典公司——薩博汽車公司利用這一工藝制造了薩博9000汽車的防沖擊側梁，這是熱成形技術第一次被應用于汽車工業[1]。當今，熱成形產品如高強度硼鋼汽車零件在汽車車體結構件，即白車身上的應用已十分廣泛，例如，以安全著稱的沃爾沃，在2010年款S60的白車身中應用了14.2%的熱成形零件，而在2015年款XC90的白車身中，這一占比提高到了38%（見圖1）。圖12015款沃爾沃XC90白車身結構2021年上市的11代本田思域，在A柱（前立柱）、B柱（中立柱）、上下側梁部位，也均使用了抗拉強度＞1400MPa的熱成形零件（見圖2）。目前，汽車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、門檻及車頂側梁等[2]。圖2第11代本田思域白車身結構汽車熱成形零件的普及，主要得益于這一技術的最大優點：高強度。一方面，高強度零件的應用可以提高車體整體結構的強度和剛度，有利于整車碰撞安全性和NVH（噪聲、振動與聲振粗糙度）表現。在熱成形鋼之外，廣泛應用于白車身的傳統冷沖壓用鋼，如DP-CP（雙相-復相）鋼，TRIP（相變誘導塑性）鋼等超高強度鋼的抗拉強度在1000MPa左右，而經淬火后的熱成形鋼抗拉強度可達1500MPa，是一般冷沖壓超高強度鋼的1.5倍（見圖3）。圖3各種鋼抗拉強度-伸長率關系未來，更高強度級別的熱成形鋼會得到繼續推廣，如長城哈弗汽車在其2020年發布的檸檬造車平臺中，就提出以2000MPa熱成形鋼取代1500MPa級熱成形鋼。另一方面，高強度材料的應用意味著在不降低安全性的同時可以采用更少的材料，達到降低汽車重量的輕量化目的。在燃油車時代，車輛的輕量化就一直是車企的主要研究方向之一。有數據指出，車輛整備質量每減重100kg，百公里油耗可降低0.3～0.6L，同時每公里的CO2排放量最低可以減少15g（見圖4）。圖4汽車重量-CO2排放關系因此，車輛輕量化不僅可以提高使用經濟性，而且對能源節約、環境保護也將起到積極作用。此外，更輕的整車重量也有利于車輛加速、制動和耐久性等性能的提升。根據國際鋁業協會的研究結果，車輛質量減輕10%，制動距離可減少5%，轉向力減小6%，行駛穩定性更好。進入新能源電動車時代，車輛輕量化依然十分重要。大容量電池就像一柄雙刃劍，在使電動車滿足長距離續航的同時，卻也極大增加了車輛的重量，進而影響到能耗表現、制動性能以及操控性等。除了能借助高強度來提高安全性、實現輕量化這一主要優點之外，相較于傳統冷沖壓成形，熱成形技術還有如下優勢。1）改善沖壓成形性，提高零件質量。因為熱成形鋼是在高溫狀態下被投入沖壓機模具進行沖壓的，此時材料具有較好的拉伸性能和流動性，因此幾何成形性能很好，尺寸精度高，滿足了各種零件需求。在冷沖壓中需要多次沖壓成形的復雜形狀，若利用熱成形則只需一次沖壓，從而節約了設計成本，也有利于降低設備的投資與維護成本。2）高強度鋼材料的冷沖壓成形零件存在回彈問題，且強度越高，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題（見圖5）。圖5冷沖壓與熱成形零件回彈對比3）降低了沖壓機的噸位要求。同樣得益于高溫下材料優秀的成形性，相較于冷沖壓則可以選擇更低的沖壓機噸位，以節省高昂的設備成本；同時減少了生產時的振動噪聲并改善工作環境。可選擇熱成形沖壓機噸位為500～1200t[2]。得益于上述優點，熱成形技術在汽車零部件制造中得到了普及。相關數據顯示，從2000年全世界不足30條熱沖壓生產線，到2016年時，已發展到超過300條熱沖壓生產線投入運行，而在我國也已建成50余條熱沖壓生產線。當然，熱成形也存在著如下劣勢。（1）整線投資成本仍相對較高雖然熱成形工藝中只需一次沖壓成形，且沖壓機噸位相較于傳統冷沖壓低，但因為加入了加熱環節，所以需要增設加熱爐；為應對高溫材料及提供淬火功能，熱成形用模具也需要特殊設計；根據使用的材料特性，后續還需要加入激光切割設備等。尤其當下很多設備還以進口為主，因此一條自動化熱成形沖壓生產線的投資額可達6000萬～1億元。比如，2020年優尼沖壓（Unipress）在花都工廠新增一條高規格熱成形自動化生產線，裝備及廠房的投資額達到了1.5億元。但隨著熱成形技術的成熟及國內相關企業在研發上的突破，相信熱成形生產線成本必將進一步降低，而國產生產線也將達到普及。（2）生產節拍慢由于熱處理工藝的引入，沖壓機需要一定保壓時間來完成成形及淬火，因此熱成形整線的生產節拍普遍在4～6spm（stockperminute，每分鐘沖壓次數）。而冷沖壓成形線的生產節拍一般都在10spm以上，比如車身覆蓋件的生產節拍可達15spm以上，這是現有熱成形生產線暫時難以達到的。