全自动高强钢间接热成形生产线(上)

文/张海杰，严建文，李贵闪·合肥合锻智能制造股份有限公司

近年来，节能减排的标准在不断提高，对于交通领域特别是汽车行业而言，对节能减排最主要方法之一的轻量化，也提出了更高的要求。

目前广泛使用高强度钢板是实现汽车轻量化最常用、也是可行性最高的途径，但是高强度钢板的成形加工是普通冲压技术无法实现的，特别是抗拉强度1500MPa 以上的超高强度钢板，普通冲压工艺完全无法实现成形加工，只能采用热成形工艺。因此目前热成形工艺在汽车行业应用最为广泛。图1 为热成形制件在车身上的实际应用，红色零件为现在市场上需求最多、汽车主机厂使用最广泛的热成形零件。生产线，使用一台32 米辊底炉加热，搭配3 轴机械手，实际生产节拍根据不同的零件有所差异，大约在3 ～4spm 之间。

热成形工艺简介

热成形工艺是将工件加热并保温至材料完全奥氏体化，然后送入特制的水冷模具中，在模具中按一定的速率冷却，使奥氏体组织转变为马氏体组织，从而使材料强度大幅度提高，并在冷却过程中利用模具的型腔对工件形状进行约束，消除淬火变形，保证成品具有良好的尺寸精度。

目前热成形工艺分为两大类：直接热成形工艺和间接热成形工艺。直接热成形工艺出现的较早，是目前使用比较广泛的成形工艺；间接热成形工艺出现的较迟，目前应用不多，但是其可加工的产品范围可以完全覆盖并超过直接热成形工艺，具有很高的发展潜力，未来有望完全取代直接热成形工艺。

直接热成形工艺

如图4 所示，直接热成形工艺的主要工艺流程为：开卷落料线(批量件)或激光切割机(试验件)完成落料→送入加热炉中加热至奥氏体化→送入压机在模具内成形→淬火→激光切割切边割孔→拼装焊接→防腐处理→清洗涂油。

间接热成形工艺及特点

间接热成形工艺是近几年刚出现的、最新的热成形工艺，潜力极大，技术门槛高，目前行业内只有三家企业掌握间接热成形技术。如图5 所示，间接热成形工艺的主要工艺流程为：冷冲压线落料→预成形→切边冲孔→送入加热炉加热至奥氏体化→送入模具内保形→淬火→清洗涂油。

间接热成形工艺的优势

(1)没有零件尺寸和形状限制，可以生产任意形状和任意拉深深度的零件，所有使用普通冷冲压工艺和直接热成形工艺生产的零件均可以使用间接热成形工艺生产。

(2)在核心淬火环节中工件没有变形过程，模具应力分布均匀，工件与模具表面几乎没有相对运动，使得模具损耗很小，几乎不会损伤工件表面。

(3)工件可以使用锌镀层板，只有间接热成形工艺不会导致镀锌层损伤。

(4)工序少。1)落料工序和激光切割工序在预成形工序由冷冲压线一次完成，提高了生产效率，降低了生产线建设投入；2)取消焊接工序，较大零件如：中通道、前围、门坎等可以整体加工，一次成形；3)可选择性取消防腐工序，使用锌镀层板的零件无需再做防腐处理，只有裸板需要再次做镀锌等防腐处理。

(5)可以较容易的控制不等强度板的成形过程，保证成品质量稳定性，实现不等强度板的批量生产。

间接热成形生产线介绍

间接热成形生产线一般由以下设备构成。

(1)冷冲压线。间接热成形生产线配套的预成形冲压线为通用型的冷冲压线，并非间接热成形工艺专用设备；一条冷冲压线即可完成落料、预成形、切边冲孔三道工序，也无需专门的开卷落料线。冷冲压线的工艺流程为：落料/浅拉深→深拉深→切边、冲孔→整形。

