一種熱沖壓成形液壓機(jī)生產(chǎn)線

胡彬彬，張海杰，張 梟

（合肥合鍛智能制造股份有限公司，安徽 合肥 230000）

熱沖壓技術(shù)是近年來發(fā)展較快的一種成形技術(shù)，尤其是隨著汽車輕量化要求的不斷提高，各汽車廠家主要機(jī)車結(jié)構(gòu)件等均不斷用熱成形技術(shù)取代傳統(tǒng)成形技術(shù)，熱沖壓生產(chǎn)線需求量不斷增多，國內(nèi)汽車廠家一直購買進(jìn)口熱沖壓成形生產(chǎn)線以彌補(bǔ)生產(chǎn)力的不足。本文主要介紹一種我單位自主研發(fā)的成熟的熱沖壓成形生產(chǎn)線。

熱沖壓成形液壓機(jī)生產(chǎn)線是在高速薄板沖壓液壓機(jī)基礎(chǔ)上吸收國內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)而自主研發(fā)的新型沖壓設(shè)備。該種液壓機(jī)生產(chǎn)線將熱沖壓工藝移植到高速薄板沖壓液壓機(jī)上，使之既具有一般高速薄板沖壓液壓機(jī)的高頻次生產(chǎn)特性又具備熱塑性成形工藝的特性。

1 熱成形工藝簡介

目前熱沖壓成形液壓機(jī)生產(chǎn)線主要應(yīng)用于超高強(qiáng)度汽車結(jié)構(gòu)件的制造，比如：A柱、B柱、前后保險(xiǎn)杠、車頂縱梁、防撞梁等工件，見圖1。

使用該系列液壓機(jī)生產(chǎn)線生產(chǎn)的熱沖壓結(jié)構(gòu)件的抗拉強(qiáng)度可達(dá)1500MPa，厚度卻可以減薄30%以上。由于能顯著提高汽車結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度而又減輕了整車重量，提高了能源利用率又降低了燃料消耗及廢氣排放，目前已成為汽車輕量化主要技術(shù)之一。

熱成形工藝路線：板材落料—加熱、奧氏體化—模具內(nèi)成形—模具內(nèi)淬火并轉(zhuǎn)化為馬氏體組織—表面去除氧化皮（裸板）—切邊和切割工藝孔。

圖1 常用熱沖壓結(jié)構(gòu)件

使用本文介紹的熱沖壓成形液壓機(jī)生產(chǎn)線生產(chǎn)出的工件表面質(zhì)量好，工件各處強(qiáng)度均勻。為進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率，目前可以做到一模兩件、一模四件。

2 熱沖壓成形液壓機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

如表1所示為熱沖壓成形液壓機(jī)主要技術(shù)參數(shù)。

熱沖壓成形液壓機(jī)公稱壓力一般在5000～20000 kN，目前最常用的是12000kN熱沖壓成形液壓機(jī)，該噸位液壓機(jī)的成形力基本可以適用于各類汽車熱沖壓結(jié)構(gòu)件的成形，是目前使用范圍最廣的一種熱沖壓成形液壓機(jī)。

3 熱沖壓成形生產(chǎn)線簡介

熱沖壓成形生產(chǎn)線（圖2）是在熱沖壓成形液壓機(jī)基礎(chǔ)上配置加熱爐系統(tǒng)、自動(dòng)化系統(tǒng)、水冷模具系統(tǒng)及相關(guān)的噴丸系統(tǒng)、激光切割機(jī)等設(shè)備，從而組成的自動(dòng)化生產(chǎn)線。

3.1 加熱爐系統(tǒng)

表1 熱沖壓成形液壓機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

圖2 熱沖壓成形生產(chǎn)線

加熱爐系統(tǒng)用于對(duì)工件的加熱，同時(shí)具有保護(hù)性氣體，防止鋼板氧化。

本文介紹的生產(chǎn)線采用輥底爐加熱系統(tǒng)，該種加熱爐適合大批量高速生產(chǎn)、效率高，是目前使用最廣的加熱爐系統(tǒng)。

3.2 自動(dòng)化系統(tǒng)

包含拆垛系統(tǒng)、機(jī)器人、高速機(jī)械手、高溫端拾器、高速上下料系統(tǒng)、總控系統(tǒng)等。

生產(chǎn)過程中，利用叉車或行車將碼放整齊的料垛放置在專用料架上（圖3），垛料放置完畢人工將磁力分張裝置靠近板料，實(shí)現(xiàn)板料的分張。在臺(tái)車臺(tái)面上對(duì)應(yīng)每一垛料的下方擺放擺桿式行程開關(guān)，用于有料和無料的檢測（圖4）。其中一臺(tái)車上的垛料全部拆完后，行程開關(guān)發(fā)出信號(hào)，拆垛機(jī)器人自動(dòng)轉(zhuǎn)移到另一臺(tái)臺(tái)車進(jìn)行拆垛。

圖3 拆垛臺(tái)車、料架及磁力分層

圖4 拆垛端拾器及雙料檢測

本系統(tǒng)拆垛機(jī)器人采用專門用于沖壓搬運(yùn)的6軸機(jī)器人，裝配有：機(jī)器人本體、機(jī)器人附件及真空系統(tǒng)、機(jī)器人控制器、彩色的示教編程器、機(jī)器人與控制器之間的電纜等。

拆垛端拾器（圖6、7）使用真空吸盤抓取板料，安裝有自動(dòng)快換母端，可與機(jī)器人六軸的快換公端進(jìn)行手動(dòng)對(duì)接，各個(gè)吸盤位置可根據(jù)垛料情況自動(dòng)調(diào)整，每個(gè)吸盤通斷氣均可自動(dòng)控制。