為提高熱成形生產線效率，相繼研發出多步沖壓、冷卻水直冷模具等新技術，未來熱成形線生產節拍有望突破10spm。2熱成形技術原理熱成形的主要目的在于使沖壓零件得到強度較高的馬氏體組織，而其技術點主要在于兩方面：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化為奧氏體。常見熱成形鋼的wC在0.21%左右，同時加入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（化學成分見表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（一般設定為900～950℃），并保溫3～5min，在整體加熱爐中的加熱時間為5～8min，可得到均勻的奧氏體組織[3]。表122MnB5鋼化學成分（質量分數）（%）其次，將處于高溫的熱成形鋼投入沖壓機，在壓制成形的同時利用模具的冷卻系統快速冷卻，達到淬火的目的，以得到高強度馬氏體組織。因此，熱成形鋼也被稱為沖壓硬化鋼（PressHardenedSteel，PHS）。加熱前22MnB5鋼的抗拉強度為550～700MPa，經沖壓硬化后抗拉強度就達到了1300～1600MPa。淬火的實現主要取決于冷卻速度，根據奧氏體連續冷卻組織轉變曲線（見圖6），由奧氏體穩定得到馬氏體的冷卻速度應＞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奧氏體連續冷卻組織轉變曲線3自動化熱成形生產線組成為順利實現熱成形，需要生產線中各裝置各司其職、相互配合。一條自動化熱成形生產線主要由加熱爐（見圖7）、沖壓機（見圖8）以及自動化裝置構成[4]。其中，自動化裝置又包括拆垛機（或裝載機，見圖9）以及沖壓上下料手（見圖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圖9典型桁架式拆垛機圖10典型沖壓機上料手一種典型的工藝流程，或者說材料的流動方向：拆垛機負責將疊放成料垛的熱成形板材一張張地取出放入加熱爐，經加熱爐加熱后的板材被上料手迅速投入沖壓機，然后板材通過沖壓成形并淬火后得到的高強度部件再由下料手從沖壓機取出，搬入質量檢查、激光切割等后續處理工序（見圖11）。圖11典型熱成形生產線工藝流程4熱成形生產線的關鍵技術設計自動化熱成形生產線的組成裝備有很多，這里僅介紹其中關鍵的材料、加熱爐、沖壓機、模具和自動化搬運設備的相關設計。4.1熱成形板材目前，汽車零部件中最常用的熱成形鋼是22MnB5。1997年前，應用于熱成形的板材為無鍍層板，這種裸板成本低、焊接性好，但加熱過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增大鋼板與模具的摩擦系數，降低模具的使用壽命，且氧化鐵皮也會影響后續涂裝工序，同時鋼板氧化還會發生脫碳現象。因為材料的強度與碳含量息息相關，所以脫碳會導致鋼板強度下降。因此，在裸板加熱過程中，需要保護氣氛來減少氧化程度，而在沖壓成形后對零件還要進行噴丸處理，以去除氧化鐵皮，提高零件表面質量。但是，裸板零件的厚度最好選擇1.2mm以上，否則拋丸會使零件產生較大變形且無法控制。另外，無鍍層板材制成零件的抗腐蝕性也較差，易于生銹，因此在儲存時還需要表面涂油。但保護氣氛、拋丸涂油等，都增加了使用裸板的熱成形生產成本。鋼鐵制造巨頭的安賽樂米塔爾公司（ArcelorMittal）于1999年成功開發了Al-Si（鋁硅）鍍層硼鋼，并取得相應專利。Al-Si鍍層的存在有效解決了高溫下板材的表面氧化問題，因此可以省去保護氣氛和噴丸工序。同時，Al-Si鍍層板可以減少沖壓時的摩擦系數，提高成形性，減少模具磨損，在模具保護、零件尺寸精度、甚至耐蝕性等方面也表現出優異性能，從而迅速得到了推廣和應用。但Al-Si鍍層板也存在一些缺點：首先作為專利產品，Al-Si鍍層板的購買成本較高，相較于裸板，每公斤鍍層板價格要高1.5元以上。以一輛車的白車身（700kg）采用30%熱成形板材計算，選擇鍍層板就比裸板要增加成本315元。對于年產量10萬輛以上的車企來說，每年就是一筆不小的成本支出。另外，鍍層板對于加熱速度比較敏感。在快速加熱時，由于鍍層和基體鋼板的膨脹系數不同，容易因變形不均勻產生微裂紋，影響隨后的沖壓性能以及油漆涂層的表面質量和光鮮性[1]。此外，Al-Si鍍層板還存在黏輥問題。當加熱到一定溫度時，鍍層易與加熱爐陶瓷輥黏結，增加了加熱爐的維護使用成本。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-DippedGalvanized）板，以及熱鍍鋅合金化鍍層GA（Galvannealed）板。