(2)自动化搬运系统。自动化搬运系统是以机器人或机械手为核心，包含端拾器、对中装置等部件以及生产线总控系统。

(3)热成形压机。目前间接热成形压机均为液压机，其他类型的压机暂时无法满足间接热成形工艺特性的要求。

(4)加热炉。间接热成形的加热炉目前也分为箱式炉和辊底炉两种，均采用辐射加热方式，间接热成形生产线的分类也是以加热炉种类进行分类。

(5)水冷模具。间接热成形水冷模具的体积大，型面形状复杂、起伏幅度大，设计和加工难度均高于其他类模具。

以上设备中除了冷冲压线为通用设备外，其余四类设备均为专用设备，同时这四类设备也是间接热成形生产线的核心设备。

间接热成形生产线是全自动、智能化的生产线。生产线的所有设备均采用PLC 控制，同时使用总线技术进行设备之间的相互通信，并有一台装载了总控系统的上位机对所有设备进行统筹调度，协调各设备间的工作状态，保证整条生产线的稳定、有序、可靠运行。生产线的所有工序和工件序间转运环节均可实现无人干预的自动化生产，只有在线首装填原料和线尾取走成品需要人工完成，中间过程可以全部自动完成。

生产线可以实现智能化生产，如：自动换模、换端拾器、换料架等。此外，还可以自动检测并排出中间工序产生的不合格件；记录每个工件在每个工序时对应设备的工作状态，实现每个工件的质量追溯。

间接热成形生产线的分类

高强钢间接热成形生产线的分类也是以加热炉的类型进行分类，目前也分为两大类：箱式炉生产线和辊底炉生产线。

图6 所示为箱式炉生产线。箱式炉生产线通常由以下部分组成：(1)单层或多层箱式加热炉。工件为成形件而非板料，每层炉膛的尺寸比直接热成形加热炉要大一些，加热炉的整体尺寸也更大。(2)以6 轴或7 轴机器人为核心的自动化系统。工件形状复杂且是三维体，自动化系统的端拾器、进/出炉机构和对中系统要复杂很多。(3)热成形压机。间接热成形工艺可以做复杂、大型、深拉深件，压机的吨位、台面、工艺动作等均有所不同，技术难度更高。

图7 所示为辊底炉生产线。辊底炉生产线通常由以下部分组成：(1)双层辊底式加热炉。工件为成形件而非板料，工件传送不能使用辊棒直接传送，需要使用专用料架，加热炉分两层，下层加热，上层用于料架返回线首。(2)以单臂或双臂机械手为核心的自动化系统。工件形状复杂且是整体件，重量较大，需要高负重的快速机械手。(3)热成形压机。压机要求与箱式炉生产线相同。

间接热成形生产线的特点

(1)工艺适应性好。

工艺兼容性好，所有直接热成形生产线可以加工的零件均可以放在间接热成形生产线上加工；间接热成形零件尺寸不受限制，大型零件可以整体热成形、不用分段，热成形加工后直接焊接；零件所用板材不受限制，裸板、铝硅镀层板、锌镀层板均可加工，其中锌镀层板只能用间接热成形加工，可以完全取代直接热成形生产线。

(2)工序更少，总成本更低。

直接热成形工序从开卷落料开始至成品件出厂一共6 道(镀层板)或7 道(裸板)工序，而间接热成形工序从开卷落料开始至成品件出厂一共3 道(锌镀层板)或5 道(裸板)工序，总工序少2 ～3 道，且由于淬火后的高硬度工件不用进行切边冲孔，因此生产效率更高、设备投入更少，因此间接热成形生产线的加工成本比直接热成形生产线更低。

(3)生产线核心设备技术难度高。

因间接热成形的毛坯件均为成形件，所以生产线的各核心设备与直接热成形工艺有所区别。如图8 所示，箱式炉的炉膛容积更大，热能计算更复杂；辊底炉需要双层往复式结构，机械结构更复杂；自动化机器人和机械手的端拾器结构和负重要求远高于直接热成形的设备，运动速度和运动稳定性的要求更高；压机的尺寸、重量更大，工艺曲线实现难度高，大质量体的运动控制、惯性控制难度更高。

(4)占地面积大。

相对直接热成形生产线来说，间接热成形生产线由于加热炉（箱式炉、辊底炉）尺寸更大；自动化搬运系统的机构多，单个机构的体积大；压机的吨位、台面更大，因此间接热成形生产线的总占地面积要比直接热成形生产线更大、更高。例如，同样是箱式炉生产线，直接热成形生产线占地约26m×15m，而间接热成形生产线占地约46m×18m。