文／馬鳴圖，馮儀，方剛·中國汽車工程研究院股份有限公司

賴一陽·中關村兵器北方車輛軍民融合智造加速器科創(chuàng)園

趙巖·北京理工大學重慶創(chuàng)新中心

李波·中新(重慶)超高強材料研究院有限公司

汽車產業(yè)的發(fā)展方向

為擺脫傳統(tǒng)汽車工藝所帶來的油耗、排放、安全三大問題，汽車產業(yè)正在向電動化、智能化和輕量化發(fā)展。

⑴近年來，新能源汽車得到國家的高度重視，并得到迅速發(fā)展。2020 年中國新能源汽車銷量達到136.7 萬輛，2022 年新能源汽車銷量達到688.7 萬輛，其中純電動達到536.5 萬輛，插電混動為151.8 萬輛。與此同時，在發(fā)展電動車時需認真考慮我國的電力能源結構，只有解決儲能電池的原料和回收問題才能夠保證電動車的健康發(fā)展。

⑵智能化是汽車工業(yè)發(fā)展水平的體現(xiàn)，不僅能減輕駕乘人員的勞動強度，還能有效減少汽車安全事故的發(fā)生。同樣，智能化也應該嚴格貫徹汽車制造、使用和回收的全過程管理體系。

⑶輕量化是汽車節(jié)能減排最直接而有效的手段，體現(xiàn)了汽車工業(yè)發(fā)展水平，是汽車工業(yè)長遠健康發(fā)展所應必須遵守的準則。作為輕量化的兩大前提條件：首先，必須保證汽車功能不受影響；其次，保證或提升安全性，能夠滿足汽車各類安全法規(guī)的嚴格要求。

圖1 為汽車各類構件的公共產業(yè)要求和相關安全法規(guī)要求，這就使得高強度鋼和超高強度鋼的應用成為了必要，高強度鋼和超高強度鋼既可以提升安全性，又能夠保證輕量化需求，是其他材料無法比擬的高性價比的材料。然而高強度鋼成形困難，成形構件的回彈大，成形模具的磨損也大，為了解決超高強度鋼制造復雜零件的成形問題，熱沖壓成形技術應運而生。

圖1 汽車各類安全碰撞法規(guī)

熱沖壓成形技術的發(fā)展

2014年熱沖壓成形產業(yè)和技術剛開始進入中國，便得到了極為迅速的發(fā)展，并在世界范圍內得到迅速的發(fā)展。2017年全世界已有530條熱沖壓成形生產線，其中中國、歐洲、北美各占四分之一。2018 年，全世界的熱沖壓成形生產線達到580 條，中國擁有數(shù)量達到180 條；2020 年，中國擁有的熱沖壓成形生產線數(shù)量達到200 條，2021 年數(shù)量變?yōu)?39 條，2022年數(shù)量已接近260 條。中國熱沖壓成形生產線的分布情況見圖2。

圖2 2021 年中國熱沖壓成形生產線分布情況

從筆者的親身經歷來看，還沒有任何一種產業(yè)技術能夠在引入中國后發(fā)展得如此之快，這是一種國內外都極為少見的發(fā)展速度，熱成形產業(yè)技術在中國得到迅速發(fā)展的原因也是多方面的。

⑴強烈的市場需求，2000 年以后中國汽車工業(yè)迅速發(fā)展，到2017 年中國汽車產量已接近3000 萬輛，中國汽車產品需要輕量化和提升安全性能，這就為熱沖壓產品的應用提供了廣闊的市場空間，也迅速推動了熱成形產業(yè)和技術在中國的發(fā)展和應用。與此同時，隨著熱沖壓成形生產線的大量建設，在激烈的市場競爭下，產品和熱成形材料價格均大幅度下降，進一步刺激了主機廠對熱成形產品的興趣和應用。

