汽车零部件自动化热成形生产线关键技术设计

史晓辰，周波，孙慧

1.路加精工有限公司 山东潍坊 261000

2.青岛军英装备科技有限公司 山东青岛 266000

1 热成形技术概述

热冲压成形（Hot Stamping，或Hot-Press Forming，以下简称热成形）是一种零件加工工艺。加热至高温的热成形钢板材被投入冲压机中经冲压成形，同时在模具中快速冷却进行淬火，最终得到高强度零件。这一技术最早在1977年由瑞典公司Plannja申请专利，并应用于生产除草机的锯片。随后在1984年，另一家瑞典公司——萨博汽车公司利用这一工艺制造了萨博9000汽车的防冲击侧梁，这是热成形技术第一次被应用于汽车工业[1]。当今，热成形产品如高强度硼钢汽车零件在汽车车体结构件，即白车身上的应用已十分广泛，例如，以安全著称的沃尔沃，在2010年款S60的白车身中应用了14.2%的热成形零件，而在2015年款XC90的白车身中，这一占比提高到了38%（见图1）。2021年上市的11代本田思域，在A柱（前立注）、B柱（中立注）、上下侧梁部位，也均使用了抗拉强度＞1400MPa的热成形零件（见图2）。目前，汽车热成形零件主要有横向支撑梁、悬置固定梁、纵向承载梁、前缓冲梁、A柱、B柱、门槛及车顶侧梁等[2]。

图1 2015款沃尔沃XC90白车身结构

图2 第11代本田思域白车身结构

汽车热成形零件的普及，主要得益于这一技术的最大优点：高强度。一方面，高强度零件的应用可以提高车体整体结构的强度和刚度，有利于整车碰撞安全性和NVH（噪声、振动与声振粗糙度）表现。在热成形钢之外，广泛应用于白车身的传统冷冲压用钢，如DP-CP（双相-复相）钢，TRIP（相变诱导塑性）钢等超高强度钢的抗拉强度在1000MPa左右，而经淬火后的热成形钢抗拉强度可达1500MPa，是一般冷冲压超高强度钢的1.5倍（见图3）。未来，更高强度级别的热成形钢会得到继续推广，如长城哈弗汽车在其2020年发布的柠檬造车平台中，就提出以2000MPa热成形钢取代1500MPa级热成形钢。另一方面，高强度材料的应用意味着在不降低安全性的同时可以采用更少的材料，达到降低汽车重量的轻量化目的。在燃油车时代，车辆的轻量化就一直是车企的主要研究方向之一。有数据指出，车辆整备质量每减重100kg，百公里油耗可降低0.3～0.6L，同时每公里的CO2排放量最低可以减少15g（见图4）。因此，车辆轻量化不仅可以提高使用经济性，而且对能源节约、环境保护也将起到积极作用。此外，更轻的整车重量也有利于车辆加速、制动和耐久性等性能的提升。根据国际铝业协会的研究结果，车辆质量减轻10%，制动距离可减少5%，转向力减小6%，行驶稳定性更好。

图3 各种钢抗拉强度-伸长率关系

图4 汽车重量-CO2排放关系

进入新能源电动车时代，车辆轻量化依然十分重要。大容量电池就像一柄双刃剑，在使电动车满足长距离续航的同时，却也极大增加了车辆的重量，进而影响到能耗表现、制动性能以及操控性等。

除了能借助高强度来提高安全性、实现轻量化这一主要优点之外，相较于传统冷冲压成形，热成形技术还有如下优势。

1）改善冲压成形性，提高零件质量。因为热成形钢是在高温状态下被投入冲压机模具进行冲压的，此时材料具有较好的拉伸性能和流动性，因此几何成形性能很好，尺寸精度高，满足了各种零件需求。在冷冲压中需要多次冲压成形的复杂形状，若利用热成形则只需一次冲压，从而节约了设计成本，也有利于降低设备的投资与维护成本。

2）高强度钢材料的冷冲压成形零件存在回弹问题，且强度越高，冲压后零件形状尺寸的变化越大。热成形零件的回弹量相比冷冲压极小，有效地解决了这一问题（见图5）。

图5 冷冲压与热成形零件回弹对比

3）降低了冲压机的吨位要求。同样得益于高温下材料优秀的成形性，相较于冷冲压则可以选择更低的冲压机吨位，以节省高昂的设备成本；同时减少了生产时的振动噪声并改善工作环境。可选择热成形冲压机吨位为500～1200t[2]。

得益于上述优点，热成形技术在汽车零部件制造中得到了普及。

相关数据显示，从2000年全世界不足30条热冲压生产线，到2016年时，已发展到超过300条热冲压生产线投入运行，而在我国也已建成50余条热冲压生产线。

当然，热成形也存在着如下劣势。

1）整线投资成本仍相对较高。虽然热成形工艺中只需一次冲压成形，且冲压机吨位相较于传统冷冲压低，但因为加入了加热环节，所以需要增设加热炉；为应对高温材料及提供淬火功能，热成形用模具也需要特殊设计；根据使用的材料特性，后续还需要加入激光切割设备等。尤其当下很多设备还以进口为主，因此一条自动化热成形冲压生产线的投资额可达6000万～1亿元。比如，2020年优尼冲压（Unipress）在花都工厂新增一条高规格热成形自动化生产线，装备及厂房的投资额达到了1.5亿元。但随着热成形技术的成熟及国内相关企业在研发上的突破，相信热成形生产线成本必将进一步降低，而国产生产线也将达到普及。