GI板是表面鍍鋅板，通過在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500～550℃熱處理，讓鋼基體中的Fe與Zn相互擴散，在表面形成鋅鐵合金相層的鍍層。Zn作為陽極存在，可以保護處在陰極的鋼，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，不會像Al-Si鍍層板樣產生微裂紋，但因為Zn的熔點較低，加熱過程中可能會滲入到鋼材基體中，誘發脆性，導致在沖壓時產生微裂紋，影響成品質量，所以鍍鋅板的加熱溫度不宜過高。海斯坦普公司（Gestamp）開發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。不過鍍鋅板在加熱后表面仍會產生一些氧化物，因此通常在熱成形之后零件依然要進行噴丸處理。綜合考慮生產全成本、產品質量等，毫無疑問Al-Si鍍層板的優勢依然明顯。因此，Al-Si鍍層板仍然是當今應用最多的熱成形板材（見圖12）。圖12生產中的Al-Si鍍層板除22MnB5鋼外，以安賽樂米塔爾可提供的熱成形用鋼為例，既有USIBOR15002000這類硼鋼（wB＜0.005%），也有抗拉強度稍低的DUCTIBOR450500這類低合金鋼（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鋼為例進行介紹。因為并不是零件每個位置強度、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，可根據車身強度和剛度要求定制的變強度熱成形零件的應用也逐漸普及。變強度的實現有利于縮減材料用量，進一步推進車輛車體輕量化。用來制作變強度熱成形零件的板材主要包括激光拼焊板（TailorWeldedBlank，TWB），軋制差厚板（TailorRollingBlank，TRB），補丁板（Patch-WorkBlank,PB）和軟硬分區等厚變強度板（SoftZone）[5]，其中，應用較廣泛的是TWB與TRB。TWB是采用激光焊接技術把不同厚度、不同表面鍍層甚至是不同原材料的金屬薄板焊接在一起，然后再進行沖壓制作成各種零件，可在同一板料的不同部位實現不同的厚度、強度，與傳統等厚度板材相比，其減重效果可達20%。由于TWB可以根據強度功能設計需要進行任意拼接，因而具有極大的靈活性。其最大的優勢就是減少了零件數量，從而不僅優化了結構和生產裝配工藝，而且可減少所需模具數量，提高生產效率，優化落料配置，提高材料利用率，大大降低整車制造及裝配成本。由于產品的不同零件在成形前即通過激光焊接在一起，因而提高了產品的整體精度，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，這使回彈預測、模具設計制造、焊縫移動控制成為新的研究課題。而焊縫引起的材料硬化現象，不僅使焊縫的開裂成為影響拼焊板零件質量的因素之一，而且影響后續的成形，加之焊縫無法在外觀上完全消除，使TWB不適宜作為車身外覆蓋件。應用TWB最多的是B柱、縱向承載梁等需要高強度的零件。TRB軋制差厚板最早由德國亞琛工業大學金屬成形研究所（IBF）開發，核心技術是“柔性軋制”：通過實時控制軋鋼機軋輥的位置來調整其間距，從而使軋制出的板材在沿軋制方向上具有預先根據載荷變化特點來設計的變厚度形狀。相對于TWB來說，TRB具有下列優點。1）TRB零件的厚度是連續變化的，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力峰值和因焊縫引起的硬化區域，因此具有良好的成形性能。3）TRB沒有焊縫難以彌蓋的缺陷，表面質量好，可以作為汽車車身的外覆蓋件使用。4）TRB過渡區光滑連接，模具設計相對簡單。5）在零件生產和制作工藝方面，TRB工藝操作也與普通的等厚度板材的成形基本相同，可連續性生產，生產效率高。6）TRB的制造成本不受厚度過渡區數量的影響，而TWB的制造成本則隨著焊縫數量的增加而增加，所以在成本方面相比多條焊縫的TWB板具有明顯的競爭優勢。不過由于TRB板材是由單一材料整塊軋制而來，因而不能實現不同材質的拼接，在多種形狀拼接時也表現出靈活性不足。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也主要應用于B柱、橫梁縱梁等零件，多見于歐系車輛。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丁一樣對構件局部起到加強結構承載能力的作用。