車身高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)件熱成形生產(chǎn)系統(tǒng)的比較與展望

文／朱益晨·上海發(fā)那科機(jī)器人有限公司

熱成形鋼作為高性價(jià)比的輕量化車身制造材料，市場需求量不斷增長，在車身上的應(yīng)用比例逐年上升，其零件種類以及對(duì)應(yīng)模具的設(shè)計(jì)式樣也愈加豐富，這對(duì)熱成形生產(chǎn)系統(tǒng)而言，除了滿足產(chǎn)量外，更需要有寬泛的產(chǎn)品適應(yīng)性以及高度的生產(chǎn)靈活性。

對(duì)于計(jì)劃導(dǎo)入熱成形生產(chǎn)線的零部件廠商而言，其最為關(guān)切的是要了解不同生產(chǎn)線的特點(diǎn)和區(qū)別，并結(jié)合產(chǎn)能規(guī)劃以及零件種類選擇契合自身需求的生產(chǎn)系統(tǒng)。本文從多角度分析匯總了在熱成形件生產(chǎn)領(lǐng)域內(nèi)，兩種主流生產(chǎn)系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，希望能為計(jì)劃導(dǎo)入熱成形生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)備的廠商提供參考。

生產(chǎn)線投資規(guī)模

國內(nèi)熱成形行業(yè)發(fā)展初期，自2000 年到2010 年期間，部分零部件廠商基于對(duì)汽車輕量化材料發(fā)展趨勢的前瞻性預(yù)判，引進(jìn)了熱成形生產(chǎn)線系統(tǒng)，并投入量產(chǎn)。由于該類生產(chǎn)線的核心工藝設(shè)備——輥底式加熱爐僅有少數(shù)幾家國外廠商能夠提供，國內(nèi)當(dāng)時(shí)沒有該領(lǐng)域相應(yīng)的熱處理設(shè)備供應(yīng)商，因此初期進(jìn)口的輥底爐生產(chǎn)線價(jià)格非常昂貴，且系統(tǒng)復(fù)雜、生產(chǎn)線規(guī)模龐大，如圖1 左圖所示。

隨著時(shí)間的推移以及行業(yè)的發(fā)展，這一局面逐步被打破，市場上出現(xiàn)了基于箱式爐的熱成形生產(chǎn)線系統(tǒng)，如圖1 右圖所示，與輥底爐生產(chǎn)線動(dòng)輒千萬級(jí)的投資相比，箱式爐生產(chǎn)線投資金額小，結(jié)構(gòu)簡單，占地面積小，大大降低了企業(yè)的導(dǎo)入門檻，能滿足中小型零部件企業(yè)生產(chǎn)所需。

圖1 輥底爐生產(chǎn)線和箱式爐生產(chǎn)線

生產(chǎn)線占地面積

輥底爐生產(chǎn)線除了投資金額高，其占地面積也較箱式爐生產(chǎn)線大，通常一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)輥底加熱爐長度約為40m，在集成自動(dòng)化上下料系統(tǒng)以及壓機(jī)設(shè)備后，其整套生產(chǎn)線的長度尺寸通常可達(dá)50 ～60m。

相比輥底爐生產(chǎn)線，一條配備2 臺(tái)箱式爐的熱成形線占地面積要小50%以上，相當(dāng)于一條輥底爐生產(chǎn)線的區(qū)域面積內(nèi)可以安裝2 條箱式爐生產(chǎn)線，如圖2 所示。

圖2 輥底爐生產(chǎn)線與箱式爐生產(chǎn)線尺寸比較

因此，對(duì)生產(chǎn)企業(yè)而言，箱式爐生產(chǎn)系統(tǒng)對(duì)場地面積要求較低，設(shè)備導(dǎo)入的限制條件少。

加熱爐結(jié)構(gòu)