2）生产节拍慢。由于热处理工艺的引入，冲压机需要一定保压时间来完成成形及淬火，因此热成形整线的生产节拍普遍在4～6spm（stock per minute，每分钟冲压次数）。而冷冲压成形线的生产节拍一般都在10spm以上，比如车身覆盖件的生产节拍可达15spm以上，这是现有热成形生产线暂时难以达到的。为提高热成形生产线效率，相继研发出多步冲压、冷却水直冷模具等新技术，未来热成形线生产节拍有望突破10spm。

2 热成形技术原理

热成形的主要目的在于使冲压零件得到强度较高的马氏体组织，而其技术点主要在于两方面：加热及淬火。前者是将热成形钢板材（Blank）加热至奥氏体化温度以上并保温，以使碳素钢材料的金相组织均匀转化为奥氏体。常见热成形钢的wC在0.21%左右，同时加入1.2%左右的Mn与少量B（0.002%～0.004%）的硼钢，其中Mn、B的存在可以增加钢的淬透性，有利于得到良好的热处理组织。以最常用的 22MnB5钢（化学成分见表1）为例，其奥氏体化温度Ac3为850℃，因此，首先要求将22MnB5钢加热至900℃以上（一般设定为900～950℃），并保温3～5min，在整体加热炉中的加热时间为5～8min，可得到均匀的奥氏体组织[3]。

表1 22MnB5钢化学成分（质量分数） （%）

其次，将处于高温的热成形钢投入冲压机，在压制成形的同时利用模具的冷却系统快速冷却，达到淬火的目的，以得到高强度马氏体组织。因此，热成形钢也被称为冲压硬化钢（Press Hardened Steel, PHS）。加热前22MnB5钢的抗拉强度为 550～700MPa，经冲压硬化后抗拉强度就达到了1300～1600MPa。淬火的实现主要取决于冷却速度，根据奥氏体连续冷却组织转变曲线（见图6），由奥氏体稳定得到马氏体的冷却速度应＞30℃/s，如果小于此冷却速度，得到的组织就成了硬度较低的贝氏体或铁素体。

图6 奥氏体连续冷却组织转变曲线

3 自动化热成形生产线组成

为顺利实现热成形，需要生产线中各装置各司其职、相互配合。一条自动化热成形生产线主要由加热炉（见图7）、冲压机（见图8）以及自动化装置构成[4]。其中，自动化装置又包括拆垛机（或装载机，见图9）以及冲压上下料手（见图10）。此外，还可能包括刻印、抛丸涂油和激光切割等装置。

图7 典型辊底式加热炉

图8 典型伺服式热成形冲压机

图9 典型桁架式拆垛机

图10 典型冲压机上料手

一种典型的工艺流程，或者说材料的流动方向：拆垛机负责将叠放成料垛的热成形板材一张张地取出放入加热炉，经加热炉加热后的板材被上料手迅速投入冲压机，然后板材通过冲压成形并淬火后得到的高强度部件再由下料手从冲压机取出，搬入质量检查、激光切割等后续处理工序（见图11）。

图11 典型热成形生产线工艺流程

4 热成形生产线的关键技术设计

自动化热成形生产线的组成装备有很多，这里仅介绍其中关键的材料、加热炉、冲压机、模具和自动化搬运设备的相关设计。

4.1 热成形板材

目前，汽车零部件中最常用的热成形钢是22MnB5。1997年前，应用于热成形的板材为无镀层板，这种裸板成本低、焊接性好，但加热过程中表面极易氧化生成氧化铁皮。而氧化铁皮脱落在模具中会增大钢板与模具的摩擦系数，降低模具的使用寿命，且氧化铁皮也会影响后续涂装工序，同时钢板氧化还会发生脱碳现象。因为材料的强度与碳含量息息相关，所以脱碳会导致钢板强度下降。因此，在裸板加热过程中，需要保护气氛来减少氧化程度，而在冲压成形后对零件还要进行喷丸处理，以去除氧化铁皮，提高零件表面质量。但是，裸板零件的厚度最好选择1.2mm以上，否则抛丸会使零件产生较大变形且无法控制。另外，无镀层板材制成零件的抗腐蚀性也较差，易于生锈，因此在储存时还需要表面涂油。但保护气氛、抛丸涂油等，都增加了使用裸板的热成形生产成本。