SoftZone是在厚度不變情況下，通過局部加熱實現不同部位的強度高低分布。與TWB和TRB相比，上述兩種變強度板的減重效果都較差。由此可見，投入到加熱爐、沖壓機的板材形狀并不是規則的，會根據最終成形零件的形狀進行設計。對于常見等厚度熱成形板材，一般是從矩形板材或卷材上沿一定輪廓剪裁而來，這一工序就是沖壓工藝中的落料，在沖裁出形狀的同時也為后續工序提供了可靠的定位基準。熱處理前的硼鋼強度為550～700MPa，因此落料可以使用沖壓機冷沖壓進行。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被送入下一工序中進行焊接。最后，將這些板材一張張堆疊起來成為垛料進行保存。4.2加熱爐加熱爐的作用是加熱熱成形鋼板材，并保溫一段時間以保證得到均勻的奧氏體組織。一臺典型加熱爐的技術參數見表2。表2典型熱成形加熱技術參數輥底式加熱爐是最常見的加熱爐形式（見圖7），90%的熱成形生產線會采用這種加熱爐。輥底式加熱爐有長條狀腔體，腔體內部沿加熱爐長度方向每隔一定距離設置有陶瓷材質的耐熱輥，板材的輸送通過輥的轉動來實現。腔體兩端設置有可自動開閉的爐門，起到隔絕保溫的作用，加熱爐兩端還設置有用于板料進出的傳輸帶。出口處傳輸帶高速運轉，并設置有材料位置對中及舉升裝置，以幫助自動化設備更快速準確地抓取板材[4]。輥底式加熱爐的腔體為模塊化設計，可根據生產節拍來調整組合加熱爐的長度。輥底式加熱爐可采用的加熱方式有燃氣加熱和電加熱：燃氣加熱是在耐熱輥的上方和下方的爐膛內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散到板材上引起氫脆、裂紋等材料失效問題。電加熱則是利用纏繞在爐輥或其他陶瓷管上的加熱線圈，對板材進行加熱。電加熱的優點在于加熱速度快，加熱效率較高，但電加熱的能耗成是燃氣加熱式的2倍以上，因此最常用的加熱方式依然是燃氣加熱。除上述兩種輻射加熱及燃氣與電加熱混合應用外，還有直接通電加熱及感應加熱方式，但因為加熱速度控制困難，加熱不均勻等問題都還處于應用試驗階段。輥底式加熱爐的腔體中由于可以應用保護氣氛，所以無論是Al-Si或Zn的鍍層板材，還是無鍍層的裸板，均可使用輥底式加熱爐來進行加熱。對于表面易氧化裸板，常用的保護氣為氮氣或氮氣（＞95%）+天然氣（＜5%）的混合氣。對于鍍層板材，可以不使用保護氣氛，采用干燥空氣即可。因為氮氣為常用惰性保護氣，熱成形沖壓線中有時也會將制氮機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間關系到材料組織是否能均勻轉變為奧氏體，也關系到鍍層板表面鍍層的變化。如果加熱保溫時間過短使材料得不到足夠加熱，則板材內的奧氏體晶粒大小不均勻，在成形過程中，各部分變形不均勻，經過淬火后得到的馬氏體組織也不均勻，內部組織軟硬不一就會影響到熱沖壓成品的質量均一性。對裸板而言，提高加熱速度、縮短加熱時間，既可節能，又可提高生產率，同時減少氧化，防止組織晶粒過大。但對于Al-Si鍍層板，由于鍍層和基體鋼板的膨脹系數不同，加熱速度較快時，容易產生微裂紋，因此一般規定Al-Si鍍層板加熱時間為300～330s。加熱時，基材中的Fe擴散到Al-Si鍍層生成復雜的Al、Si、Fe金屬間化合物層，又稱擴散層。長時間加熱Al-Si鍍層板，原有鍍層和擴散層的厚度都會逐漸增加，從而影響到沖壓件的焊接性能。同時表面顏色也會因為薄氧化膜（厚度0.1～0.5μm）的生成而變得五顏六色，但此顏色變化對板材的主要特性不會有太多影響。為保證焊接性能，對于加熱后的鍍層厚度，一些汽車生產商指定了自己的檢測標準。比如，某汽車生產商規定，鍍層應該有5層構造，其中第1層+第3層的厚度應≥15μm，而第4層+第5層的擴散層厚度應＜10μm。擁有Al-Si鍍層硼鋼專利的安賽樂米塔爾公司推薦加熱后原鍍層厚度35～45μm，擴散層厚度＜15μm（見圖13）。圖13Al-Si板加熱后鍍層形態另外，針對Al-Si鍍層板的具體加熱工藝，阿賽洛米塔爾公司作出了規定：當板材厚度為1.2mm時，設定加熱溫度890～930℃，設定加熱保溫時間4～6min；當板材厚度為2.3mm時，設定加熱溫度900～940℃，設定加熱保溫時間6～8min。由此可知，對于較厚的板材，由于受熱后溫度上升率較小，所以相對于薄板要選擇更高的設定溫度及適當延長加熱保溫時間。同時也要注意，由于薄板在離開加熱爐后在空氣中的降溫速率也會比厚板更快，所以對自動化設備的搬運速度要求也要相應提高。對于鍍鋅板，也可以快速加熱而不會產生微裂紋。但因為Zn的熔點較低，所以需要控制加熱溫度。