文／張宜生，王義林·華中科技大學(xué)材料成形與模具技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

高強(qiáng)鋼熱沖壓成形工藝及生產(chǎn)線

文／張宜生，王義林·華中科技大學(xué)材料成形與模具技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

高強(qiáng)鋼熱沖壓成形(hot stamping或Press hardening）技術(shù)首先在瑞典得到開發(fā)并注冊(cè)專利，一家名為Plannja的瑞典公司是專利的所有者，并采用這項(xiàng)技術(shù)生產(chǎn)鋸片和割草機(jī)刀片。在80年代初期，高強(qiáng)鋼熱成形零件首次用于乘用車的側(cè)防撞梁。自2000年以來，隨著汽車輕里化的需求發(fā)展，熱成形零件的年增長率到達(dá)100萬件以上。2008年以后，高強(qiáng)鋼熱成形技術(shù)在國內(nèi)外汽車制造業(yè)的發(fā)展非常迅速，在汽車領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。從2012年10月CHS2組織發(fā)表的數(shù)據(jù)可知，2012年全球高強(qiáng)鋼用里為180萬噸，在2014年將達(dá)到250萬噸，高強(qiáng)鋼熱成形零件達(dá)到5億件以上。用在每輛車中的零件數(shù)里也大大增加，一些公司正在研究采用熱成形件構(gòu)造車身整體結(jié)構(gòu)的可能性。

中國經(jīng)歷了依靠全套引進(jìn)技術(shù)和設(shè)備的階段，并逐步開始了熱成形技術(shù)研究和裝備國產(chǎn)化的進(jìn)程。在自主研發(fā)熱成形裝備，開發(fā)新的材料與熱成形工藝的同時(shí)，必須解決熱成形技術(shù)及裝備制造的關(guān)鍵技術(shù)，通過自主創(chuàng)新和突破，為先進(jìn)熱成形技術(shù)與裝備的產(chǎn)業(yè)化服務(wù)。

以下內(nèi)容全部源自于華中科技大學(xué)材料成形與模具技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室高性能金屬成形技術(shù)團(tuán)隊(duì)的研究成果。

熱成形材料及工藝

高強(qiáng)鋼鍍層板的應(yīng)用

在熱成形技術(shù)快速發(fā)展過程中，特別是過去幾年鋼的型號(hào)幾乎保持不變，例如22MnB5。材料的開發(fā)主要集中在尋找合適的表面涂層材料和涂鍍技術(shù)、防止材料在爐中加熱氧化、以及服役期間的抗腐蝕保護(hù)等問題上。

⑴Al-Si鍍層板的熱力學(xué)性能。

目前的高強(qiáng)鋼板分為無鍍層板和鍍層板，無鍍層板的加熱需要惰性氣體或還原性氣體的保護(hù)，并通過后期的零件拋丸處理改善表面質(zhì)里，而鍍層板在加熱和輸送環(huán)節(jié)中具有抗氧化的優(yōu)點(diǎn)。圖1所示為無鍍層板和帶Al-Si鍍層硼鋼板力學(xué)性能比較的結(jié)果。從圖1可以看出，無鍍層板和帶Al-Si鍍層硼鋼板在低應(yīng)變速率下（0.01/s和0.1/s）的抗拉強(qiáng)度的差異很小。當(dāng)應(yīng)變速率提高到1/s時(shí)，二者抗拉強(qiáng)度的差異增大。由于表面鍍層抑制了金屬基體中位錯(cuò)從基體向鍍層方向的往外遷移，基體中位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的減緩和位錯(cuò)增殖的減少導(dǎo)致了Al-Si鍍層板韌性的下降。

形變溫度對(duì)流動(dòng)應(yīng)力有著顯著的影響。變形溫度較高時(shí)，流動(dòng)應(yīng)力呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)軟化行為。隨著變形溫度的降低，流動(dòng)應(yīng)力曲線呈現(xiàn)出加工硬化行為。通過拉深實(shí)驗(yàn)還可以觀察到，同一應(yīng)變速率下，流動(dòng)應(yīng)力和峰值應(yīng)力隨著變形溫度的降低而升高。此外，隨著應(yīng)變速率從0.01/s提高到1/s，峰值應(yīng)力也升高，可見，Al-Si鍍層對(duì)熱成形硼鋼板的力學(xué)性能產(chǎn)生了不可忽視的影響。

