熱沖壓成形件的智能制造(下)

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(guān)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

《熱沖壓成形件的智能制造》（上）見《鍛造與沖壓》2023 年第10 期

智能制造的必要性

熱沖壓成形是為了解決獲得超高強度零件，并有效解決成形、回彈，零件尺寸、精度問題，正如前述的工藝過程，加熱到奧氏體狀態(tài)下，利用其材料高溫下良好的成形性進行熱沖壓，熱沖壓后又迅速冷卻，以保證從奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)楦邚婍g性的馬氏體，達到高強度和高成形精度的雙重目的。這是一個包含多種工序的連續(xù)過程，只有通過自動化和智能制造才能達到目標。

⑴比如，工件在爐子中加熱后，通過機械手從爐子中迅速抓取，并準確放到安裝在壓機上的成形模具里，所需時間越短越好，這樣才能保證工件進模和沖壓成形后的溫度，有利于成形和成形后保證轉(zhuǎn)變成馬氏體所需的溫度。因此，只有智能化的機械手，才可以有效地完成這一動作。

⑵在沖壓過程中，因為要求工件在空氣中的暴露時間盡量短，以保證成形的溫度和減少氧化皮的形成，所以沖壓機也需要智能化。具體過程要求極為嚴格：既要求滑塊盡快落下，又必須在工件成形時降低下落速度，以避免壓下太快造成成形速度太快，進而影響成形性造成成形缺陷；最終的成形過程，還必須保證工件成形后能在冷卻過程完成時轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織，從而獲得超高強度的工件。

⑶在模具中成形后，模具的冷卻過程也需要智能化，這要考慮接觸壓力、傳熱系數(shù)、水流速度、水流量、水的溫度、保壓時間、出模溫度，以及以上參量與鋼的相變過程的關(guān)系，同時，還要考慮沖壓過程中由于變形引進的組織缺陷，及這些組織缺陷對相變過程的影響，顯然這是一個由物理力學模擬、相變組織模擬以及流體力學、金相學、傳熱學、結(jié)構(gòu)力學等多學科集成的模擬和智能化的過程。

⑷考慮生產(chǎn)過程中的總線控制，將坯料送入爐中的加熱過程，加熱的溫度參量，工件出爐后的傳輸、成形和淬火，成形構(gòu)件的取出、性能檢測和反饋，工藝參數(shù)的修正，障礙的報警和排除等更是一個復雜的智能操作過程，因此，熱沖壓成形構(gòu)件是智能制造的一個典范。

實現(xiàn)上述智能制造的基礎(chǔ)是自動化裝備和數(shù)據(jù)庫，就目前而言，我國的熱沖壓成形生產(chǎn)線基本實現(xiàn)了自動化生產(chǎn)過程，但實現(xiàn)智能化的制造過程還需要大量的工作，特別是對于數(shù)據(jù)庫的建設(shè)，目前還是我國熱成形領(lǐng)域的一個短板。

幾類典型熱沖壓成形件的智能制造

在熱沖壓工藝應(yīng)用的各類零件中，使用最多的一種工藝是直接熱沖壓成形，這類零件包括轎車車身中各種結(jié)構(gòu)件和安全件，例如，前后保險杠、A 柱、B 柱、C 柱、中通道、背頂橫梁、門內(nèi)加強桿等。這類零件可使用熱沖壓成形鋼直接進行熱沖壓成形，按照前述的智能制造流程，并根據(jù)數(shù)據(jù)庫的建設(shè)或自動化的控制系統(tǒng)實現(xiàn)熱沖壓成形工藝，并保證零件性能的均一性、一致性和工藝的穩(wěn)定性。

為滿足零件不同部位的安全性能要求，熱沖壓成形零件出現(xiàn)了一些新的結(jié)構(gòu)設(shè)計，其中差厚板用于B柱就是其中之一，差厚板的結(jié)構(gòu)圖見圖5，實現(xiàn)這類零件的智能制造過程，將根據(jù)差厚板原材料結(jié)構(gòu)和所設(shè)計零件的結(jié)構(gòu)進行模具設(shè)計或冷卻水道設(shè)計，以保證不同厚度的零件可以取得所要求的硬度和強度水平，這類零件的智能制造除了要保證直接熱沖壓零件所用的智能制造工藝條件外，還必須在模具設(shè)計或冷卻系統(tǒng)中滿足該零件性能的設(shè)計要求。

圖5 不同厚度B 柱的熱成形件

為提升部分防撞零件的防撞性能水平，一些車型設(shè)計了具有補丁版的熱沖壓成形B 柱，這類零件是將兩塊熱沖壓成形的板坯用點焊或其他連接方式連接成一個整體，一起放在爐中進行加熱，在熱沖壓模具中進行沖壓成形、冷卻淬火，從而使熱沖壓零件需要增強的部分實現(xiàn)了強化，即零件性能的差異化分布。這種工藝可以減少模具、檢具和夾具的使用，加快了生產(chǎn)節(jié)拍，降低了生產(chǎn)成本。例如，菲亞特500 型B 柱就采用了補丁板技術(shù)，從而使B 柱的安全性進一步提升，降低了成本和側(cè)碰時對乘員的傷害，這類零件的典型結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