⑵隨著對熱成形技術工藝裝備材料的認識和研發(fā)有了一定的普及和基礎，到2014 年在中國由中汽院和華科大聯(lián)合發(fā)起“先進高強度鋼和熱沖壓成形”的國際會議(International Conference on Advanced High Strength Steel and Press Hardening，簡稱ICHSU)，并于2014 年在重慶召開了首屆，至今為止已成功召開了6 屆，公開出版論文550 余篇，由瑞典呂勒奧理工大學和德國卡塞爾大學聯(lián)合發(fā)起的“高性能鋼熱板成形技術國際會議(Hot Sheet Metal Forming of Highperformance Steel，簡稱CHS2)”，從2005 年每兩年一屆，到2019 年已成功召開了7 屆，出版論文集7 集，收集各類文章500 余篇。首先，兩大國際會議的召開和論文集的出版，不僅推動了該領域的技術快速發(fā)展，以及產業(yè)的擴大和技術的成熟和完善，還使熱成形在中國的普及有了穩(wěn)固的技術基礎；其次，熱成形的技術工藝、裝備材料等相關技術的國產化工作取得了較大的進展，如今相關的技術裝備材料工藝基本都生成了我國的專有技術，成功實現(xiàn)了國產化，投資價位也大幅度下降；再次，國內高校科研單位與其相結合組成了產學研用的聯(lián)合體，再加上政府的臨時專項和強基計劃的支持，在熱成形工藝技術和產業(yè)化方面做了大量的研發(fā)工作，并取得了較大的進展。

盡管如此，熱成形產業(yè)和技術的迅速發(fā)展也暴露出了一些問題：

第一大類問題，如連續(xù)式的輥道爐上輥子的壽命問題，鋁硅涂層板材(Alumino-silicon coating sheet)或構件，涂層與輥子表面的粘連問題，熱成形產品或裝備的應用規(guī)范問題，液壓設備的油缸活塞的磨損問題和由此產生的漏油問題，進口設備的壽命和維修問題，這些都影響了設備的使用和潛能的發(fā)揮。

第二大類問題，包括材料的強度級別問題、涂層板的種類和厚度層選用問題、熱成形產品的強度和延性的匹配問題、超高強鋼的氫脆問題。

第三大類問題，大型熱成形零件功能的評價問題、超大型零件的熱成形模具的設計制造模擬等相關技術問題、超高強零件的裝備開發(fā)或應用的問題，如何發(fā)揮自主知識產權生產線的建設或批量生產問題，或者說商用車熱沖壓成形零件的開發(fā)和應用問題。

第四大類問題，引進乘用車技術和裝備的國產化問題，切實做好引進產品的替代問題。

智能制造技術和系統(tǒng)

智能制造的含義就是面向產品全生命周期，實現(xiàn)廣泛感知條件下的信息化制造，是信息化與工業(yè)化深度融合的產物。智能制造技術是充分利用現(xiàn)代傳感技術、網(wǎng)絡技術、自動化技術、擬人化數(shù)字技術等先進技術，特征包括云計算大數(shù)據(jù)、人工智能技術、信息物理的融合技術、工藝信息安全技術、無線傳感技術等，通過智能化的感知、人機交互、決策和執(zhí)行技術，實現(xiàn)設計、制造過程與裝備的智能化。

智能制造系統(tǒng)是由智能機器和人類專家共同組成的智能化系統(tǒng)，不僅可以在制造過程中通過計算機模擬相關結果和進行數(shù)據(jù)的分析、推理、判斷、構思和決策等，還可以收集、存貯、完善和共享制造過程中的結果和數(shù)據(jù)，不斷完善和完成產品制造的全過程。通過智能制造系統(tǒng)實現(xiàn)產品質量的可追溯、生產設備可感知、生產工藝過程可管控，生產工藝過程中的各類數(shù)據(jù)可分析、各類經驗可學習等目標。

新一代智能制造系統(tǒng)是融合了人、物理的一個完整的生態(tài)系統(tǒng)，通過人的智能工作對生產數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)等進行分析和優(yōu)化，通過各類信息的集成建造流程控制系統(tǒng)，并建立起基于云數(shù)據(jù)的分析系統(tǒng)，然后通過傳感網(wǎng)絡將相關系統(tǒng)融合在一起。新一代智能制造系統(tǒng)的最本質特征是使信息系統(tǒng)增加了認知和學習的功能，不僅具有強大的感知計算分析和控制能力，更具有了學習提升與產出知識的能力，正是擁有這樣一個階段，新一代的智能技術將使人、信息物理系統(tǒng)發(fā)生質的變化，形成新一代的人、信息物理系統(tǒng)，這一系統(tǒng)將包括將人的部分學習型的腦力勞動轉移給數(shù)據(jù)庫的信息系統(tǒng)，從而賦予該系統(tǒng)具備了認知和學習的能力，并通過“人在回路”的融入進一步混合增強智能，人機深度融合將從本質上提高系統(tǒng)處理復雜不確定性問題的能力，極大提高制造系統(tǒng)的技能。因而，熱成形工藝過程就需要這種以智能制造為基礎的人機互動的工藝過程。

