热冲压生产线概述

节能、环保和安全是当今汽车工业发展面临的三大挑战。实施汽车轻量化是降低汽车能耗、有效减轻车重的重要举措之一。新能源汽车轻量化是延长续航里程最主要的途径之一，其对轻量化的要求尤为突出。汽车轻量化除了优化车身设计外，还要求采用高强、轻质材料。目前，汽车行业采取多材料策略，即适合的材料用在适合的部位，但总的趋势仍以钢材为主。相关研究表明，若能使钢材的抗拉强度提高到1500MPa以上，相对于传统汽车用钢，可实现减重30%以上。在安全方面，普通高强钢的抗拉强度在400～450MPa左右，而特殊热成形钢材在加热前的抗拉强度就已达到500～800MPa，热成形加工后，则提高至1300～1600 MPa，为普通钢材的3～4倍，且硬度仅次于陶瓷，同时又具有钢材的韧性。因此，由热成形钢制成的车身，极大地提高了抗冲击性能和整体安全性。

基于此，目前越来越多的国家正在开发超高强度钢。但随着钢材强度的日益提高，也给汽车零部件的生产带来了巨大的挑战。因为强度越高，塑性就越差，变形就越不容易，零件的冲压就越困难。另外，强度越高，对模具的损害也越严重，生产成本会大幅提高。

最早由欧洲开发的热成形工艺，很好地解决了超高强度钢的冲压生产问题，即在奥氏体化下完成零件的冲压成形，然后在模具中完成马氏体转换，这使得热成形工艺得到了越来越多的应用。

2010～2013年，合肥合锻智能制造股份有限公司牵头承担了“超高强度汽车结构件热冲压技术和装备生产线”课题，成功地研制出具有自主知识产权的热冲压生产线。在“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项的支持下，连续8年对热冲压液压机不断进行试验和改进，迄今为止已形成了技术较为成熟的一系列热成形成套生产设备，主吨位涵盖6300kN、8000kN、10000 kN、12000 kN和16000kN等多种规格，可配套“多层箱式加热炉+六轴机器人”以及“辊底式加热炉+三坐标高速机械臂”，能够适应所有现有的热成形生产工艺，并针对未来可能出现的新零件工艺开展了预研，从而在设备设计、制造中预留了升级空间。

目前，合肥合锻智能制造股份有限公司已向国内外用户提供了近30套高速热冲压液压机，经过大批量的实际应用验证，完全满足了各项要求，技术及性能指标达到国际先进水平，从而迫使进口热冲压生产线及热冲压液压机的售价比10年前降低了50%以上。

合肥合锻智能制造股份有限公司基于箱式炉的热冲压生产线配备高速热冲压液压机，适合中小批量的热冲压件生产

合肥合锻智能制造股份有限公司基于辊底炉的热冲压生产线配备高速热冲压液压机，适合中大批量的热冲压件生产

基于旋转箱式炉的热冲压生产线

热成形工艺过程

目前，热成形工艺主要分为两大类：直接热冲压成形和间接热冲压成形。

直接热冲压成形工艺过程包括：

第一步：开卷落料，即在下料设备上，按零件展开尺寸对整卷钢板进行下料，包括必要的表面处理等。

第二步：加热，完成下料后，放入加热炉中加热至950℃并保温，直至材料完全奥氏体化。

第三步：上料输送，将加热好的材料快速传送至压力机内的模具上。

第四步：冲压成形，由高速液压压力机将材料快速冲压成形。

第五步：保压淬火，在压力机保压过程中，通过模具的特殊水冷处理，零件完成淬火硬化过程。

第六步：下料输送，将淬火后的零件传送至下料台上，并将出模约200℃的零件冷却至室温。

第七步：尺寸精加工及表面处理，即在激光切割机上对零件进行切割、打孔，直至达到设计尺寸，然后进行最终的表面处理。

间接热冲压成形工艺过程包括：

第一步：开卷落料，在下料设备上按零件展开尺寸对整卷钢板下料，包括必要的表面处理等。

第二步：预冲压成形，在冷冲压设备上对零件进行预成形，将零件冷成形至接近最终形状。

第三步：加热，将预成形的零件在加热炉中加热至950℃并保温，直至材料完全奥氏体化。

第四步：上料输送，将加热完成的零件快速传送至压力机内的模具上。

第五步：冲压成形，由高速液压压力机将零件快速冲压成形。

第六步：保压淬火，在压力机保压的过程中，通过特殊水冷模具，零件完成淬火硬化过程。

第七步：下料输送，将淬火后的零件传送至下料台上，并将出模约200℃的零件冷却至室温。

第八步：尺寸精加工及表面处理，在激光切割机上对零件进行切割、打孔至设计尺寸，然后进行最终的表面处理。

间接热冲压成形工艺与直接热冲压成形工艺相比的差别是，前者增加了冷模预成形冲压工序。间接热冲压成形工艺主要用于拉伸深度过大或者形状过于复杂、不能一次拉伸成形的零件。一般情况下，汽车零件基本都可以采用直接热冲压成形工艺进行生产。