钢铁制造巨头的安赛乐米塔尔公司（Arcelor Mittal）于1999年成功开发了Al-Si（铝硅）镀层硼钢，并取得相应专利。Al-Si镀层的存在有效解决了高温下板材的表面氧化问题，因此可以省去保护气氛和喷丸工序。同时，Al-Si镀层板可以减少冲压时的摩擦系数，提高成形性，减少模具磨损，在模具保护、零件尺寸精度、甚至耐蚀性等方面也表现出优异性能，从而迅速得到了推广和应用。但Al-Si镀层板也存在一些缺点：首先作为专利产品，Al-Si镀层板的购买成本较高，相较于裸板，每公斤镀层板价格要高1.5元以上。以一辆车的白车身（700kg）采用30%热成形板材计算，选择镀层板就比裸板要增加成本315元。对于年产量10万辆以上的车企来说，每年就是一笔不小的成本支出。另外，镀层板对于加热速度比较敏感。在快速加热时，由于镀层和基体钢板的膨胀系数不同，容易因变形不均匀而产生微裂纹，影响随后的冲压性能以及油漆涂层的表面质量和光鲜性[1]。此外，Al-Si镀层板还存在黏辊问题。当加热到一定温度时，镀层易与加热炉陶瓷辊黏结，增加了加热炉的维护使用成本。

除Al-Si镀层板外，还有镀锌板。常用镀锌板有热镀纯锌镀层GI（Hot-Dipped Galvanized）板，以及热镀锌合金化镀层GA（Galvannealed）板。GI板是表面镀锌板，通过在Zn液中添加少量Al，提高了锌膜的附着力和抗氧化能力。GA板是在镀锌后通过500～550℃热处理，让钢基体中的Fe与Zn相互扩散，在表面形成锌铁合金相层的镀层。Zn作为阳极存在，可以保护处在阴极的钢，起到防腐蚀的作用。因此，相比于Al-Si镀层板，Zn镀层板可以提供更好的耐腐蚀性。此外，镀锌板可以快速加热，不会像Al-Si镀层板样产生微裂纹，但因为Zn的熔点较低，加热过程中可能会渗入到钢材基体中，诱发脆性，导致在冲压时产生微裂纹，影响成品质量，所以镀锌板的加热温度不宜过高。海斯坦普公司（Gestamp）开发了一种基于镀锌板的多步热成形工艺，可以将微裂纹尺寸控制在10μm以下。不过镀锌板在加热后表面仍会产生一些氧化物，因此通常在热成形之后零件依然要进行喷丸处理。

综合考虑生产全成本、产品质量等，毫无疑问Al- Si镀层板的优势依然明显。因此，Al-Si镀层板仍然是当今应用最多的热成形板材（见图12）。

图12 生产中的Al-Si镀层板

除22MnB5钢外，以安赛乐米塔尔可提供的热成形用钢为例，既有USIBOR1500/2000这类硼钢（wB＜0.005%），也有抗拉强度稍低的DUCTIBOR450/500这类低合金钢（wB＜0.001%）可供选择。此外，铝合金也可作为热成形材料。本文中仅以22MnB5钢为例进行介绍。

因为并不是零件每个位置强度、硬度都是越高越好，比如需要吸能的纵梁局部位置，需要焊接的B柱止口位置。近年来，可根据车身强度和刚度要求定制的变强度热成形零件的应用也逐渐普及。变强度的实现有利于缩减材料用量，进一步推进车辆车体轻量化。用来制作变强度热成形零件的板材主要包括激光拼焊板（Tailor Welded Blank，TWB），轧制差厚板（Tailor Rolling Blank，TRB），补丁板（Patch-Work Blank, PB）和软硬分区等厚变强度板（Soft Zone）[5]，其中，应用较广泛的是TWB与TRB。

TWB是采用激光焊接技术把不同厚度、不同表面镀层甚至是不同原材料的金属薄板焊接在一起，然后再进行冲压制作成各种零件，可在同一板料的不同部位实现不同的厚度、强度，与传统等厚度板材相比，其减重效果可达20%。由于TWB可以根据强度功能设计需要进行任意拼接，因而具有极大的灵活性。其最大的优势就是减少了零件数量，从而不仅优化了结构和生产装配工艺，而且可减少所需模具数量，提高生产效率，优化落料配置，提高材料利用率，大大降低整车制造及装配成本。由于产品的不同零件在成形前即通过激光焊接在一起，因而提高了产品的整体精度，大大降低了零部件的制造及装配公差。但TWB的拼接处存在着厚度突变，这使回弹预测、模具设计制造、焊缝移动控制成为新的研究课题。而焊缝引起的材料硬化现象，不仅使焊缝的开裂成为影响拼焊板零件质量的因素之一，而且影响后续的成形，加之焊缝无法在外观上完全消除，使TWB不适宜作为车身外覆盖件。应用TWB最多的是B柱、纵向承载梁等需要高强度的零件。

TRB轧制差厚板最早由德国亚琛工业大学金属成形研究所（IBF）开发，核心技术是 “柔性轧制”：通过实时控制轧钢机轧辊的位置来调整其间距，从而使轧制出的板材在沿轧制方向上具有预先根据载荷变化特点来设计的变厚度形状。相对于TWB 来说，TRB 具有下列优点。