鍍鋅板的加熱溫度一般選擇890～930℃。零件的延時開裂是Al-Si鍍層板在熱成形中常見的失效形式，延時開裂是指零件成形幾天后才出現的脆化甚至開裂的現象。延時開裂產生的原因，是熱成形過程中產生的高殘余應力與加熱過程中擴散進入材料內部的氫元素的共同作用。如果加熱過程中有水分接觸到高溫的Al-Si鍍層，就會產生氫氣，造成氫元素在材料中的擴散。為降低因氫引起的脆化和延時開裂產生的風險，加熱爐中需配置露點傳感裝置來實時檢測和控制爐腔內的露點在較低狀態，一般要求露點溫度至少低于－10℃。實際生產中在采用氮氣或干燥空氣作為保護氣氛時，露點可控制在－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，板材在腔體內的托架上處于靜止狀態下得到加熱和保溫。可通過采取對腔體進行疊加的方式來調整生產節拍。這種加熱爐由于占地面積小，組合靈活，但爐門較多，不易形成保護氣氛，因此不適合易氧化的裸板；同時因為這種箱式加熱爐只能應用電加熱，所以一般僅用于零件的試制和小批量生產。4.3沖壓機和模具（1）沖壓機沖壓機的作用是結合配置在滑塊上的模具，利用滑塊的上下運動及巨大壓力，得到所需形狀的零件，同時保證零件的質量。一臺典型熱成形沖壓線沖壓機的技術參數見表3。表3典型熱成形沖壓機技術參數熱成形沖壓生產線中常用的沖壓機有傳統液壓沖壓機與伺服沖壓機兩種。其中，液壓沖壓機的壓力源為液壓缸，又可分傳統多液壓缸沖壓機和液壓連桿式沖壓機。多液壓缸沖壓機中配備多個液壓缸，滑塊快速運動時使用一個或多個液壓缸，在保壓成形需要大壓力時其他液壓缸再工作。液壓連桿式沖壓機是利用液壓缸帶動連桿結構以實現更快的工作速度。液壓沖壓機的工作曲線，可通過對液壓缸流量控制閥的調節來改變。圖8中展示的是一臺伺服沖壓機，它以伺服電動機為動力源，通過偏心齒輪、曲軸、連桿等部件帶動滑塊上下運動。應用了偏心齒輪的伺服沖壓機可滿足更長的滑塊行程。得益于伺服電動機的高精度及可編程化控制的動作特性，可靈活控制滑塊的運動形式（滑塊的位置重復控制精度可達±0.01mm）以滿足沖壓加工多樣化的需求。對伺服曲線的優化可幫助降低振動和噪聲、延長模具壽命，提高零件成形性好，實現一機多用及智能化。伺服壓力機的機械傳動結構簡單，在同時配備電能回收系統情況下，可大大降低電動機的能耗，耗電量僅為傳統液壓沖壓機的30%。由于伺服壓力機的伺服曲線可以分段進行編輯，所以除了加壓過程，其他行程可以適當加快壓力機滑塊的速度，這樣就大大提升了沖壓線的生產節拍。目前，隨著伺服電動機技術的發展，應用更加靈活、生產節拍更快的伺服沖壓機已越來越多地進入到熱成形領域。因為熱成形沖壓是在材料處于高溫情況下進行的，這時材料的強度不足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，抗拉強度增加到1500MPa，此時的壓力如果過低，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度。一般情況下，若一個模具出2個零件時，沖壓機噸位選擇500～800t；若一個模具出4個零件時，沖壓機噸位選擇1000～1200t。影響熱成形零件質量的因素除了壓力大小外，還有滑塊下降速度以及保壓時間，因為這關系到板材是否能在較高溫度時開始冷卻成形，以及冷卻速度是否能滿足得到均勻馬氏體的淬火條件。一般要求滑塊下降速度＞500mms，這樣滑塊由上死點下降到與板材接觸開始成形位置用時只需1～1.5s，可保證板材成形前溫度不下降太多。保壓時間應根據板材開始成形時的溫度、成形后溫度，以及目標冷卻速度進行計算。僅考慮淬火性能，以奧氏體連續冷卻組織轉變圖提示的冷卻開始最低溫度600℃，最低冷卻速度30℃s，并設定成形后溫度200℃為例，可以計算出保壓時間需要13.3s。考慮到雖然成形開始前溫度一般＞600℃，但因為實際冷卻速度遠＞30℃s（可達100℃s以上），所以選擇保壓時間5～10s。當保壓時間為5s時，可以滿足生產線生產節拍10spm。（2）模具要得到高質量的熱成形零件，最關鍵的還是模具的設計。作為整個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，熱成形模具的設計應主要關注以下兩點。1）符合沖壓時的精度要求，以提供良好的成形能力。2）具備優異的冷卻能力。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明其設計準則。由于模具材料決定了沖壓零件的質量及模具本身的壽命，所以熱成形模具的材料應滿足以下幾項性能：一是高耐熱疲勞性，以滿足生產過程中短時間內溫度由高溫到低溫再到高溫的反復循環；二是良好的熱硬度和低熱膨脹度，以保證高溫下的成形強度和尺寸精度穩定性；三是高熱傳導性，確保快速傳熱，提高冷卻效率。