圖1 無鍍層板和鍍層板力學(xué)性能比較

在拉深過程中，試樣表面Al-Si鍍層中的微裂紋在拉應(yīng)力作用下首先沿著垂直于基體板材方向擴(kuò)展，形成I型裂紋。當(dāng)裂紋到達(dá)鍍層/基體界面后，由于界面結(jié)合強(qiáng)度低于基體強(qiáng)度，裂紋的擴(kuò)展受到基體的阻礙，轉(zhuǎn)向平行于鍍層/基體界面方向擴(kuò)展，并在剪應(yīng)力作用下，形成II型裂紋。Al-Si鍍層裂縫的寬度和密度隨著變形溫度的降低以及應(yīng)變速率的升高而增加。因此在進(jìn)行帶鍍層鋼板的熱沖壓成形時(shí)，變形溫度應(yīng)高于750℃，應(yīng)變速率應(yīng)低于0.1/s。

⑵伴有界面剝離的表面鍍層開裂。

圖2 熱變形試樣SEM形貌觀察

圖2所示為拉深變形后試樣的SEM截面形貌觀察。當(dāng)逐漸加載拉應(yīng)力時(shí)，脆性鍍層中出現(xiàn)裂紋，這些裂紋從鍍層表面擴(kuò)展至鍍層/基體界面，最后沿著垂直于試樣截面方向擴(kuò)展，如圖2a所示。在拉應(yīng)力的作用下形成I型裂紋，如圖2b所示。此裂紋沿垂直于鍍層/基體界面方向擴(kuò)展，并穿透鍍層，受到基體的阻礙后在界面處停止擴(kuò)展。開裂的鍍層或者依舊附著在基體表面，或者沿鍍層/基體界面剝離，這取決于鍍層/基體界面結(jié)合強(qiáng)度和基體強(qiáng)度。

⑶抑制裂紋擴(kuò)展的方法。

為了提高鍍層的抗氧化作用以及成形后零件的耐蝕性，應(yīng)當(dāng)采取有效的措施，避免或抑制Al-Si鍍層在成形過程中產(chǎn)生開裂失效。

1）減少裂紋萌生。在奧氏體化過程中，Al-Si鍍層與基體之間發(fā)生Ee、Al、Si元素的相互擴(kuò)散，形成多種成分、微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)以及熱學(xué)性能均不相同的金屬化合物，導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。金屬化合物的轉(zhuǎn)變引起的體積變化對(duì)微裂紋和孔隙的產(chǎn)生也有一定的影響。因此可利用奧氏體化提高鍍層中的組織均勻性，減小組織應(yīng)力，降低微裂紋的密度。

2）降低鍍層在變形過程中受到的拉應(yīng)力，可以通過優(yōu)化零件結(jié)構(gòu)和制定合理的成形工藝降低風(fēng)險(xiǎn)。

3）提高初始變形溫度。裂紋密度隨著變形溫度的提高而降低。在鍍層板熱沖壓成形時(shí)，宜采用更高的初始變形溫度，增強(qiáng)鍍層和基體的變形協(xié)調(diào)能力。為獲得較高的初始變形溫度，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)提高奧氏體化溫度或縮短送料時(shí)間。

模具與坯料的接觸導(dǎo)熱問題

熱沖壓成形與冷沖壓成形一個(gè)關(guān)鍵區(qū)別就是熱沖壓成形涉及到冷卻淬火過程，在數(shù)值模擬時(shí)需要引入熱力耦合計(jì)算方法，在模擬計(jì)算過程中，與熱有關(guān)的參數(shù)至關(guān)重要。零件最終力學(xué)性能與板料成形中的冷卻路徑有直接關(guān)系，板料的熱散失主要依靠板料與模具之間的熱傳導(dǎo)完成，因此板料與模具之間的接觸熱阻是極其重要的參數(shù)，它決定了板料與模具的導(dǎo)熱過程，影響模擬計(jì)算的精度。