1）TRB 零件的厚度是连续变化的，比TWB零件具有更好的减重性能。

2）不存在TWB的厚度突变和焊缝的影响，这样就消除了突变处的应力峰值和因焊缝引起的硬化区域，因此具有良好的成形性能。

3）TRB 没有焊缝难以弥盖的缺陷，表面质量好，可以作为汽车车身的外覆盖件使用。

4）TRB过渡区光滑连接，模具设计相对简单。

5）在零件生产和制作工艺方面，TRB工艺操作也与普通的等厚度板材的成形基本相同，可连续性生产，生产效率高。

6）TRB 的制造成本不受厚度过渡区数量的影响，而TWB 的制造成本则随着焊缝数量的增加而增加，所以在成本方面相比多条焊缝的TWB板具有明显的竞争优势。不过由于TRB板材是由单一材料整块轧制而来，因而不能实现不同材质的拼接，在多种形状拼接时也表现出灵活性不足。另外，若TRB由镀层板轧制，还可能因损伤材料的镀层而影响防腐性能。TRB也主要应用于B柱、横梁纵梁等零件，多见于欧系车辆。

PB是一种在基板上面局部连接一块板材获得的变厚度板材，连接上去的板材像补丁一样对构件局部起到加强结构承载能力的作用。Soft Zone是在厚度不变情况下，通过局部加热实现不同部位的强度高低分布。与TWB和TRB相比，上述两种变强度板的减重效果都较差。

由此可见，投入到加热炉、冲压机的板材形状并不是规则的，会根据最终成形零件的形状进行设计。对于常见等厚度热成形板材，一般是从矩形板材或卷材上沿一定轮廓剪裁而来，这一工序就是冲压工艺中的落料，在冲裁出形状的同时也为后续工序提供了可靠的定位基准。热处理前的硼钢强度为550～700MPa，因此落料可以使用冲压机冷冲压进行。另外一种常用落料方式是使用激光切割，这样轮廓的选择更加自由，形状精度更高，也节省了冲压模具的高昂使用成本。如果需要制作TWB或PB，落料后得到的热成形板材会被送入下一工序中进行焊接。最后，将这些板材一张张堆叠起来成为垛料进行保存。

4.2 加热炉

加热炉的作用是加热热成形钢板材，并保温一段时间以保证得到均匀的奥氏体组织。一台典型加热炉的技术参数见表2。

表2 典型热成形加热炉技术参数

辊底式加热炉是最常见的加热炉形式（见图7），90%的热成形生产线会采用这种加热炉。辊底式加热炉有长条状腔体，腔体内部沿加热炉长度方向每隔一定距离设置有陶瓷材质的耐热辊，板材的输送通过辊的转动来实现。腔体两端设置有可自动开闭的炉门，起到隔绝保温的作用，加热炉两端还设置有用于板料进出的传输带。出口处传输带高速运转，并设置有材料位置对中及举升装置，以帮助自动化设备更快速准确地抓取板材[4]。辊底式加热炉的腔体为模块化设计，可根据生产节拍来调整组合加热炉的长度。辊底式加热炉可采用的加热方式有燃气加热和电加热：燃气加热是在耐热辊的上方和下方的炉膛内布置燃烧器或陶瓷辐射管，利用辐射热加热板材。让天然气在辐射管中燃烧可以防止生成的水气扩散到板材上引起氢脆、裂纹等材料失效问题。电加热则是利用缠绕在炉辊或其他陶瓷管上的加热线圈，对板材进行加热。电加热的优点在于加热速度快，加热效率较高，但电加热的能耗成本是燃气加热式的2倍以上，因此最常用的加热方式依然是燃气加热。除上述两种辐射加热及燃气与电加热的混合应用外，还有直接通电加热及感应加热方式，但因为加热速度控制困难，加热不均匀等问题都还处于应用试验阶段。

辊底式加热炉的腔体中由于可以应用保护气氛，所以无论是Al-Si或Zn的镀层板材，还是无镀层的裸板，均可使用辊底式加热炉来进行加热。对于表面易氧化裸板，常用的保护气为氮气或氮气（＞95%）+天然气（＜5%）的混合气。对于镀层板材，可以不使用保护气氛，采用干燥空气即可。因为氮气为常用惰性保护气，热成形冲压线中有时也会将制氮机组作为辅助装置的一种引入。

板材在加热炉中的加热保温时间关系到材料组织是否能均匀转变为奥氏体，也关系到镀层板表面镀层的变化。如果加热保温时间过短使材料得不到足够加热，则板材内的奥氏体晶粒大小不均匀，在成形过程中，各部分变形不均匀，经过淬火后得到的马氏体组织也不均匀，内部组织软硬不一就会影响到热冲压成品的质量均一性。对裸板而言，提高加热速度、缩短加热时间，既可节能，又可提高生产率，同时减少氧化，防止组织晶粒过大。但对于Al-Si镀层板，由于镀层和基体钢板的膨胀系数不同，加热速度较快时，容易产生微裂纹，因此一般规定Al-Si镀层板加热时间为300～330s。