然而，具備高強度、高熱傳導、低熱變形又易于加工的完美模具材料并不存在，因此需根據具體工作情況和產品來選擇。為延長模具壽命，對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，因此關系到零件的成形與冷卻。當間隙較大時，模具與材料間的摩擦力減小，利于高溫材料的流動，因此可以沖壓出高表面質量的零件并減少模具磨損。但同時，板料與模具表面不能嚴密接觸，影響傳熱效果，對于裸板還會增加表面氧化。反之，當間隙較小時，冷卻效率得到保證，但模具與材料間較大的摩擦力會影響零件成形并加速模具磨損[6]。一般凸凹模的間隙，可設定為板材厚度＋0.05mm以下。在成形過程中，板材的熱量先傳遞給模具，再通過模具內部設置的冷卻回路帶出模具。冷卻回路的配置應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。常用的冷卻介質為水，其流動性好，比熱容大，成本較低，易于獲取。為達到足夠的冷卻能力，冷卻水溫度應控制在5～20℃。如果冷卻能力不足，則不能順利實現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呈現不均勻分布，進而影響到力學性能。如果模具在每一次沖壓時溫度不同同樣會因為冷卻速度和成形溫度的不同影響到零件質量的穩定性。冷卻回路的配置設計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、模具強度、加工性等，當冷卻孔徑取D時，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，為進一步提高冷卻速度，縮短沖壓機保壓時間，已有國外機構，如日本制鐵株式會社，開始研究直接冷卻模具，即通過在模具表面設置噴水孔，直接利用冷卻水來冷卻高溫板材。通過這一技術，有望將保壓時間縮短至2.5s，實現10spm以上的生產節拍[7]。因為熱成形模具的設計工作量及模具制造成本都很高，所以不適宜用傳統設計方法以實物進行設計和試驗。利用Ls-DYNA、AutoForm、DynaForm、Pam-stamp等一批數值模擬板材成形CAE軟件，可極大地提高熱成形模具的設計效率（見圖14）。圖14熱成形模擬溫度變化4.4自動化搬運設備自動化熱成形生產線中使用的自動化搬運設備的主要作用是實現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，將加熱后的板材搬送至沖壓機的上料手以及從沖壓機取出沖壓零件搬送至下一工序的下料手。（1）拆垛機無論是規則形狀還是預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行存放的，因此需要拆垛機將垛料上的板材一張張取出，然后投入加熱爐。常見拆垛機形式有通用工業機器人和專用桁架式機械臂（見圖9）兩種。1）工業機器人一般為6軸驅動，可以提供更高的空間運動自由度，因此動作靈活，配置方便，適應性強，設計柔性高。而桁架機械臂一般借助直線導軌導向，伺服電動機與齒輪齒條驅動，僅提供上下、左右、前后方向的直線運動，雖然有的機械臂增加了平面轉動，但動作范圍仍不如工業機器人靈活。由于桁架機械臂一般是根據廠房、設備布局、流程進行專門定制的，因此通用性較差，不利于改造。2）從硬件投入成本上看，單臺工業機器人的投入在200萬元左右，而桁架機械臂的價格在500萬元以上，即使是常見的2臺機器人的組合配置，仍然是工業機器人的成本相對更低。3）由于設計上的通用性，工業機器人在通過控制器與各種傳感器的配合便利性上更具優勢，因此智能化程度高。4）工業機器人的動作靈活，但相應運動也更復雜，工作速度較桁架機械臂要慢。以攜帶某200kg裝置為例，最大載荷350kg的工業機器人的最大線速度為2000mms，而桁架機械臂可以達到2700mms，且機器人動作復雜，所需示教成本也更高。5）工業機器人一般安裝于地面支座之上，設計位置時不僅要考慮工作軌跡，還要考慮到運動時與其他設備的干涉。桁架機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，節省了空間。6）拆垛工作對精度要求一般不高。因為板材在加熱爐中運動時位置也會發生變化，所以對板料進入加熱爐的位置無高精度要求。即便是對加熱前在板材上打上編號這種對板材與刻印裝置相對位置有要求的情況，拆垛機的重復精度要不低于±0.5mm，也足以滿足使用要求。