熱沖壓技術與生產(chǎn)線規(guī)劃

文/徐漢，陳浩，嚴曉琳·東風設計研究院有限公司

近年來，國家不斷推出關于節(jié)能減排及提升車身碰撞安全的強制性法規(guī)，超高強度鋼的熱沖壓成形技術作為實現(xiàn)汽車輕量化，同時提高車身碰撞安全性的重要途徑之一，在汽車行業(yè)中得到了廣泛應用。本文介紹了熱沖壓成形技術的原理、應用及其工藝，同時探討了熱沖壓車間的生產(chǎn)線規(guī)劃。

熱沖壓成形原理

熱沖壓成形技術是一種零件加工方式，先將坯料加熱至一定溫度，然后快速轉(zhuǎn)移到模具中高速沖壓并保壓淬火，以得到所需外形，同時獲得具有均勻馬氏體組織的超高強鋼零件。根據(jù)板料在送入加熱爐之前是否進行了一次冷沖壓預成形，可將熱沖壓技術分為直接熱沖壓和間接熱沖壓。

近年來，隨著熱沖壓成形工藝的不斷成熟，我國汽車領域使用的熱沖壓生產(chǎn)線的數(shù)量也再不斷上升，國內(nèi)已建成的熱沖壓成形生產(chǎn)線有近50條。2015年中國乘用車銷量約2300萬輛，如果每輛車的A柱、B柱、四個車門防撞桿以及部分底盤件等十多個零件都逐漸改為熱成形件，最終將形成一個約2.3億件熱成形零件的市場需求。要滿足未來這個市場需求至少還需要100條熱沖壓生產(chǎn)線。因此，熱沖壓生產(chǎn)線還有較大的市場和商機。

熱沖壓技術在汽車上的應用

熱沖壓技術在美國、德國、法國、瑞典、日本等國家得到非常廣泛的應用，是汽車行業(yè)認可度較高的，可以有效減輕車重、提高碰撞性能和降低車身制造成本的成形工藝。目前合資品牌轎車熱成形零件應用數(shù)量較多，自主品牌轎車應用較少，但新開發(fā)的車型中大多數(shù)都含有熱成形零件。

熱成形技術在汽車上主要用于車身結(jié)構(gòu)件（圖1），防止碰撞中侵入性破壞，保證生存空間；形狀復雜，采用冷成形尺寸精度難以保證，或者需要多件連接，無法實現(xiàn)整體制造。

目前，大眾系列車型中一般有10%以上的熱沖壓零件的使用比例。全新VolvoXC90Ⅱ代是熱成形零件應用最多的車型，該車型上使用的熱成形硼鋼占車身總重量的40%，駕乘人員所處的整個籠式安全車身均由其打造，同時該車型Euro-NCAP的碰撞成績?yōu)槲逍牵玫搅烁叻帧?/p>

熱沖壓工藝介紹

熱沖壓工藝流程

根據(jù)板料表面是否有鍍層，熱成形工藝可分為鍍層板熱沖壓和裸板熱沖壓，Al-Si鍍層板熱沖壓工藝為開卷落料→板料加熱→熱壓、淬火→激光切割；裸板熱沖壓工藝為開卷落料→板料加熱→熱壓、淬火→噴丸→激光切割。表1中對兩種不同的工藝進行了對比。

圖1 常用汽車熱成形零件

熱沖壓技術類型

熱沖壓技術類型包括等厚等強度板熱成形、激光拼焊板熱成形、軋制差厚板熱成形、補丁板熱成形、等厚變強度板熱成形。目前普遍應用的是等厚等強度板熱成形，激光拼焊板、軋制差厚板、補丁板、等厚變強度板等正在逐步的推廣應用中。

激光拼焊板TWB (Tailor Welded Blanks）是采用激光焊接技術把不同厚度、不同材料的金屬薄板焊接在一起，然后再進行沖壓制作成各種零件，可在同一板料的不同部位實現(xiàn)不同的厚度、強度，與常規(guī)等厚度板料相比其減重效果可達20%。由于TWB可以根據(jù)需要任意進行拼接，因而具有極大的靈活性。但在板料的拼接處存在著厚度的突變，這使回彈預測、模具設計制造、焊縫移動控制成為新的課題；且焊縫引起的材料硬化現(xiàn)象，影響后續(xù)的成形，使TWB不適宜成形車身外覆蓋件。而且激光拼焊板對焊縫的質(zhì)量要求很高，焊縫的開裂也是影響拼焊板成品率的因素之一。

軋制差厚板TRB（Tailor-Rolled Blanks）是通過軋鋼機實施柔性軋制獲得的。在軋制過程中，借助特殊設計的軋機的壓下厚度自動控制系統(tǒng)(液壓AGC），控制軋輥的位置，使其間距實時地調(diào)整變化，從而使軋制出的薄板在沿著鋼板軋制方向上具有預先定制的變厚度分布。