加热时，基材中的Fe扩散到Al-Si镀层生成复杂的Al、Si、Fe金属间化合物层，又称扩散层。长时间加热Al-Si镀层板，原有镀层和扩散层的厚度都会逐渐增加，从而影响到冲压件的焊接性能。同时表面颜色也会因为薄氧化膜（厚度0.1～0.5μm）的生成而变得五颜六色，但此颜色变化对板材的主要特性不会有太多影响。为保证焊接性能，对于加热后的镀层厚度，一些汽车生产商指定了自己的检测标准。比如，某汽车生产商规定，镀层应该有5层构造，其中第1层+第3层的厚度应≥15μm，而第4层+第5层的扩散层厚度应＜10μm。拥有Al-Si镀层硼钢专利的安赛乐米塔尔公司推荐加热后原镀层厚度35～45μm，扩散层厚度＜15μm（见图13）。另外，针对Al-Si镀层板的具体加热工艺，阿赛洛米塔尔公司作出了规定：当板材厚度为1.2mm时，设定加热温度890～930℃，设定加热保温时间4～6min；当板材厚度为2.3mm时，设定加热温度900～940℃，设定加热保温时间6～8min。由此可知，对于较厚的板材，由于受热后温度上升率较小，所以相对于薄板要选择更高的设定温度及适当延长加热保温时间。同时也要注意，由于薄板在离开加热炉后在空气中的降温速率也会比厚板更快，所以对自动化设备的搬运速度要求也要相应提高。对于镀锌板，也可以快速加热而不会产生微裂纹。但因为Zn的熔点较低，所以需要控制加热温度。镀锌板的加热温度一般选择890～930℃。

图13 Al-Si板加热后镀层形态

零件的延时开裂是Al-Si镀层板在热成形中常见的失效形式，延时开裂是指零件成形几天后才出现的脆化甚至开裂的现象。延时开裂产生的原因，是热成形过程中产生的高残余应力与加热过程中扩散进入材料内部的氢元素的共同作用。如果加热过程中有水分接触到高温的Al-Si镀层，就会产生氢气，造成氢元素在材料中的扩散。为降低因氢引起的脆化和延时开裂产生的风险，加热炉中需配置露点传感装置来实时检测和控制炉腔内的露点在较低状态，一般要求露点温度至少低于－10℃。实际生产中在采用氮气或干燥空气作为保护气氛时，露点可控制在－35～－45℃。

除辊底式加热炉外，还有一种加热炉是多层箱式加热炉。这种加热炉采用固定式加热腔体，板材在腔体内的托架上处于静止状态下得到加热和保温。可通过采取对腔体进行叠加的方式来调整生产节拍。这种加热炉由于占地面积小，组合灵活，但炉门较多，不易形成保护气氛，因此不适合易氧化的裸板；同时因为这种箱式加热炉只能应用电加热，所以一般仅用于零件的试制和小批量生产。

4.3 冲压机和模具

（1）冲压机 冲压机的作用是结合配置在滑块上的模具，利用滑块的上下运动及巨大压力，得到所需形状的零件，同时保证零件的质量。一台典型热成形冲压线冲压机的技术参数见表3。

表3 典型热成形冲压机技术参数

热成形冲压生产线中常用的冲压机有传统液压冲压机与伺服冲压机两种。其中，液压冲压机的压力源为液压缸，又可分传统多液压缸冲压机和液压连杆式冲压机。多液压缸冲压机中配备多个液压缸，滑块快速运动时使用一个或多个液压缸，在保压成形需要大压力时其他液压缸再工作。液压连杆式冲压机是利用液压缸带动连杆结构以实现更快的工作速度。液压冲压机的工作曲线，可通过对液压缸流量控制阀的调节来改变。

图8中展示的是一台伺服冲压机，它以伺服电动机为动力源，通过偏心齿轮、曲轴、连杆等部件带动滑块上下运动。应用了偏心齿轮的伺服冲压机可满足更长的滑块行程。得益于伺服电动机的高精度及可编程化控制的动作特性，可灵活控制滑块的运动形式（滑块的位置重复控制精度可达±0.01mm）以满足冲压加工多样化的需求。对伺服曲线的优化可帮助降低振动和噪声、延长模具寿命，提高零件成形性好，实现一机多用及智能化。伺服压力机的机械传动结构简单，在同时配备电能回收系统情况下，可大大降低电动机的能耗，耗电量仅为传统液压冲压机的30%。由于伺服压力机的伺服曲线可以分段进行编辑，所以除了加压过程，其他行程可以适当加快压力机滑块的速度，这样就大大提升了冲压线的生产节拍。目前，随着伺服电动机技术的发展，应用更加灵活、生产节拍更快的伺服冲压机已越来越多地进入到热成形领域。

因为热成形冲压是在材料处于高温情况下进行的，这时材料的强度不足200MPa，所以相比于冷冲压，可选择较低的吨位。但是，随着材料在模具中迅速冷却，抗拉强度增加到1500MPa，此时的压力如果过低，则不能抑制零件的变形而使尺寸精度降低，因此具体吨位还要考虑到成形后材料的强度。一般情况下，若一个模具出2个零件时，冲压机吨位选择500～800t；若一个模具出4个零件时，冲压机吨位选择1000～1200t。