整線配有上料系統(tǒng)及下料系統(tǒng)各一套，并在液壓機(jī)的上、下料側(cè)各安裝一套三坐標(biāo)機(jī)械手，兩套機(jī)械手（圖5）負(fù)責(zé)將對(duì)中臺(tái)的板料輸送到模具內(nèi)和將沖壓后的零件傳送到鏈條輸送機(jī)，機(jī)械手循環(huán)完成夾緊、抬起、送進(jìn)、落下、松開、返回動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)板料及工件的傳送。三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)全部由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，控制方便，精度高。

機(jī)械手控制系統(tǒng)：PLC采用Siemens或倍福；現(xiàn)場總線采用Profibus/ProfiNet/EtherCAT；AC伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用Siemens或倍福；位置反饋系統(tǒng)為伺服系統(tǒng)自帶；各軸過載保護(hù)在伺服控制器內(nèi)。

圖5 上、下料機(jī)械手

圖6 氣控夾鉗形式上料端拾器

圖7 氣控永磁吸盤形式下料端拾器

控制器采用西門子D系列控制器或倍福，具有Profibus-DP/ProfiNet/EtherCAT總線接口，I/O點(diǎn)通過Profibus-DP/ProfiNet/EtherCAT實(shí)現(xiàn)連接。

為便于安裝和操作、監(jiān)控方便，人機(jī)界面HMI采用手持式移動(dòng)屏，帶按鍵和觸摸功能，可進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入和故障診斷顯示。

伺服運(yùn)動(dòng)軸采用SIEMENS Simotion或倍福數(shù)控伺服系統(tǒng)，伺服驅(qū)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)精密的實(shí)際位置和速度的線性運(yùn)動(dòng)，提供平穩(wěn)、無晃動(dòng)、光滑的運(yùn)動(dòng)軌跡。

所有運(yùn)動(dòng)軸的軌跡都是完全可編程的，運(yùn)動(dòng)參數(shù)在最小值和最大值之間可以自由編程設(shè)定。

3.3 水冷模具系統(tǒng)

在上、下模具內(nèi)部有冷卻水通道，在壓制后的保壓階段接通冷卻水對(duì)工件進(jìn)行淬火冷卻。

本文介紹的熱沖壓生產(chǎn)線水冷模具（圖8）系統(tǒng)采用上模具4路進(jìn)水、4路出水，下模具4路進(jìn)水、4路出水的冷卻方式。所有水路與模具連接部分均使用軟管連接方式連接到模具附近位置，在模具上配有快插接頭連接。每條水路均配有流量、溫度、壓力檢測元件。

圖8 水冷模具

3.4 打碼系統(tǒng)

打碼系統(tǒng)（圖9）有4個(gè)打標(biāo)器，氣缸上帶有24VDC位置傳感器用于與拆垛機(jī)器人信號(hào)聯(lián)鎖。

為滿足板料間距變化的要求，更換不同的板料后（換模時(shí)），通過兩側(cè)的把手搖動(dòng)絲杠，將打標(biāo)器移動(dòng)到相應(yīng)的初始位置，同時(shí)搖動(dòng)把手記錄當(dāng)前位置的數(shù)字顯示器，記錄該件位置信息，以備后續(xù)使用。

圖9 打碼系統(tǒng)

3.5 噴丸及激光切割等附屬設(shè)備

針對(duì)裸板，需要用噴丸的方式去除零件表面的氧化皮。涂層板在沒有氧化的情況下不需要噴丸。

在工件壓制完成后，需對(duì)工件進(jìn)行切邊和鉆孔等后續(xù)處理。本文介紹的熱沖壓成形生產(chǎn)線，用戶可以選配五軸激光切割機(jī)、機(jī)器人激光切割機(jī)或者采用液壓（機(jī)械）壓力機(jī)進(jìn)行切邊或鉆孔等工藝處理。

3.6 安全防護(hù)

自動(dòng)化系統(tǒng)采用安全PLC系統(tǒng)。配備完善的安全裝置，實(shí)時(shí)控制顯示安全區(qū)域狀況，及時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)或停機(jī)。

自動(dòng)化設(shè)備的所有設(shè)備設(shè)施，均設(shè)置防護(hù)圍欄、安全門、安全鎖等裝置，并進(jìn)行必要的聯(lián)鎖保護(hù)，圍欄高度2000mm。

在防護(hù)欄的適當(dāng)位置開設(shè)安全門，所有的門均安裝有安全開關(guān)及按鈕盒，按鈕盒上設(shè)有復(fù)位按鈕和急停按鈕。

3.7 操作站

依照劃分的單元分別設(shè)置操作站，操作站設(shè)置原則是操作安全可靠直觀方便。

操作站面板元器件按照不同的操作功能在操作面板上劃分區(qū)域。操作站設(shè)置控制電源開關(guān)，可以關(guān)閉除控制系統(tǒng)主站外所有控制電源。

4 結(jié)束語

本文所介紹的熱沖壓成形生產(chǎn)線已有眾多汽車廠家多年實(shí)際使用，各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)及工件壓制后精度要求均符合廠家要求。整線電氣、機(jī)械各運(yùn)動(dòng)部件運(yùn)行正?？煽俊⑵椒€(wěn)、噪聲小。各系統(tǒng)性能可靠，符合整線研制要求，極大地提高了熱成形工件加工效率，性能達(dá)到國內(nèi)先進(jìn)水平。