表1 鍍層板與裸板差異對比

在零件生產(chǎn)和制作工藝方面，TRB工藝操作與普通的等厚度板料的成形基本相同，可連續(xù)性生產(chǎn)，生產(chǎn)效率高。而且過渡區(qū)光滑連接，比拼焊板厚度突變的模具設計簡單。在成本方面相比多條焊縫的TWB板，TRB板具有明顯的競爭優(yōu)勢。不過由于TRB技術的板料僅是單一材料牌號，因而零件形狀拼接時靈活性不足，同時，由于是由整塊板料軋制而成，也不能將不同材質(zhì)的鋼板拼接到一起。

補丁板熱成形可根據(jù)需要在零件局部打補丁，提高零件的局部性能。等厚變強度板熱成形可在同一零件的不同部位實現(xiàn)不同強度，板料無厚度變化，與激光拼焊板和軋制差厚板相比，落料成本更低，但減重效果不如激光拼焊板和軋制差厚板。

熱沖壓優(yōu)缺點分析

和傳統(tǒng)冷沖壓相比，熱沖壓有明顯的技術優(yōu)勢，其優(yōu)點主要表現(xiàn)在4方面：⑴熱沖壓成形可以得到超高強度的零件，零件厚度相對較??；提高車身的碰撞性能，實現(xiàn)車身的有效減重；⑵零件成形性相對較好，內(nèi)應力小，幾乎沒有回彈，尺寸精度高；⑶熱沖壓所需的成形力小，對壓機噸位要求小，大多數(shù)情況下，800t 的高速液壓機就能滿足大部分車身零件熱沖壓需要；⑷車身結(jié)構(gòu)設計簡單，有效減少了板料數(shù)量；通過車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計，使得白車身的綜合制造成本得到有效控制。

當然，熱沖壓技術自身存在的缺點也比較明顯，主要是：⑴生產(chǎn)節(jié)拍慢；⑵無鍍層板沖壓過程會產(chǎn)生氧化皮，需要定期清理；⑶熱成形模具造價本身較高，零件需要加熱，后續(xù)還要采用激光切割，所以零件的制造成本相對而言較高。因此在新車型或改進車型設計時，需要通過減小零件厚度或減少加強板數(shù)量的方式，來控制白車身總體的制造成本；⑷工作環(huán)境相對冷沖壓來說比較差。

我們對熱沖壓工藝優(yōu)化也提出了5點方案：⑴共模方案。由1模出2件提升到1模出4件，后期目標是1模出6件，甚至更高。降低模具成本，提高生產(chǎn)效率。⑵熱成形后的修邊方案。修邊沖孔模替代激光切割工裝，可提高生產(chǎn)節(jié)拍，同時減少激光切割費用。⑶在零件產(chǎn)品面上設計熱成形模具定位工藝孔，激光切割夾具定位工藝孔。⑷對于非功能修邊線，位置度公差定義為±2mm。⑸可以采用落料的方式來替代激光切割。

熱沖壓生產(chǎn)線規(guī)劃

產(chǎn)能規(guī)劃

以24個供貨單元熱成形件為例，工藝優(yōu)化后只需要開8套模具，以1條熱成形生產(chǎn)線核算，目前產(chǎn)能需求及負荷見表2。

年產(chǎn)能核算按照平均每月25個工作日，每天2班，每個班8小時，平均每分鐘4.2個沖次進行核算，一年總沖次為：4.2×60×8×2×25×12≈120萬沖次

熱成形生產(chǎn)線規(guī)劃需要24個供貨單元，單輛份需要8個沖次核算生產(chǎn)負荷，第一期投資1條熱成形生產(chǎn)線；后期根據(jù)市場開發(fā)的需要再進行后期投資建第2條生產(chǎn)線。

表2 產(chǎn)能核算

圖2 熱沖壓車間工藝規(guī)劃圖

廠房規(guī)劃

根據(jù)第一期和后期投資規(guī)劃，熱成形車間（含輔樓）需要5760m2（120m×48m）才能滿足生產(chǎn)需求。若增加一條開卷落料線，則需新增一個30米跨，廠房規(guī)劃如圖2所示。

公用動力

整線的安裝容量為1500～2000kW，其中壓機的電力安裝容量需求約500kW。加熱爐的保護氣體需要氮氣發(fā)生器。機器人或者線性系統(tǒng)上下料用的壓縮空氣為60m3/h。生產(chǎn)線冷卻系統(tǒng)分為兩部分，一部分為壓機本身系統(tǒng)的冷卻；另一部分為模具冷卻系統(tǒng)。整套設備冷卻系統(tǒng)如果按照用一備一的原則，則冷卻系統(tǒng)裝機功率接近500kW。

結(jié)束語

超高強度鋼的熱成形技術在減輕車身重量、提升安全性能和尺寸精度方面已展現(xiàn)出巨大的潛力，在汽車領域具有廣闊的應用前景。熱成形工藝的實施是一個系統(tǒng)工程，涉及多個專業(yè)：材料、成形、自動化、激光加工，如何降低整個工藝過程中的能耗，提升零件的性能，保證零件的質(zhì)量穩(wěn)定性和一致性，將是熱成形工藝發(fā)展的重點。