輥底爐的爐膛內(nèi)部采用了大量耐高溫陶瓷輥?zhàn)?，通過鏈輪與鏈條連接傳動(dòng)，帶動(dòng)輥?zhàn)硬婚g斷連續(xù)運(yùn)行，板料被放置在輥?zhàn)由?，通過輥?zhàn)愚D(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)行，帶動(dòng)板料在加熱爐內(nèi)緩慢運(yùn)行加熱，輥?zhàn)优c輥?zhàn)娱g保持一定的間隔(一般節(jié)距為110mm 左右)，當(dāng)某根輥?zhàn)影l(fā)生故障時(shí)，整線需要停產(chǎn)維修；同時(shí)輥底爐對(duì)輥?zhàn)拥漠a(chǎn)品一致性以及裝配等均有較高要求，以確保板料在爐內(nèi)運(yùn)行的直線度，輥底爐示意圖見圖3 上圖。

相比輥底爐內(nèi)輥?zhàn)拥倪\(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，箱式爐爐膛內(nèi)支撐板料加熱的結(jié)構(gòu)為固定式，因此板料被送入爐膛后，在整個(gè)加熱周期內(nèi)為靜止?fàn)顟B(tài)，因此其結(jié)構(gòu)簡單、生產(chǎn)穩(wěn)定、故障率較低，箱式爐示意圖見圖3 下圖。

圖3 輥底爐與箱式爐的爐膛結(jié)構(gòu)示意圖

生產(chǎn)支出及維護(hù)成本

電能消耗支出

熱成形生產(chǎn)過程中，用于加熱的電能消耗占據(jù)了生產(chǎn)支出的主要部分；而電能除了用于加熱板料外，同時(shí)不可避免地被爐膛內(nèi)的元件吸熱消耗，通過熱量計(jì)算公式分析：

式中，Q 為吸收的熱量(J)；c 為比熱容[J/(kg·℃)]；m 為物體的質(zhì)量(kg)；Δt 為溫度的變化(℃)。

通過以上公式可知，加熱爐消耗的熱量與加熱物體的質(zhì)量成正比關(guān)系，通常情況下，爐膛尺寸大，內(nèi)部元件多，吸熱物體的質(zhì)量大，則理論上耗電量也大。

輥底爐的爐膛尺寸長、體積大，一般一臺(tái)輥底爐設(shè)備的功率可達(dá)1500 ～2000kW；而箱式爐可根據(jù)板料大小設(shè)計(jì)爐膛尺寸，有效避免冗余加熱面積過大，其爐膛內(nèi)元件少，吸熱物體的質(zhì)量小，相應(yīng)耗電量也小。

同時(shí)，為進(jìn)一步優(yōu)化箱式爐的爐膛尺寸，通過設(shè)計(jì)開發(fā)板料變間距技術(shù)，將板料間距壓縮后送入加熱爐加熱，出爐后再恢復(fù)間距入模，如圖4 所示，這樣可進(jìn)一步優(yōu)化加熱爐的爐膛面積，使加熱能量更有效地得到利用。一般一臺(tái)7 層箱式爐，其功率僅為500 ～600kW。

圖4 板料變間距示意圖

使用維護(hù)成本

目前鋁硅鍍層板是主流的熱成形生產(chǎn)用鋼板，其在加熱過程中，鍍層中的鋁元素會(huì)析出，從而對(duì)輥底爐內(nèi)支撐傳送板料的陶瓷輥?zhàn)颖砻娈a(chǎn)生結(jié)瘤污染，污染物堆積后會(huì)造成輥?zhàn)颖砻娌黄秸?，影響鋼板在爐內(nèi)加熱運(yùn)行的直線度，因此需要定期更換，從而導(dǎo)致后期使用成本較高。

多層箱式加熱爐，由于爐膛內(nèi)結(jié)構(gòu)為固定式，熱成形鋼板在加熱的過程中，始終保持靜止?fàn)顟B(tài)，因此其表面鋁硅鍍層不會(huì)對(duì)爐膛內(nèi)支撐產(chǎn)生污染，爐膛內(nèi)支撐板料的元件基本上是免維護(hù)，這大大降低了長期連續(xù)生產(chǎn)使用的成本支出。

生產(chǎn)連續(xù)性及靈活性

生產(chǎn)場景

輥底爐結(jié)構(gòu)為不同溫區(qū)串聯(lián)式的布置方式，當(dāng)某一個(gè)溫區(qū)出現(xiàn)故障，如上文所述的輥?zhàn)有枰鼡Q或其他問題，將直接導(dǎo)致整線停止運(yùn)行，必須立即進(jìn)行維修處理后才能恢復(fù)整線生產(chǎn)。