⑴接觸界面熱流密度。

測(cè)溫實(shí)驗(yàn)采用了簡化模型（圖3），目的是排除其他影響因素，以便平模測(cè)溫實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在板料中部、模具與板料接觸表面附近焊接上熱電偶。模具保持室溫狀態(tài)，板料被加熱到930℃直到完全奧氏體化。平模實(shí)驗(yàn)中坯料的各個(gè)測(cè)溫點(diǎn)實(shí)測(cè)溫度曲線如圖4所示。由于板料在運(yùn)送到模具上方后，坯料先與下模接觸，故下模溫度會(huì)先于上模緩慢升溫，當(dāng)上下模合模之后，模具溫度會(huì)陡然上升。因此，在模具上設(shè)計(jì)托料架，防止坯料與模具局部先期接觸，是提高冷卻同步的必要措施。

圖3 平模測(cè)溫實(shí)驗(yàn)?zāi)＞咴O(shè)計(jì)示意圖

圖4 實(shí)測(cè)平模模具測(cè)溫點(diǎn)溫度曲線

根據(jù)平模的熱傳導(dǎo)模型，可以計(jì)算模具與板料界面的熱流密度，在不同壓強(qiáng)（2.5MPa，10MPa，20MPa和30MPa）條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)以確定接觸熱阻隨壓強(qiáng)變化。壓強(qiáng)2.5MPa和10MPa下接觸界面熱流密度如圖5所示。可以看到，壓強(qiáng)越高，通過界面的熱流密度越大。峰值越大，壓強(qiáng)越小，通過界面的熱流密度越平緩。在相同實(shí)驗(yàn)條件下，通過界面的熱里總和是相同的，故在較大壓強(qiáng)下，馬氏體相變產(chǎn)生的熱里對(duì)通過界面熱流密度影響較小。

圖5 不同壓強(qiáng)下接觸表面熱流密度

⑵界面接觸熱阻的計(jì)算與測(cè)試。

接觸熱阻在淬火保壓階段隨溫度下降而下降，并在馬氏體相變開始溫度附近出現(xiàn)奇點(diǎn)，隨著壓強(qiáng)的增大，奇點(diǎn)幅度越來越小。當(dāng)壓強(qiáng)為30MPa時(shí)，奇點(diǎn)已經(jīng)不明顯（圖6）。

⑶非均勻溫度場(chǎng)對(duì)熱成形零件質(zhì)里的影響。

非均勻冷卻會(huì)使零件力學(xué)性能分布不均勻，甚至?xí)沽慵a(chǎn)生局部應(yīng)力集中而在淬火保壓過程中出現(xiàn)零件開裂和裂紋等缺陷。溫度場(chǎng)不均勻的原因是坯料與模具之間的間隙特征。實(shí)際成形過程中，模具與坯料有些位置接觸緊密，在不受力部位可能會(huì)出現(xiàn)間隙，零件與模具不可能完全同步、均勻的接觸，如圖7所示。不同部位的冷卻速率如圖8所示。

圖7 典型的W型件與坯料接觸的溫度場(chǎng)分布

圖8 不同部位的冷卻速率存在較大的差異

對(duì)比分析均勻冷卻和非均勻冷卻時(shí)零件溫度場(chǎng)分布及邊界熱流密度分布，可以發(fā)現(xiàn)在零件側(cè)壁及底部由于接觸不良導(dǎo)致冷卻緩慢，而在圓角等部位由于接觸壓強(qiáng)較大而冷卻較快。冷卻不同步出現(xiàn)的溫差可使零件在淬火保壓過程中出現(xiàn)局部應(yīng)力集中而產(chǎn)生缺陷。

高溫下板料與模具的摩擦行為研究

熱沖壓成形時(shí)必然伴隨著摩擦和潤滑，界面摩擦不是材料的固有特性，它與鋼板特性、表面形貌、接觸方式、潤滑方式等多種復(fù)雜因素有關(guān)。而在大多數(shù)沖壓過程的有限元模擬中，摩擦模型多采用簡單的庫倫摩擦公式，摩擦因子也往往取定值，這樣就影響了有限元模擬的精度。為了獲得較準(zhǔn)確的熱沖壓模擬結(jié)果，必須探索研究在高溫條件下高強(qiáng)鋼板和模具材料之間的摩擦磨損機(jī)理。本課題采用華中科技大學(xué)自主開發(fā)的摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行研究，研究發(fā)現(xiàn)，高溫下的高強(qiáng)鋼與模具的摩擦因子高于常溫下的摩擦因子。在室溫和500℃時(shí)，摩擦因子平均值比較接近，大約為0.25；在600℃時(shí)，摩擦因子平均值增至0.34；而在700℃時(shí)，摩擦因子平均值增加為0.41，如圖9所示。