現今，一般工業機器人的重復精度在±0.06mm以上，而桁架機械臂的重復精度也可以做到0.03mm左右。綜上所述，通用工業機器人與桁架機械臂各有特點，具體選擇還應根據產品特征、投資成本、生產計劃來判斷。對于品種較固定且大批量生產的生產線，可以選擇專用桁架機械臂來提升生產節拍。為完成拆垛任務，還有一些配合拆垛機工作的重要設備。1）垛料臺車：垛料臺車負責板料的運送并提供簡單定位、分張等功能。一般垛料臺車被配置在拆垛機附近的軌道上，用叉車或門式起重機將板料搬運至臺車上后，再移動到拆垛機附近。隨著可自引導運行的AGV（AutomatedGuidedVehicle）小車應用技術的進步，未來垛料臺車可借助AGV小車，從板料儲存區域附近直接運行到拆垛機附近的情景也會得到實現。另外，所謂分張就是將層層疊放的板材分離成一張張的，方便拆垛機抓取。由于垛料板材間光滑表面會產生相互黏連，因此如果沒有分張器，拆垛機在拾取板材時，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，借助永磁鐵的強磁力分布，使最上面的板材在端處產生較大變形，實現了上下板材的部分分離。2）雙料檢測：雖然分張器可以很大程度上減少拆垛機一次抓取不止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、甚至是放進沖壓機的情況，就需要設置雙料檢測工序。雙料檢測借助傳感器，根據拾取的板料厚度判斷是否存在多張黏連情況。傳感器類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來監測透過板材的磁通量，以此判斷板材厚度是否過厚。電磁傳感器可安裝在拆垛機的端拾器上，在抓取板材后同步進行監測。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間來計算傳感器到物體的距離。當板材進入固定距離的兩個激光傳感器之間時，通過距離差就可以算出板材的厚度。為不影響生產節拍，激光傳感器可設定在板材的運動路徑上，在拆垛機搬運板材經過雙料檢測區域時快速進行判斷。典型激光傳感器的測樣速率可以達到3000Hz（周期為0.33ms）。3）端拾器：端拾器一般應用真空吸盤來抓取板材。拆垛機要順利抓取板材，端拾器的設計至關重要。一方面，真空吸盤的數量，即吸引力要滿足高速水平搬運板材的需求。所需的真空吸盤數量可以根據吸盤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系來計算。然后，真空吸盤的設置位置還要考慮到板材的形狀。比如，如果吸盤下是孔洞，則真空條件無法達成，不能提供吸引力，因此配置要避開板材上的孔洞、邊緣。同時還要盡量使板材受力平衡，不出現頭重腳輕之類的現象，以防滑落。另一方面，端拾器結構在滿足強度要求的基礎上應盡量簡單，作輕量化處理，比如采用鋁合金或碳纖維材料。因為端拾器安裝在機器人或機械臂前端，工作時呈懸臂梁姿勢，所以較大的重量會產生極大扭矩，影響到運動速度、動作范圍甚至拆垛機壽命。4）自動工具交換（AutoToolChange，ATC）：為適應多種不同板材的搬送，可以為拆垛機增加ATC，即端拾器更換功能。要實現ATC，需要在機器人或機械臂端安裝ATC主盤，在各個端拾器端分別安裝工具盤。主盤與工具盤連接后，可實現電信號與壓縮空氣的傳遞。（2）沖壓機上下料手上下料手一般安裝于沖壓機上，除端拾器外，運動部分原理與拆垛機相同，均為三軸方向直線運動。沖壓機上料手（見圖11）安裝于沖壓機入口端，負責將經加熱爐加熱后的板材迅速投入沖壓機，放置在模具上。因為對沖壓前板材溫度有著嚴格要求，所以對上料手最重要的要求就是迅速。板材經加熱爐加熱并保溫至900℃，在出爐到達出口搬送帶上后，暴露在空氣中的板材溫度就開始以約20℃s的速度開始下降，而將板材放入模具后，雖然還未加壓，但因為與溫度較低的模具相接觸，板材下降的溫度會更快，所以為保證成形質量與淬火質量，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溫度為800℃，則整個送料過程最長不能超過2.5s。在實際工程中，上料手可實現從抓取到釋放在2s內完成，以保證板材溫度不會下降太多。除速度要求外，上料手依然需要關注溫度的影響。首先，上料手應設置溫度傳感器，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1m外測量板材溫度，測溫范圍為－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上的真空吸盤，而主要采用金屬制耐熱夾鉗（見圖15）。