热成形钢板

目前，热冲压成形工艺所用钢种均选用硼钢，如22MnB5、27MnCrB5。这类钢种的典型化学成分是C约0.221%、Mn约1.211%和Si约0.258%，加入微量的B、P和Ti等元素。微量的硼可有效提高钢的淬透性，使零件在模具中能以适当的冷却速度淬火，获得所需要的马氏体组织，从而保证零件的高强度。热冲压成形使用的板材主要为镀层板与无镀层板（裸板）。其中，无镀层板成本低、焊接性能好，但加热过程需要保护气体，冲压过程中有氧化皮产生，需要在冲压后进行喷丸处理，而且零件在存储中易生锈，耐腐蚀性能较差。镀层板一般为铝硅镀层板，相比无镀层板材，其优势为：在加热过程中无需保护气体，冲压过程中无氧化皮产生，无需喷丸处理，对模具无影响，零件在储存过程中不生锈，耐腐蚀性能好，但其缺点是，板材只能从国外采购，成本较高，当板料加热到一定温度时，镀层易与加热炉陶瓷辊粘结，需定期更换陶瓷辊，加热炉的使用和维护成本较高。

热冲压成形工艺的成套生产设备

热冲压生产工艺所需要的所有设备中，用于开卷落料、预冲压成形、尺寸精加工及表面处理这几道非核心工序的设备，一般为通用设备。由于这几道工序的关联性不紧密，因此，通常所说的热冲压成形生产线的成套设备指的是完成加热、上料输送、冲压成形、保压淬火和下料输送这5道核心工序所用的设备。下面仅介绍核心工序的设备。

1. 加热炉

加热炉用于加热工序，对零件进行加热和保温，使材料组织完成奥氏体化。国内现有的热成形生产线常用的加热炉有两种：辊底式加热炉和层箱式加热炉。

辊底式加热炉是采用陶瓷辊棒滚动传送工件，在工件传送过程中进行加热和保温，通过调整炉体长度来调整最大生产节拍。

多层箱式加热炉使用的是固定式的加热腔体，工件在腔体内的托架上处于静止状态下得到加热和保温。通过采取对腔体进行叠加的方式来调整最大生产节拍。

辊底式加热炉占地面积大，使用、维护成本高，但是可以选择天然气、电两种加热方式，镀层和非镀层板均可使用，且配套的零件输送机构结构简单。多层箱式加热炉只能使用电加热，配套的零件输送机构结构复杂。因此，近两年来，综合考虑成本、工件类形和材料等因素，国内厂商用于大批量生产的生产线均采用辊底式加热炉，多层箱式加热炉仅用于试验线、试模线和小批量生产线。

2. 自动化设备

以辊底炉热冲压生产线为例，自动化设备包括炉前上料单元、炉后上下料单元、后处理单元和中央控制系统。其中，炉前上料单元、炉后上下料单元用于上料输送工序，后处理单元用于下料输送工序。

炉前上料单元主要采取两种上料方式，一种是，一个六轴机器人将工件拆垛，双料检测、打码后，送入加热炉；另一种是，采用拆垛机械手进行拆垛和上料。

炉后上下料单元利用一组三坐标机械手来将加热后的工件送入压机工作区的模具上。

后处理单元利用一组三坐标机械手将压制、淬火成形后的工件移出模具，放到下料台上，使其通风冷却至室温。

中央控制系统由一台工控机进行数据采集、监控，按工艺程序控制生产线的各台设备，协调各设备的动作时间、顺序，防止设备间出现干涉现象而造成事故，并提供生产线信息管理功能。

在对生产线成套设备实现国产化的进程中，自动化设备的技术难点在于：

（1）工件输送时的速度和定位精度。既要速度快，还要保持工件稳定，不能让红热状态下的工件产生大的抖动，防止工件变形，同时，要保证工件到位时的定位精确，使其能准确放入模具。

（2）中央控制系统的控制精度要高，连续生产的可靠性要好，要以最短的等待时间来协调生产线各组成设备的动作。

3. 模具

模具用于冲压成形和保压淬火工序，实现对工件的压制成形、淬火和淬火过程中的保压，是整条生产线的核心装备，也是整个热冲压成形工艺的核心。模具中有冷却水道，用于对模具进行冷却。在成形过程中，工件的热量传递给模具，通过冷却水道，工件可快速冷却、淬火。由于水道的分布至关重要，因此目前采用的模具通常为机械加工水道组合模具、铸造模具和3D打印模具，以便于水道的加工。

4. 高速液压压力机

高速液压压力机可以实现快速合模，以将工件压制成形。一般，从坯料进入模具到完全合模压制成形，总的时间不到2.5s，这样，可以将工件的热量损失降到最低，防止工件温度降至750℃以下，从而极大地降低了废品率。在淬火阶段，液压压力机可以提供很稳定的保压力，保压力波动幅度不大于1%，从而极大地减少了工件在淬火过程中的形变，保证工件的尺寸精度。

高速液压压力机的技术难点在于：

（1）压力机工作时会产生冲击，速度越快，冲击越大。高速压力机由于工作速度很快，会产生极大的冲击，带来巨大的噪声和振动，导致设备本身产生疲劳，降低设备工作的稳定性和元器件的使用寿命，还会影响周边设备的工作，对附近的工作人员造成伤害。因此，需要消除冲击，让压力机工作更平稳。

（2）保压压力波动的幅度与工件的废品率直接相关，压力波动幅度越小，废品率越低。不仅如此，降低保压的压力波动，还可以有效降低生产成本。

目前，合肥合锻智能制造股份有限公司已完成高强钢热冲压成形工艺的开发以及成套生产线的国产化研发制造，研制的高速液压压力机达到了如下性能指标：滑块快降速度大于1000mm/s，工作速度40～300mm/s,回程速度大于600～800mm/s,满足了生产线每分钟3～4冲次的需要，年产能可以达到100万冲次/年。该液压机采用动态力控制技术、变保压压力技术和变排量节能技术，整体上达到国际先进技术水平，可满足一模1～6件的大批量生产需求，整体技术和生产效率达到国际先进水平，制造成本不超过国际同档次产品的60%，可完全替代进口。