圖9 不同溫度下摩擦因子的平均值

通過加入控制氮?dú)鈱?duì)運(yùn)動(dòng)中的試件進(jìn)行冷卻，在冷卻速率為36℃/s，移動(dòng)速度為20mm/s的條件下，摩擦因子從0.3波動(dòng)上升到0.55左右，如圖10所示。

圖10 冷卻過程中的摩擦因子的變化

在25mm/s移動(dòng)速度下，摩擦溝壑的邊緣也十分粗糙，磨損方式為粘滯磨損，如圖11a所示。在75mm/s移動(dòng)速度下，摩擦溝壑寬大而且較淺，溝壑邊緣平滑并且沒有嚴(yán)重的粘滯磨損，如圖11b所示。通過熱成形試件的高溫摩擦行為的研究，有助于校正數(shù)值模擬的摩擦因子，提高計(jì)算精度。模型經(jīng)校正后，總的成形性分析計(jì)算的精度、材料變薄開裂的預(yù)測(cè)可行性得到提高。

圖11 經(jīng)過摩擦試驗(yàn)的高強(qiáng)鋼板表面形貌

高強(qiáng)鋼加熱過程的組織模擬

從“加熱”、“成形”、“冷卻”、“相變”到“零件切割”的全流程，都需要更加精心的計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬，以提高全流程設(shè)計(jì)的穩(wěn)健性。從2012年開始，華中科技大學(xué)在材料加熱和激光切割方面的研究取得國際認(rèn)可的進(jìn)展。

經(jīng)過多年研究，基于元胞自動(dòng)機(jī)法，建立了一種新的亞共析鋼奧氏體化計(jì)算模型。該模型涵蓋了奧氏體在珠光體的形核長大，鐵素體在奧氏體中的生長，以及奧氏體的粗化3個(gè)過程。將高強(qiáng)鋼簡化為Ee-Mn-C三元合金系統(tǒng)，導(dǎo)出了鐵素體在奧氏體中生長驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算公式，建立了界曲率驅(qū)動(dòng)的奧氏體晶粒粗化的計(jì)算模型。應(yīng)用該模型研究了高強(qiáng)鋼加熱奧氏體化過程的微觀組織轉(zhuǎn)變，可以模擬高強(qiáng)鋼在保溫過程中，珠光體和鐵素體組織向奧氏體轉(zhuǎn)變以及奧氏體粗化和碳擴(kuò)散的過程，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，如圖12所示。

圖12 高強(qiáng)鋼在不同溫度和不同保溫時(shí)間下的碳濃度分布

由試驗(yàn)及模擬結(jié)果可知，奧氏體在鐵素體中的生長可粗略分為3個(gè)階段：⑴在開始時(shí)，對(duì)原珠光體區(qū)域具有更豐富的碳濃度，溫度越低，奧氏體的生長越慢；⑵隨著奧氏體晶粒的生長，在界面上的碳濃度梯度逐漸減小；⑶隨著溫度的升高，驅(qū)動(dòng)力急劇增加。

熱成形零件的三維切割速度與質(zhì)量

熱成形零件的切邊打孔后續(xù)加工，一般采用三維激光切割工藝。由于高強(qiáng)度熱沖壓后的材料強(qiáng)度高，模具磨損大，不易采用常規(guī)的模具沖切方法。通過計(jì)算機(jī)模擬和實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)助燃?xì)怏w與激光束的同步誤差，特別是激光束的位置滯后熔化孔的前沿，將導(dǎo)致激光束能里利用率大大降低，而在三維軌跡變化較劇烈的時(shí)候，激光束的運(yùn)行速度會(huì)出現(xiàn)較大的波動(dòng)，破壞激光束對(duì)切割前沿的跟蹤。通過新的切割模型的建立和計(jì)算驗(yàn)證，提出了基于新的激光切割熱源模型的工藝方法，可以減少切割斷面的周期性條紋。新的模型方法可以用于降低表面粗糙度的最優(yōu)參數(shù)選擇，熱影響區(qū)（HAZ）的組織分布的確定（圖13），已經(jīng)被實(shí)驗(yàn)所證明。