a）夾鉗b）夾持狀態圖15典型熱成形耐熱夾鉗上料手一般有兩臺，這樣就能分別夾住板材的前后，然后送入沖壓機。因為高溫下材料較軟，在夾鉗壓力下可能變形，所以板材的形狀在設計時也會考慮到留有專門用來夾取的空間，這部分在沖壓后會從零件上除掉。因為熱沖壓零件強度較高，使用冷加工可能對零件造成損害，所以后處理多使用激光切割系統。總之，上料手端拾器在設計時要考慮到耐高溫的問題，如管道線材使用耐高溫規格，如有必要還需添加防熱板。在上料手的動作設計上，為保證較快的搬送時間，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，還要避免在運動中與沖壓機內的模具發生干涉。沖壓機下料手安裝于沖壓機的出口端，形式與上料手相同，負責將沖壓零件從沖壓機模具中取出，然后搬送至下一工序區域。這個區域可以是裝箱檢驗區，也可以是拋丸涂油區或激光切割區域。因為經沖壓成形、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法使用真空吸盤。除夾鉗外，也可選用耐高溫的磁鐵吸盤。一種典型的熱成形用磁鐵吸盤的工作溫度可達350℃。夾鉗或磁鐵吸盤的配置同樣要考慮與模具的干涉，夾鉗可從側面抓取零件，而磁鐵吸盤需要從上方吸取零件（見圖16），因此所需空間更為嚴格。為保證沖壓零件得到足夠強度，要求淬火后零件溫度在200℃以下，因此在下料手區域可設置溫度傳感器或熱成像儀器，用來監控零件的溫度。如果溫度不符合標準，下料手會將取出的零件放置在指定位置。a）磁鐵吸盤b）吸取零件圖16典型熱成形用耐熱磁鐵吸盤當熱成形生產線中各設備都能在安全前提下以最大速度運行時，就能實現最大生產節拍，達到生產的最優化狀態。其中，上下料手與沖壓機的運動關系很大程度上決定了整線的生產節拍。以工作節拍為6spm的沖壓機上下料手運動時間為例（見圖17）：沖壓機滑塊下降中，放置完板材的上料手開始后退，途中模塊與上料手正好不碰撞；在保壓成形過程中，下料手向模具附近的安全位置開始移動，上料手則準備抓取下一張從加熱爐出來的板材；成形結束、滑塊開始上升后，下料手盡快進入抓取零件，并且途中與模具正好不碰撞；上料手抓取加熱的板材后進入沖壓機，與取完零件正在后退的下料手正好不碰撞，以此往復。若實現這樣的運轉狀態，則需要各設備在自動化同期控制系統的控制下協調運動（見圖18）。圖17沖壓機、上下料手運動時間實例（工作節拍=6spm）圖18自動化熱成形生產線同期控制系統監控界面5結語熱成形可以制造出高精度、高強度的汽車零部件，在汽車產業得到了廣泛應用。由于自動化生產線設計的非標化，即常需要根據廠家具體生產情況及產品計劃進行定制化設計，且涉及到材料、塑性成形、熱、機械及電氣等多個領域，所以實際設計十分復雜。在本文中，在熱成形的基本工藝原理之外，又通過列舉關鍵工藝數據，詳細介紹了組成自動化熱成形生產線的重要設備：加熱爐、沖壓機、模具和自動化搬運設備的選型和設計內容。未來自動化熱成形生產線發展的重點在于優化工藝，以提高生產效率，降低設備成本。伴隨著汽車環保、輕量化需求的增加，自動化熱生產線和熱成形技術的應用也將繼續得到推廣，且有望在汽車產業之外的領域，如軌道交通、工程機械等領域得到更多關注。參考文獻：[1]王輝，葛銳，周少云，等.熱沖壓成形技術及發展前景[J].武漢工程職業技術學院學報，2014（3）：52-55.[2]朱久發.熱沖壓技術應用現狀與發展前景[J].武鋼技術，2012（4）：58-61.[3]高云凱，高大威，余海燕，等.汽車用高強度鋼熱成形技術[J].汽車技術，2010（8）：56-60.[4]蔡長生.熱沖壓成形技術與應用[J].鍛壓技術，2013（3）：51-53.[5]徐漢，陳浩，嚴曉琳.熱沖壓技術與生產線規劃[J].鍛造與沖壓，2019（22）：18-21.[6]譚海林，賴春明，李文元.高強度鋼板熱沖壓成形模具設計規范[J].模具制造，2015（3）：17-21.[7]NOMURAN，KUBOM，FUKUCHIH，etal.Developmentofhotstampingtechnologyforhighperformanceautomotiveparts[J].NipponSteelTechnicalReport，2019（122）：21-27.本文發表于《金屬加工（熱加工）》2022年第7期6~17頁，作者：路加精工有限公司史曉辰，青島軍英裝備科技有限公司周波、孫慧，原標題：《汽車零部件自動化熱成形生產線關鍵技術設計》。-End-投稿須知

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