影响热成形零件质量的因素除了压力大小外，还有滑块下降速度以及保压时间，因为这关系到板材是否能在较高温度时开始冷却成形，以及冷却速度是否能满足得到均匀马氏体的淬火条件。一般要求滑块下降速度＞500mm/s，这样滑块由上死点下降到与板材接触开始成形位置用时只需1～1.5s，可保证板材成形前温度不下降太多。

保压时间应根据板材开始成形时的温度、成形后温度，以及目标冷却速度进行计算。仅考虑淬火性能，以奥氏体连续冷却组织转变图提示的冷却开始最低温度600℃，最低冷却速度30℃/s，并设定成形后温度200℃为例，可以计算出保压时间需要13.3s。考虑到虽然成形开始前温度一般＞600℃，但因为实际冷却速度远＞30℃/s（可达100℃/s以上），所以选择保压时间5～10s。当保压时间为5s时，可以满足生产线生产节拍10spm。

（2）模具 要得到高质量的热成形零件，最关键的还是模具的设计。作为整个热成形工艺的核心部件，热成形模具与板材直接接触，不仅用于零件的成形，而且起到冷却淬火的作用。因此，热成形模具的设计应主要关注以下两点。

1）符合冲压时的精度要求，以提供良好的成形能力。

2）具备优异的冷却能力。

本文主要以模具材料、上下凸凹模间隙和冷却回路配置为例说明其设计准则。

由于模具材料决定了冲压零件的质量及模具本身的寿命，所以热成形模具的材料应满足以下几项性能：一是高耐热疲劳性，以满足生产过程中短时间内温度由高温到低温再到高温的反复循环；二是良好的热硬度和低热膨胀度，以保证高温下的成形强度和尺寸精度稳定性；三是高热传导性，确保快速传热，提高冷却效率。然而，具备高强度、高热传导、低热变形又易于加工的完美模具材料并不存在，因此需根据具体工作情况和产品来选择。为延长模具寿命，对模具表面还常采用渗氮、PVD（物理气相沉积）等热处理工艺。

凸凹模的间隙影响材料与模具间的接触和摩擦状况，因此关系到零件的成形与冷却。当间隙较大时，模具与材料间的摩擦力减小，利于高温材料的流动，因此可以冲压出高表面质量的零件并减少模具磨损。但同时，板料与模具表面不能严密接触，影响传热效果，对于裸板还会增加表面氧化。反之，当间隙较小时，冷却效率得到保证，但模具与材料间较大的摩擦力会影响零件成形并加速模具磨损[6]。一般凸凹模的间隙，可设定为板材厚度 ＋0.05mm以下。

在成形过程中，板材的热量先传递给模具，再通过模具内部设置的冷却回路带出模具。冷却回路的配置应能提供足够的冷却能力，并保证模具各部分散热均匀且在每一次冲压前保持温度一致。常用的冷却介质为水，其流动性好，比热容大，成本较低，易于获取。为达到足够的冷却能力，冷却水温度应控制在5～20℃。如果冷却能力不足，则不能顺利实现淬火得到马氏体组织。如果模具各部分散热不均匀，得到的零件的各部分组织也会呈现不均匀分布，进而影响到力学性能。如果模具在每一次冲压时温度不同，同样会因为冷却速度和成形温度的不同影响到零件质量的稳定性。冷却回路的配置设计需要考虑冷却孔径的大小、冷却孔中心距模具型面的距离，以及冷却孔的间距和布置方式等。其中影响模具冷却能力的因素，按作用由强到弱依次为冷却孔中心到模具表面距离、冷却孔间距及冷却孔径。考虑到冷却能力、模具强度、加工性等，当冷却孔径取D时，可取冷却孔到模具型面距离和冷却孔间距为（1.5～2）D。

近年来，为进一步提高冷却速度，缩短冲压机保压时间，已有国外机构，如日本制铁株式会社，开始研究直接冷却模具，即通过在模具表面设置喷水孔，直接利用冷却水来冷却高温板材。通过这一技术，有望将保压时间缩短至2.5s，实现10spm以上的生产节拍[7]。

因为热成形模具的设计工作量及模具制造成本都很高，所以不适宜用传统设计方法以实物进行设计和试验。利用Ls-DYNA、AutoForm、DynaForm、Pam-stamp等一批数值模拟板材成形CAE软件，可极大地提高热成形模具的设计效率（见图14）。

图14 热成形模拟温度变化

4.4 自动化搬运设备

自动化热成形生产线中使用的自动化搬运设备的主要作用是实现板材在各工序间的搬送。主要包括将由板材叠放而成的垛料分张，并将板材搬送至加热炉的拆垛机，将加热后的板材搬送至冲压机的上料手以及从冲压机取出冲压零件搬送至下一工序的下料手。

（1）拆垛机 无论是规则形状还是预先裁剪接近成品形状的板材，一般都是一张张叠放成垛料进行存放的，因此需要拆垛机将垛料上的板材一张张取出，然后投入加热炉。

常见拆垛机形式有通用工业机器人和专用桁架式机械臂（见图9）两种。

1）工业机器人一般为6轴驱动，可以提供更高的空间运动自由度，因此动作灵活，配置方便，适应性强，设计柔性高。而桁架机械臂一般借助直线导轨导向，伺服电动机与齿轮齿条驱动，仅提供上下、左右、前后方向的直线运动，虽然有的机械臂增加了平面转动，但动作范围仍不如工业机器人灵活。由于桁架机械臂一般是根据厂房、设备布局、流程进行专门定制的，因此通用性较差，不利于改造。