實(shí)驗(yàn)測(cè)得在1.8m/min的切割速度下，表面外觀有明顯的條紋，而在3m/min的切割速度下無明顯的條紋（圖14）。采用優(yōu)化的激光切割工藝參數(shù)，可以用較低激光功率（250～400W）獲得較低的表面粗糙度和較高的切割速度。

圖13 熱影響區(qū)的組織結(jié)構(gòu)圖

圖14 切割面的粗糙度的優(yōu)化改進(jìn)結(jié)果

熱成形模具冷卻系統(tǒng)的CAD/CAE軟件開發(fā)

熱沖壓模具冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一直是個(gè)難題，特別是冷卻水道的設(shè)計(jì)手續(xù)繁瑣，返工率高。它在很大程度上阻礙了設(shè)計(jì)制造熱沖壓模具的效率，也使得模具成本增高，制造商的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)大。華中科技大學(xué)目前已經(jīng)在主流的三維CAD平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了熱沖壓模具冷卻系統(tǒng)的快速設(shè)計(jì)，集成了自主研發(fā)的冷卻計(jì)算模塊（HSC Cool 7.1CAE）。冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分為三個(gè)步驟：⑴流道中心線的自動(dòng)生成，⑵自動(dòng)進(jìn)行流道與模具的壁厚檢測(cè)，⑶按優(yōu)化布置自動(dòng)生成3D結(jié)構(gòu)圖。

經(jīng)過CAD初步設(shè)計(jì)后，獲得水道結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和模型，進(jìn)行冷卻有限元模擬計(jì)算（圖15和圖16）。然后根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)初步設(shè)計(jì)的冷卻結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整修改，直到獲得合理的冷卻計(jì)算結(jié)果，再進(jìn)一步確定模具的冷卻系統(tǒng)三維設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖。HSC CAD/CAE的一體化系統(tǒng)，加速了熱成形模具的設(shè)計(jì)過程，降低了設(shè)計(jì)制造風(fēng)險(xiǎn)。

圖15 帶冷卻水道的零件穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

圖16 零件與模具間的溫度差分布

熱成形零件的力學(xué)性能的快速無損檢測(cè)

強(qiáng)度是高強(qiáng)鋼零件必不可少的機(jī)械性能檢測(cè)指標(biāo)。然而，傳統(tǒng)的強(qiáng)度拉深試驗(yàn)將導(dǎo)致該部件不可修復(fù)的損壞，并且不適合在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。熱成形零件的力學(xué)性能的無損快速測(cè)試，可以在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行即時(shí)檢測(cè)，提高零件的試驗(yàn)效率。在前期工作基礎(chǔ)上，華中科技大學(xué)開發(fā)了基于MBN硬度（強(qiáng)度）檢測(cè)系統(tǒng)，如圖17所示?；贛BN硬度測(cè)試的方法經(jīng)過了大里的理論和實(shí)驗(yàn)研究。同時(shí)，由于采用MBN測(cè)試的熱沖壓件的檢測(cè)深度在1mm以內(nèi)，并且不產(chǎn)生檢測(cè)的附加應(yīng)力，所以可以滿足熱沖壓件的無損硬度-強(qiáng)度測(cè)里要求。目前的MBN強(qiáng)度檢測(cè)誤差可小于3%～5%，進(jìn)一步改進(jìn)信號(hào)處理方法，精度可以提高到1%～3%。力學(xué)性能參數(shù)的快速現(xiàn)場(chǎng)測(cè)里，可以解決零件試制階段的檢測(cè)困難，加快試驗(yàn)過程。在熱沖壓生產(chǎn)線上，可以用于零件質(zhì)里的抽檢，有效地保障產(chǎn)品質(zhì)里，提高生產(chǎn)效率。

圖17 基于MBN的高強(qiáng)鋼零件無損檢測(cè)系統(tǒng)原理

熱成形生產(chǎn)線開發(fā)

2000kN熱成形試驗(yàn)線的開發(fā)

在傳統(tǒng)的冷沖壓工藝及模具設(shè)計(jì)制造中，除了可以依據(jù)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)人員的工作經(jīng)驗(yàn)外，在缺乏精確設(shè)計(jì)與加工的情況下，試模是必不可少的。一般可以用合模機(jī)或標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行成形試驗(yàn)、零件尺寸檢測(cè)、修模（Eitting）等流程，直至獲得完善的樣品零件。然而，熱沖壓成形需要把坯料加熱到奧氏體化溫度（930～950℃），然后輸送到壓力機(jī)模具上，現(xiàn)有的合模機(jī)、標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備無法完成熱成形零件的試模工作。典型的熱成形試驗(yàn)線由加熱爐、成形壓力機(jī)，以及坯料輸送設(shè)備組成，需要較寬的工藝窗（圖18）以滿足不同材料和工藝的試驗(yàn)。