圖6 補丁板的熱成形

在汽車的安全件中，例如B 柱在承受碰撞時不同部位的失效模式是不同的，由此對零件的不同部位提出了不同的性能要求，高承受撞擊的部位應(yīng)具有高的強度，在零件撞擊時需要通過變形來吸收能量的部位需要有合適的強度和高的延展性，因此對這類零件提出了強度柔性分布的設(shè)計思想，以滿足零件受到撞擊時不同部位有不同的硬度、強度和延展性的要求，這種性能上的柔性分布可以通過熱成形的工藝設(shè)計或模具的冷卻系統(tǒng)設(shè)計來達到相關(guān)要求。

還以B 柱為例，圖7 為對于不同部位的強度要求，這類極具不同局部區(qū)域強度柔性分布的零件，首先可以通過施瓦茨公司提出的熱打印技術(shù)，此外可以通過模具的局部加熱或局部冷卻技術(shù)，而這需要以所用材料的不同部位的組織轉(zhuǎn)變曲線以及組織和性能的關(guān)系來確定，顯然這是一個更復雜的智能制造過程。模具不同部位的冷卻技術(shù)和板料不同部位的加熱方法和溫度控制技術(shù)，對不同部位的不同強度性能要求，也可以通過對激光拼焊板應(yīng)用不同的零件冷速來取得強度柔性分布的效果，圖8 為零件不同部位、強度分布的模具、板料激光拼焊技術(shù)。

圖7 B 柱不同部位的強度要求

圖8 零件不同部位、強度分布的模具、板料激光拼焊技術(shù)

為了降低熱沖壓成形構(gòu)件的成本，減少零件制造工序，減小車身結(jié)構(gòu)的焊點數(shù)和焊接工序，通過優(yōu)化設(shè)計和集成設(shè)計將多個零件集成，使部件零件化，即賦予零件具有部件的功能，這類最早出現(xiàn)的零件是將A 柱、B 柱、門環(huán)、前防撞梁四個零件焊接在一起，及阿瑟羅米特爾公司較早提出并實施的門環(huán)技術(shù)，將組焊好的門環(huán)一次熱沖壓成形為一個完整的門環(huán)，提升性能的同時減小了熱成形后高強度零件的焊接質(zhì)量，根據(jù)門環(huán)不同部位強度的要求還可以拼焊上不同熱成形性能的材料，更大范圍內(nèi)滿足這類零件安全性能的要求，目前這種思想和智能制造的方法已經(jīng)推廣到新能源汽車底盤件的集成制造，如圖9 所示。

圖9 門環(huán)的熱成形示意圖

在熱沖壓成形智能制造中還有一種間接熱沖壓成形技術(shù)，即將板材先預(yù)沖壓成形到零件：首先將預(yù)成形的零件加熱到奧氏體溫度，然后將零件迅速移到模具中進行最后的熱沖壓成形，使零件達到最終所需求的尺寸。由于這種工藝較為復雜，因此目前應(yīng)用不多，多采用直接熱成形的方法。寶馬公司曾經(jīng)用這種技術(shù)，用鍍鋅板(即JA 板)生產(chǎn)熱沖壓成形件，目前中國汽車工程研究院等也開發(fā)了類似的技術(shù)來生產(chǎn)商用車的車輪，由此拓寬了間接熱沖壓成形技術(shù)的應(yīng)用范圍。

結(jié)束語

2000 年以后，中國汽車工業(yè)迅速發(fā)展，為了應(yīng)對節(jié)能減排和安全性的需求，高強度、超高強度鋼的應(yīng)用迅速增加，以適應(yīng)汽車輕量化、節(jié)能減排和更加安全的發(fā)展形勢。因此，熱成形作為獲得超高強度、高性能汽車安全件的一個重要而有效的技術(shù)，近年來相關(guān)產(chǎn)業(yè)技術(shù)得到迅速發(fā)展。

熱沖壓成形過程是典型的智能制造過程，目前我國已經(jīng)實現(xiàn)了熱沖壓過程中的自動化，部分工序?qū)崿F(xiàn)了智能制造，就目前而言，熱沖壓成形尚未完全達到智能制造的水平，為達到真正的智能制造尚有大量的基礎(chǔ)工作需要進行。

實現(xiàn)熱沖壓成形零件智能制造需要的生產(chǎn)線自動化水平和可靠性的雙提升，完善熱成形零件性能和功能的智能化檢測和數(shù)據(jù)庫的建設(shè)；完善熱成形工藝過程中的數(shù)據(jù)庫建設(shè)；完善各種新型結(jié)構(gòu)零件的功能檢測和數(shù)據(jù)庫建設(shè)；以及建設(shè)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的自動化設(shè)備、具有自學習功能的數(shù)據(jù)庫，形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的控制過程和程序，使我國熱沖壓成形的智能制造更向前邁進一步。