熱成形工藝過程解析

熱成形工藝分為直接熱成形工藝和間接熱成形工藝，如圖3 所示。對于熱成形加熱和冷卻過程中的設計與控制，是一個典型的智能制造過程，具體工藝過程如下。

圖3 兩類熱沖壓成形工藝對比

⑴機械手上料、入爐：需要準確定位。

⑵加熱：需要準確控制溫度。

⑶工件出爐：需要準確定位。

⑷機械手將工件傳遞到壓機：需要準確定位。

⑸成形和淬火：需要準確控制工藝參數(shù)。

⑹工件取出和精確安放。

⑺工件組織、性能和尺寸檢測。

⑻每條工序都需要自動化控制。

⑼工藝過程中設備和檢測聯(lián)動需合理總線控制。

⑽自動控制過程中的參量要滿足工藝的需求。

⑾生產過程中故障發(fā)生、診斷、排除以及故障處理決策的確定。

⑿根據(jù)數(shù)據(jù)檢測結果和自學習過程，確定工藝過程中參量調整的指令。

實現(xiàn)熱沖壓成形工藝制造的條件

生產線上所有裝備都必須具有自動化的條件和自動化運行的能力；各設備單獨運行的特點可以進入總線控制系統(tǒng)；單臺設備故障具有預警能力、自修復能力，并具有保證總線正常運行的故障修復建議的能力；每臺設備還具有數(shù)字化的運行能力和對工藝適應性的調整能力。

熱沖壓成形材料具有完整的數(shù)據(jù)庫，包括摩擦系數(shù)對溫度的依賴性，不同裸板和鍍層板的表面狀態(tài)特點及受溫度的影響，例如不同溫度下的成形極限圖，模具的導熱系數(shù)、傳熱能力，熱成形鋼的連續(xù)冷卻轉變曲線，熱成形鋼的加熱和冷卻時的一些特征點等；模具的冷卻速度與不同厚度工件的組織轉變；非馬氏體組織的自動檢測；組織組成和硬度之間的關系；液流速度和冷卻能力之間的關系；熱成形件的組織和硬度的自動檢測和工藝過程中的自動調整。

建立全系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，且具有自學習和數(shù)據(jù)挖掘的功能，以使熱成形零件的制造過程具有自動的糾錯和零件強度級別、板材厚度變化時的工藝調整功能以及性能預報的能力。熱成形材料性能數(shù)據(jù)庫包括材料的成分、表面狀態(tài)、涂層結構、摩擦性能，不同溫度下的流變曲線，不同溫度下的成形性，相變特征，連續(xù)冷卻轉變曲線，變形條件下的連續(xù)冷卻轉變曲線，供貨狀態(tài)的組織、晶粒度、馬氏體板條束的大小以及組織和性能之間的關系，不同應變速率下材料的本構方程；典型零件的數(shù)據(jù)庫包括3D 圖、壓潰吸能、碰撞吸能、零件功能和材料性能之間的關系、成形工藝對零件功能的影響、零件的失效模式、材料氫脆敏感性和零件氫脆敏感性以及環(huán)境的影響。數(shù)據(jù)庫中應具有各種自學習系統(tǒng)，以使零件在成形過程和成形后產生各種性能不足或成形缺陷時具有自糾偏的功能。

系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)庫：整個系統(tǒng)運行過程中應具有相關的數(shù)據(jù)庫，包括正常運行、故障的產生和分析、故障的排除、故障的預報等。

在目前缺少相關數(shù)據(jù)庫的條件下，可以充分利用云服務平臺構建相關的智能化的熱成形應用的控制和模擬系統(tǒng)。東莞豪斯特的這類系統(tǒng)架構如圖4所示。

圖4 東莞豪斯特智能化熱成形應用控制和模擬系統(tǒng)