圖18 熱成形流程的工藝窗示意圖

熱成形試驗(yàn)不僅僅需要合理的試模壓力機(jī)，還需要加熱爐和自動(dòng)輸送裝置，這就構(gòu)成了熱成形零件試驗(yàn)線的基本架構(gòu)，對(duì)壓力機(jī)的要求特別突出。如圖19所示，工藝要求壓力機(jī)滑塊快速空行程下落，在模具接近坯料時(shí)降低速度，在成形過程中保持合理的成形速度；在合模后要進(jìn)行保壓，維持一定的合模壓力，直到完成冷卻過程；為了降低循環(huán)節(jié)拍，保壓結(jié)束后，滑塊要快速回程。此外，先進(jìn)的試模壓力機(jī)，需要自動(dòng)記錄每次試驗(yàn)的滑塊位移、速度、成形、保壓載荷、坯料溫度和出模零件溫度，以及模具的冷卻水溫度等。傳統(tǒng)的方案是選用易于實(shí)現(xiàn)保壓的液壓機(jī)或快速液壓機(jī)實(shí)現(xiàn)。但是，傳統(tǒng)液壓機(jī)的工作能耗較大，對(duì)工作環(huán)境溫度有一定的限制，維護(hù)保養(yǎng)成本較高。而電動(dòng)伺服機(jī)械壓力機(jī)具有更高的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)特性，便于設(shè)置試驗(yàn)工藝參數(shù)，同時(shí)又具有高效低能耗的特點(diǎn)和極低的維護(hù)成本。

圖19 壓力機(jī)滑塊的行程-時(shí)間曲線示意圖

另一個(gè)需要解決的問題是加熱設(shè)備。要將高強(qiáng)鋼板加熱到奧氏體化溫度（930～950℃），然后保溫一段時(shí)間使材料有充分的時(shí)間進(jìn)行碳擴(kuò)散，對(duì)22MnB5類型的無鍍層材料的加熱過程需要300～330s，對(duì)鍍層材料需要更長的時(shí)間（防止加熱過快引起微裂紋擴(kuò)展）。為防止坯料氧化脫落物損傷電熱元件，有些電熱元件要安裝在石英管內(nèi)。為了防止無鍍層板加熱過程中氧化，加熱爐需要輸入經(jīng)過預(yù)熱的惰性氣體或還原性氣體進(jìn)行保護(hù)。被加熱坯料比較柔軟，需要料叉托舉或者機(jī)械卡爪拾取完成出爐轉(zhuǎn)入輸送流程。

由于坯料是直邊或曲邊形狀，厚度為0.8～2.5mm的薄板，出爐和上模時(shí)已經(jīng)不能使用常規(guī)的真空或電磁吸盤，只能用耐熱的機(jī)械卡爪實(shí)現(xiàn)。因此，加熱爐與輸送裝置的配合是一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。采用多關(guān)節(jié)機(jī)器人或三坐標(biāo)直線機(jī)械手是較常用的方法。多關(guān)節(jié)機(jī)器人使用靈活，安裝布置快捷；而三坐標(biāo)直線機(jī)械手運(yùn)動(dòng)速度快，但運(yùn)動(dòng)路徑控制的靈活性不如多關(guān)節(jié)機(jī)器人，一般在大批里生產(chǎn)的熱成形生產(chǎn)線上更具有優(yōu)越性。

2011年建成的華科大-WISCO聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室2000kN熱成形試驗(yàn)線，由電動(dòng)伺服壓力機(jī)、多關(guān)節(jié)機(jī)器人輸送裝置和數(shù)控活動(dòng)爐底箱式加熱爐組成（圖20），它是我國首條自主研發(fā)的完全數(shù)字化的熱成形自動(dòng)試驗(yàn)線。該實(shí)驗(yàn)線的工藝窗口可以適合多種高強(qiáng)鋼材料的試驗(yàn)，可以完成汽車安全件全尺寸零件試制，也可以進(jìn)行小批里零件生產(chǎn)。