相較于輥底爐的串聯(lián)式溫區(qū)布置，箱式爐為溫區(qū)并聯(lián)型；當(dāng)某一個(gè)加熱層出現(xiàn)故障，可以臨時(shí)將故障爐層屏蔽，并開啟備用爐層，以確保生產(chǎn)的連續(xù)性，隨后再按照計(jì)劃停產(chǎn)時(shí)間停線，并進(jìn)行集中維修處理，這樣既大大保證了生產(chǎn)工作的連續(xù)性，也避免了因故障導(dǎo)致臨時(shí)停機(jī)，造成產(chǎn)能不足而使整體生產(chǎn)計(jì)劃受到影響。

停線場景

一般生產(chǎn)企業(yè)，除了計(jì)劃停機(jī)外，現(xiàn)場還可能會(huì)遇到電力系統(tǒng)搶修、限電拉閘等突發(fā)斷電狀況，輥底爐必須要配備額外的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，以確保爐膛內(nèi)所有輥?zhàn)硬婚g斷轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)行，否則將造成輥?zhàn)拥呐繐p壞；而箱式加熱爐因爐膛內(nèi)為固定結(jié)構(gòu)，即使突發(fā)斷電狀況，也不會(huì)對(duì)加熱爐本體造成損壞，因此也省去了額外的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。

產(chǎn)品適應(yīng)性

模腔組合

熱成形行業(yè)發(fā)展初期，車身僅少數(shù)關(guān)鍵零件采用熱成形工藝，如A 柱、B 柱及防撞鋼梁等；隨著汽車輕量化進(jìn)程的推進(jìn)，越來越多的車身結(jié)構(gòu)件采用熱成形鋼材料，其尺寸形狀也呈現(xiàn)多樣化的特點(diǎn)；模具制造商為了提高沖次產(chǎn)量，節(jié)省模具制造成本，通常將多種零件整合在一副模具內(nèi)，模腔數(shù)量有一腔、雙腔、三腔、四腔及多腔等，并且根據(jù)零件尺寸形狀差異，模腔的排列組合被設(shè)計(jì)為一行多列，甚至多行多列的方式；輥底爐生產(chǎn)線系統(tǒng)，由于其輥?zhàn)觽魉鸵约芭拇驅(qū)χ械仍O(shè)備特點(diǎn)，僅適合生產(chǎn)一行一列或一行多列類的零件或零件組合，見圖5(a)；而箱式爐生產(chǎn)線則無此限制，其可以生產(chǎn)的零件組合種類更多，靈活性更高，如圖5(b)所示的零件組合，箱式爐生產(chǎn)線均可滿足生產(chǎn)。

圖5 模腔排列組合示意圖

板料尺寸

一般輥底爐長度達(dá)40 多米，輥?zhàn)又睆綖?0mm，節(jié)距為110mm 左右，一臺(tái)加熱爐輥?zhàn)拥臄?shù)量達(dá)400多根，這對(duì)于輥?zhàn)又圃斓囊恢滦砸约鞍惭b精度都提出了較高要求；同時(shí)，對(duì)于尺寸較小的板料，一方面由于輥?zhàn)庸?jié)距的關(guān)系，可能會(huì)掉入輥?zhàn)娱g隙或產(chǎn)生運(yùn)行不穩(wěn)；另一方面，因小板料自重輕、慣性小，輥?zhàn)悠叫卸燃氨砻嫫秸鹊奈⑿≌`差都可能導(dǎo)致小板料運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生偏差，無法在爐膛內(nèi)穩(wěn)定且保持直線的運(yùn)動(dòng)；箱式爐因爐膛結(jié)構(gòu)固定，即使是小板料在加熱過程中也不會(huì)發(fā)生移動(dòng)，故不存在此類問題。