2）从硬件投入成本上看，单台工业机器人的投入在200万元左右，而桁架机械臂的价格在500万元以上，即使是常见的2台机器人的组合配置，仍然是工业机器人的成本相对更低。

3）由于设计上的通用性，工业机器人在通过控制器与各种传感器的配合便利性上更具优势，因此智能化程度高。

4）工业机器人的动作灵活，但相应运动也更复杂，工作速度较桁架机械臂要慢。以携带某200kg装置为例，最大载荷350kg的工业机器人的最大线速度为2000mm/s，而桁架机械臂可以达到2700mm/s，且机器人动作复杂，所需示教成本也更高。

5）工业机器人一般安装于地面支座之上，设计位置时不仅要考虑工作轨迹，还要考虑到运动时与其他设备的干涉。桁架机械臂安装于桁架之上，利用了纵向空间，因此地面配置上只需考虑桁架的支柱部分，节省了空间。

6）拆垛工作对精度要求一般不高。因为板材在加热炉中运动时位置也会发生变化，所以对板料进入加热炉的位置无高精度要求。即便是对加热前在板材上打上编号这种对板材与刻印装置相对位置有要求的情况，拆垛机的重复精度要不低于±0.5mm，也足以满足使用要求。现今，一般工业机器人的重复精度在±0.06mm以上，而桁架机械臂的重复精度也可以做到0.03mm左右。

综上所述，通用工业机器人与桁架机械臂各有特点，具体选择还应根据产品特征、投资成本、生产计划来判断。对于品种较固定且大批量生产的生产线，可以选择专用桁架机械臂来提升生产节拍。

为完成拆垛任务，还有一些配合拆垛机工作的重要设备。

1）垛料台车：垛料台车负责板料的运送并提供简单定位、分张等功能。一般垛料台车被配置在拆垛机附近的轨道上，用叉车或门式起重机将板料搬运至台车上后，再移动到拆垛机附近。随着可自引导运行的AGV（Automated Guided Vehicle）小车应用技术的进步，未来垛料台车可借助AGV小车，从板料储存区域附近直接运行到拆垛机附近的情景也会得到实现。另外，所谓分张就是将层层叠放的板材分离成一张张的，方便拆垛机抓取。由于垛料板材间光滑表面会产生相互黏连，因此如果没有分张器，拆垛机在拾取板材时，就很容易一次抓起2张甚至3张叠放着的材料。常用分张装置是磁力分张器，磁力分张器与垛料接触，借助永磁铁的强磁力分布，使最上面的板材在端处产生较大变形，实现了上下板材的部分分离。

2）双料检测：虽然分张器可以很大程度上减少拆垛机一次抓取不止1张板材的情况，但为了杜绝多张黏连的板材被送入加热炉、甚至是放进冲压机的情况，就需要设置双料检测工序。双料检测借助传感器，根据拾取的板料厚度判断是否存在多张黏连情况。传感器类型有电磁传感器和激光传感器2种：①电磁传感器利用电磁感应来监测透过板材的磁通量，以此判断板材厚度是否过厚。电磁传感器可安装在拆垛机的端拾器上，在抓取板材后同步进行监测。②激光传感器可以利用激光被物体反射后回到传感器的时间来计算传感器到物体的距离。当板材进入固定距离的两个激光传感器之间时，通过距离差就可以算出板材的厚度。为不影响生产节拍，激光传感器可设定在板材的运动路径上，在拆垛机搬运板材经过双料检测区域时快速进行判断。典型激光传感器的测样速率可以达到3000Hz（周期为0.33ms）。

3）端拾器：端拾器一般应用真空吸盘来抓取板材。拆垛机要顺利抓取板材，端拾器的设计至关重要。一方面，真空吸盘的数量，即吸引力要满足高速水平搬运板材的需求。所需的真空吸盘数量可以根据吸盘吸引力等于重力与提供水平加速度的摩擦力之和这一力平衡关系来计算。然后，真空吸盘的设置位置还要考虑到板材的形状。比如，如果吸盘下是孔洞，则真空条件无法达成，不能提供吸引力，因此配置要避开板材上的孔洞、边缘。同时还要尽量使板材受力平衡，不出现头重脚轻之类的现象，以防滑落。另一方面，端拾器结构在满足强度要求的基础上应尽量简单，作轻量化处理，比如采用铝合金或碳纤维材料。因为端拾器安装在机器人或机械臂前端，工作时呈悬臂梁姿势，所以较大的重量会产生极大扭矩，影响到运动速度、动作范围甚至拆垛机寿命。

