熱沖壓成形技術(shù)與設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)

文/任曉琪·東營(yíng)廣大金科機(jī)器人有限公司

作為解決“環(huán)境”及“安全”問(wèn)題的重要方法之一，各汽車公司將高強(qiáng)度鋼等材料用于車身骨架，在保證車身強(qiáng)度和剛度的同時(shí)減輕重量，并帶來(lái)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(shù)和設(shè)備，近年來(lái)得到了迅猛的發(fā)展。

板材熱沖壓成形技術(shù)

熱沖壓技術(shù)一般用于開(kāi)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(shù)，一般是將板材加熱到再結(jié)晶溫度以上，內(nèi)部組織呈現(xiàn)出奧氏體態(tài)（此時(shí)板材的流動(dòng)應(yīng)力極大降低），然后進(jìn)行沖壓成形，沖壓后在合模狀態(tài)快速冷卻，使得板材內(nèi)部組織轉(zhuǎn)化為淬火態(tài)的馬氏體從而提高其強(qiáng)度。間接熱沖壓成形主要針對(duì)于沖壓深度深、成形難度大的零件，先使用冷沖壓進(jìn)行預(yù)成形，隨后進(jìn)行熱沖壓成形最終得到所需零件的形狀尺寸及強(qiáng)度。

熱成形裝備及工裝

熱成形生產(chǎn)工藝的不斷完善，帶來(lái)了裝備的不斷更新。隨著國(guó)內(nèi)熱成形線的快速推廣，裝備國(guó)產(chǎn)化已經(jīng)是既成事實(shí)。

目前，熱成形專用高速液壓機(jī)已實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，主要廠家有合鍛、天鍛、徐鍛、重慶江東機(jī)械等，壓機(jī)主參數(shù)之一的滑塊下行速度已突破1000mm/s，遠(yuǎn)超進(jìn)口壓機(jī)剛進(jìn)入中國(guó)時(shí)600mm/s的下行速度，臺(tái)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(jìn)口設(shè)備的代表；國(guó)內(nèi)北京機(jī)電所、大王金泰熱成形項(xiàng)目部均開(kāi)發(fā)出適用于大批量生產(chǎn)的國(guó)產(chǎn)輥底式加熱爐。

多層箱式爐生產(chǎn)線具有占空間小、產(chǎn)能要求相對(duì)不高的特征，主要應(yīng)用于模具廠、鋼鐵廠、高校科研所、汽車設(shè)計(jì)公司等單位。但是隨著汽車制造業(yè)的轉(zhuǎn)型，原先大批量產(chǎn)的汽車制造模式逐漸演化為小批量產(chǎn)，尤其是新能源汽車的興起，為熱沖壓技術(shù)的推廣提供了廣闊的舞臺(tái)，造成箱式爐生產(chǎn)線的崛起，我公司為國(guó)內(nèi)熱成形用戶提供了近二十臺(tái)箱式加熱爐及全套自動(dòng)化系統(tǒng)，如圖2所示。

圖1 板材熱沖壓成形技術(shù)原理過(guò)程

圖2 多層箱式加熱爐送料機(jī)構(gòu)

隨著熱沖壓技術(shù)的不斷普及應(yīng)用，早期設(shè)備的老化和功能上的缺失對(duì)沖壓生產(chǎn)造成影響。我公司率先在國(guó)內(nèi)開(kāi)展了老生產(chǎn)線維護(hù)保養(yǎng)與性能升級(jí)的業(yè)務(wù)，對(duì)早期的生產(chǎn)線進(jìn)行保養(yǎng)維護(hù)和功能升級(jí)。

歐洲企業(yè)壟斷時(shí)，一套兩腔的熱成形模具市場(chǎng)價(jià)大約是400萬(wàn)元。目前，國(guó)內(nèi)模具企業(yè)如上海凌云汽車模具、天汽模、吉林元隆達(dá)等立足自主研發(fā)，熱沖壓行業(yè)已基本擺脫了依賴國(guó)外進(jìn)口模具。同時(shí)，博匯、江東、同捷、科正、輝泰等模具公司也紛紛進(jìn)軍熱成形行業(yè)。2015年，我公司提供的熱成形試模線設(shè)備，采用了一臺(tái)單層加熱爐配自動(dòng)化搬運(yùn)設(shè)備，如圖3所示。

企業(yè)自從采用了該設(shè)備，當(dāng)年熱成形模具銷售額就完成了3000萬(wàn)元，而他們只有二十多名員工。隨著時(shí)間的推移，該模具廠逐漸成長(zhǎng)，2年后，采購(gòu)了我公司的第二代試模線設(shè)備，配有三層加熱爐和自動(dòng)化的試模線設(shè)備，如圖4所示。該公司的熱成形模具年度銷售額達(dá)到了1.5億元，團(tuán)隊(duì)員工增加到了60人，而這時(shí)模具的價(jià)格跌到了200萬(wàn)元。

圖3 第一代熱成形試模線設(shè)備

圖4 三層箱式電加熱爐

目前，國(guó)內(nèi)沖壓企業(yè)（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(chǎn)線，絕大部分生產(chǎn)設(shè)備采用國(guó)內(nèi)自主生產(chǎn)配套，極大降低了熱沖壓零件的制造成本。

未來(lái)技術(shù)的發(fā)展

管類零件的熱成形，需要在一個(gè)零件上實(shí)現(xiàn)不同部位強(qiáng)度不同，目前采用了開(kāi)弱化孔、不等厚板激光拼焊、變厚度軋制等技術(shù)，采用均一材質(zhì)的梯度強(qiáng)度熱沖壓零件可以簡(jiǎn)化制造流程、降低成本。目前國(guó)內(nèi)有凌云股份、我公司及其他單位在合作研發(fā)該產(chǎn)品，包括軟區(qū)線性過(guò)渡產(chǎn)品（圖5）。

實(shí)現(xiàn)該項(xiàng)技術(shù)的工藝手段有多種，性價(jià)比和可靠性最理想的方案是在構(gòu)建一種合理的加熱爐，該種加熱爐將擁有梯度強(qiáng)度（軟區(qū)）功能、并線生產(chǎn)管類氣脹熱成形零件功能等，我們的方案是設(shè)計(jì)各種功能模塊，將這些功能模塊整合到加熱爐內(nèi)或外部，并可以將功能模塊添加到已有的生產(chǎn)線中。

圖5 軟區(qū)零件工藝要求

結(jié)束語(yǔ)

熱成形技術(shù)是源自超強(qiáng)鋼板的一種加工技術(shù)，采用形變與相變結(jié)合的制造工藝。目前國(guó)內(nèi)在鋁板沖壓方面也采用類似的技術(shù)，來(lái)提高零件的強(qiáng)度和成形性。鋁板熱沖壓技術(shù)的核心之一是加熱技術(shù)，如蔚來(lái)汽車、同捷汽車等公司就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了7系鋁板的熱沖壓成形。但是，由于鋁板熱處理中液相擴(kuò)散較慢、溫度窗口窄等原因，常規(guī)的加熱手段很難在效率和質(zhì)量把控上取得滿意的效果。為此，采用對(duì)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(shí)間，改變時(shí)效處理要求，才是推動(dòng)鋁合金熱成形應(yīng)用的理想方案。