板料種類

為了在熱成形零件的不同區(qū)域獲得差異化工藝性能，較多熱成形鋼板采用補(bǔ)丁板的制造工藝，即在基板局部區(qū)域通過點(diǎn)焊工藝增加補(bǔ)丁板，以增加此區(qū)域的局部強(qiáng)度；此種板料因基板和補(bǔ)丁板的厚度及面積差異，導(dǎo)致在加熱升溫過程中產(chǎn)生形變速度不一致的現(xiàn)象，板料因此發(fā)生翹曲；如采用輥底爐生產(chǎn)，則板料通常在加熱行進(jìn)中形變翹曲，從而導(dǎo)致運(yùn)行卡滯或“跑偏”，引發(fā)生產(chǎn)中斷；而在箱式爐中生產(chǎn)，雖然升溫過程中也會(huì)翹曲，但由于加熱過程為靜止?fàn)顟B(tài)，且達(dá)到目標(biāo)溫度后，板料又會(huì)重新恢復(fù)平整，因此不會(huì)對(duì)生產(chǎn)工藝造成影響。

生產(chǎn)節(jié)拍

輥底爐熱成形生產(chǎn)線，其爐體的長度決定了產(chǎn)量大小，根據(jù)生產(chǎn)零件不同，其生產(chǎn)節(jié)拍通常在3 ～5SPM 區(qū)間內(nèi)，如果按照平均4SPM 節(jié)拍，每班次10 小時(shí)來計(jì)，則理論班次產(chǎn)量可達(dá)2400 沖次。

箱式爐的生產(chǎn)節(jié)拍與加熱層數(shù)有關(guān)，通常配備兩臺(tái)8 層箱式爐的生產(chǎn)線，其生產(chǎn)節(jié)拍為2 ～3SPM；按照平均2.5SPM 節(jié)拍，每班10 小時(shí)來計(jì)，則理論班次產(chǎn)量為1500 沖次。

對(duì)于規(guī)模大、產(chǎn)量需求高的大型零部件生產(chǎn)廠商，輥底爐生產(chǎn)線能很好匹配其產(chǎn)能需求。而箱式加熱爐所具備的投資門檻低、占地面積小、故障率低等特點(diǎn)，則更能符合中小批量零部件廠商的需求；同時(shí)，箱式加熱爐寬泛的產(chǎn)品適應(yīng)性以及高度的生產(chǎn)靈活性也更能契合未來車身制造產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品種類多樣化，更新迭代快速化的發(fā)展趨勢。

溫度控制

輥底爐的爐膛體積大，尤其體現(xiàn)在其長度方面，由于只有一個(gè)進(jìn)料口和一個(gè)出料口，生產(chǎn)過程中板料進(jìn)爐、出爐時(shí)，爐口散熱少，爐溫易于保持穩(wěn)定。

箱式爐的爐膛呈高度方向疊加，體積小、布局緊湊，且每個(gè)爐膛配備一個(gè)爐口用于上下料，其爐膛溫度受上下板料影響相對(duì)較大，因此每個(gè)循環(huán)開閉爐門后，溫控系統(tǒng)須及時(shí)自動(dòng)調(diào)整升溫功率以補(bǔ)償開閉爐門損失的熱量。

對(duì)于未來熱成形設(shè)備發(fā)展的幾點(diǎn)思考

隨著新能源汽車快速發(fā)展，各類車型層出不窮，推出及迭代的周期越來越短，汽車產(chǎn)品朝著多樣化、更新快的方向發(fā)展，熱成形鋼作為高性價(jià)比的車身輕量化材料，將面臨更加復(fù)雜及多樣化的生產(chǎn)需求，以下對(duì)未來熱成形件生產(chǎn)系統(tǒng)的優(yōu)化及發(fā)展提出幾點(diǎn)思考，以供參考：

精簡硬件配置，增強(qiáng)設(shè)備可靠性

根據(jù)日本發(fā)那科公司提出的商品開發(fā)三原則，商品的可靠性是排在首位的。熱成形線作為生產(chǎn)系統(tǒng)裝備，可靠性和穩(wěn)定性永遠(yuǎn)是第一位的，較多自動(dòng)化功能的配備很多只是錦上添花。在滿足穩(wěn)定生產(chǎn)的前提下，精簡不必要的硬件配置，一方面能減少故障點(diǎn)，增加生產(chǎn)系統(tǒng)的實(shí)用性和可靠性，同時(shí)還能有效降低設(shè)備的投資成本。