8000kN熱成形生產(chǎn)線開發(fā)

⑴伺服壓力機(jī)的模塊化。

為了適應(yīng)不同產(chǎn)能的需要，開發(fā)了模塊化的熱成形壓力機(jī)，其成形噸位從2000kN到12000kN，工作臺(tái)面適合1模2件的中型零件和1模4件的小型零件。其關(guān)鍵技術(shù)是伺服電機(jī)和壓力機(jī)桿系結(jié)構(gòu)的優(yōu)化配置，以及伺服電機(jī)組合驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)。8000kN熱成形壓力機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)采用多伺服電機(jī)剛性同步輸入，加上驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)平衡同步，可以實(shí)現(xiàn)10～30s的生產(chǎn)節(jié)拍，單件生產(chǎn)能耗的各項(xiàng)指標(biāo)處于領(lǐng)先地位。

⑵模塊化多層箱式爐。

圖20 華科大-WISCO聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室2000kN熱成形試驗(yàn)線平面布置圖

可以根據(jù)產(chǎn)能需要配置1～3個(gè)多層箱式爐，每個(gè)箱式爐有5～7層爐膛，滿足不同材料、不同產(chǎn)能和生產(chǎn)率的要求。由于高強(qiáng)鋼坯料加熱耗時(shí)與沖壓成形-保壓耗時(shí)出現(xiàn)嚴(yán)重的節(jié)拍同步困難，必須采用多爐膛并行加熱，實(shí)現(xiàn)加熱與成形節(jié)拍的同步。多層箱式爐與高速自動(dòng)化輸送設(shè)備的結(jié)合，可以減少加熱能耗和設(shè)備占地面積。由于多層箱式爐內(nèi)沒有高溫下的運(yùn)動(dòng)部件，工作可靠性取決于自動(dòng)化輸送設(shè)備的可靠性，可以大大降低加熱爐的維護(hù)成本。多層箱式爐的每個(gè)爐膛可以獨(dú)立地啟動(dòng)與停止，可以靈活配置需要的加熱爐數(shù)里或進(jìn)行區(qū)間調(diào)配。

⑶多機(jī)械手輸送系統(tǒng)。

輸送系統(tǒng)采用多機(jī)械手協(xié)同工作系統(tǒng)。坯料的拆垛、坯料進(jìn)出加熱爐，以及壓力機(jī)的上下料均采用三坐標(biāo)直線機(jī)械手。其核心技術(shù)是快速性和穩(wěn)定性的控制，以及機(jī)械手之間的協(xié)同控制。該生產(chǎn)線采用了7套直線輸送機(jī)械手，完成全流程的自動(dòng)化輸送。

該生產(chǎn)線已經(jīng)投入試運(yùn)行，以便全面獲取各環(huán)節(jié)的技術(shù)參數(shù)，用于總控系統(tǒng)的調(diào)整優(yōu)化，以及系統(tǒng)的穩(wěn)健性試驗(yàn)和安全性試驗(yàn)。

結(jié)束語

金屬板材熱成形技術(shù)是當(dāng)今獲得高強(qiáng)度復(fù)雜幾何形狀零件的最有效技術(shù)。隨著零件性能不斷提高的需要，新的先進(jìn)高強(qiáng)度鋼材料將進(jìn)入這個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。未來的發(fā)展趨勢(shì)是不僅需要高強(qiáng)度，而且需要高塑性。期待高強(qiáng)鋼鋅基鍍層板進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用，使得熱成形產(chǎn)品具有陰極保護(hù)防腐蝕功能。為零件定制力學(xué)性能的變強(qiáng)度成形工藝已經(jīng)成為頂級(jí)技術(shù)而備受重視。全流程模擬技術(shù)的普及應(yīng)用，有助于降低模具設(shè)計(jì)的風(fēng)險(xiǎn)，并不斷降低模具的設(shè)計(jì)制造成本。熱成形裝備正朝著高效率、高可靠性和低能耗方向發(fā)展?？梢灶A(yù)見，先進(jìn)的熱成形生產(chǎn)線可以滿足多品種小批里零件的定制生產(chǎn)和成本控制。高強(qiáng)鋼熱成形零件將如同冷沖壓成形一樣，獲得大規(guī)模生產(chǎn)的質(zhì)里和成本。