4）自动工具交换（Auto Tool Change，ATC）：为适应多种不同板材的搬送，可以为拆垛机增加ATC，即端拾器更换功能。要实现ATC，需要在机器人或机械臂端安装ATC主盘，在各个端拾器端分别安装工具盘。主盘与工具盘连接后，可实现电信号与压缩空气的传递。

（2）冲压机上下料手 上下料手一般安装于冲压机上，除端拾器外，运动部分原理与拆垛机相同，均为三轴方向直线运动。

冲压机上料手（见图11）安装于冲压机入口端，负责将经加热炉加热后的板材迅速投入冲压机，放置在模具上。因为对冲压前板材温度有着严格要求，所以对上料手最重要的要求就是迅速。板材经加热炉加热并保温至900℃，在出炉到达出口搬送带上后，暴露在空气中的板材温度就开始以约20℃/s的速度开始下降，而将板材放入模具后，虽然还未加压，但因为与温度较低的模具相接触，板材下降的温度会更快，所以为保证成形质量与淬火质量，一般希望板件在冲压前温度≥750℃。如果按出炉后的板材被上料手抓取时温度为800℃，则整个送料过程最长不能超过2.5s。在实际工程中，上料手可实现从抓取到释放在2s内完成，以保证板材温度不会下降太多。除速度要求外，上料手依然需要关注温度的影响。首先，上料手应设置温度传感器，以确保抓取前的板材温度为800～1000℃。典型红外线温度传感器可在超过1m外测量板材温度，测温范围为－50～1400℃。另外，由于是抓取800℃以上高温的板材，端拾器部分就不能再使用拆垛机上的真空吸盘，而主要采用金属制耐热夹钳（见图15）。上料手一般有两台，这样就能分别夹住板材的前后，然后送入冲压机。因为高温下材料较软，在夹钳压力下可能变形，所以板材的形状在设计时也会考虑到留有专门用来夹取的空间，这部分在冲压后会从零件上除掉。因为热冲压零件强度较高，使用冷加工可能对零件造成损害，所以后处理多使用激光切割系统。

图15 典型热成形用耐热夹钳

总之，上料手端拾器在设计时要考虑到耐高温的问题，如管道线材使用耐高温规格，如有必要还需添加防热板。在上料手的动作设计上，为保证较快的搬送时间，希望板材搬送高度尽量接近模具，因此夹钳的位置在保证正确抓取板材前提下，还要避免在运动中与冲压机内的模具发生干涉。

冲压机下料手安装于冲压机的出口端，形式与上料手相同，负责将冲压零件从冲压机模具中取出，然后搬送至下一工序区域。这个区域可以是装箱检验区，也可以是抛丸涂油区或激光切割区域。因为经冲压成形、淬火降温后的零件温度仍在100～200℃，所以同样下料手端拾器也无法使用真空吸盘。除夹钳外，也可选用耐高温的磁铁吸盘。一种典型的热成形用磁铁吸盘的工作温度可达350℃。夹钳或磁铁吸盘的配置同样要考虑与模具的干涉，夹钳可从侧面抓取零件，而磁铁吸盘需要从上方吸取零件（见图16），因此所需空间更为严格。为保证冲压零件得到足够强度，要求淬火后零件温度在200℃以下，因此在下料手区域可设置温度传感器或热成像仪器，用来监控零件的温度。如果温度不符合标准，下料手会将取出的零件放置在指定位置。

图16 典型热成形用耐热磁铁吸盘

当热成形生产线中各设备都能在安全前提下以最大速度运行时，就能实现最大生产节拍，达到生产的最优化状态。其中，上下料手与冲压机的运动关系很大程度上决定了整线的生产节拍。以工作节拍为6spm的冲压机上下料手运动时间为例（见图17）：冲压机滑块下降中，放置完板材的上料手开始后退，途中模块与上料手正好不碰撞；在保压成形过程中，下料手向模具附近的安全位置开始移动，上料手则准备抓取下一张从加热炉出来的板材；成形结束、滑块开始上升后，下料手尽快进入抓取零件，并且途中与模具正好不碰撞；上料手抓取加热的板材后进入冲压机，与取完零件正在后退的下料手正好不碰撞，以此往复。若实现这样的运转状态，则需要各设备在自动化同期控制系统的控制下协调运动（见图18）。

图17 冲压机、上下料手运动时间实例（工作节拍=6spm）

图18 自动化热成形生产线同期控制系统监控界面

5 结束语

热成形可以制造出高精度、高强度的汽车零部件，在汽车产业得到了广泛应用。由于自动化生产线设计的非标化，即常需要根据厂家具体生产情况及产品计划进行定制化设计，且涉及到材料、塑性成形、热、机械及电气等多个领域，所以实际设计十分复杂。在本文中，在热成形的基本工艺原理之外，又通过列举关键工艺数据，详细介绍了组成自动化热成形生产线的重要设备：加热炉、冲压机、模具和自动化搬运设备的选型和设计内容。未来自动化热成形生产线发展的重点在于优化工艺，以提高生产效率，降低设备成本。伴随着汽车环保、轻量化需求的增加，自动化热生产线和热成形技术的应用也将继续得到推广，且有望在汽车产业之外的领域，如轨道交通、工程机械等领域得到更多 关注。