減少非生產(chǎn)停機(jī)時(shí)間

熱成形生產(chǎn)線加熱爐的爐膛工作溫度在950℃左右，因此無法做到隨開隨用，即關(guān)即停；任何涉及爐膛內(nèi)元器件的維修、更換均需要等待停爐降溫后才能開展，而通常爐子降溫至少要2 ～3 天，再加上維修和重新升溫操作，則停機(jī)時(shí)間在一周以上；這對(duì)企業(yè)而言，損失了非常寶貴的生產(chǎn)時(shí)間，同時(shí)也造成了產(chǎn)能壓力。

因此基于當(dāng)前加熱爐方案，包括輥底爐和箱式爐，需考慮將爐膛內(nèi)易損件，以及定期更換的耗材如電熱絲等元件設(shè)計(jì)成不降溫維修更換的方式，開發(fā)應(yīng)用模塊化的加熱元件，優(yōu)化易損件、耗材在爐膛內(nèi)的布置方式等，以此來避免停爐維修，提高設(shè)備利用率，為企業(yè)爭取寶貴的生產(chǎn)時(shí)間。

降低生產(chǎn)能耗

熱成形零件在使用過程中能起到減輕重量，增加車身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，減少排放的效果；然而生產(chǎn)熱成形零件的過程卻是高能耗的，因需要將板料加熱至奧氏體化，目前加熱爐主要采用熱輻射的加熱方式，相比“電阻加熱”“感應(yīng)加熱”以及“直接傳導(dǎo)加熱”等加熱方式，熱輻射加熱時(shí)間長(200 ～300s)、能耗高、加熱效率低(12℃/s)，不符合未來節(jié)能環(huán)保的發(fā)展需求。

因此探索研究新一代的板料加熱技術(shù)，縮短加熱時(shí)間(10 ～60s)，降低能耗，提高加熱效率(200 ～300℃/s)，并將此進(jìn)行工程化應(yīng)用，是未來熱成形行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要方向。

板料性能定制

目前，對(duì)變強(qiáng)度零件的制造主要通過不等厚輥壓、激光拼焊以及增加補(bǔ)丁板等改變材料厚度的方法來實(shí)現(xiàn)。未來車身設(shè)計(jì)不斷優(yōu)化，如何在一張基板上實(shí)現(xiàn)不同區(qū)域工藝性能的精確定制，將是熱成形生產(chǎn)系統(tǒng)發(fā)展中的一項(xiàng)重要研究課題。

一體化零件生產(chǎn)

隨著車身零件的集成化程度越來越高，零件數(shù)量逐漸減少。如門環(huán)類零件，由原先的A 柱、B 柱、A柱下加強(qiáng)板以及門檻等組成，經(jīng)過一體化設(shè)計(jì)后，減少了零件焊接的工序，降低了成本，車身重量減輕，剛度提升；預(yù)計(jì)此類零件一體化技術(shù)也將成為未來車身發(fā)展的一個(gè)重要方向，而作為熱成形系統(tǒng)設(shè)備制造商，則需要前瞻性的考慮如何實(shí)現(xiàn)此類產(chǎn)品批量生產(chǎn)，并持續(xù)降低生產(chǎn)成本。

總結(jié)

本文對(duì)兩種主流熱成形生產(chǎn)系統(tǒng)做了分析比較，輥底爐生產(chǎn)線投資大、產(chǎn)能高，適合于大批量生產(chǎn)的大型零部件廠商；而箱式爐生產(chǎn)線投資門檻低、占地面積小、柔性化程度高、零件適應(yīng)性強(qiáng)、使用成本低，其更能滿足產(chǎn)品種類多的中小型零部件廠商?？傊伒谞t及箱式爐將各自發(fā)展其特點(diǎn)，取長補(bǔ)短、互為補(bǔ)充、并存發(fā)展，共同在熱成形件制造領(lǐng)域中發(fā)揮作用。

未來隨著車身制造朝著輕量化、節(jié)能環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的方向不斷進(jìn)步，相信作為制造裝備的熱成形生產(chǎn)系統(tǒng)也必將與時(shí)俱進(jìn)，新的加熱技術(shù)以及先進(jìn)裝備技術(shù)將不斷涌現(xiàn)、更新迭代，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展。