热冲压成形技术与设备的发展趋势

文/任晓琪·东营广大金科机器人有限公司

作为解决“环境”及“安全”问题的重要方法之一，各汽车公司将高强度钢等材料用于车身骨架，在保证车身强度和刚度的同时减轻重量，并带来汽车车身的抗撞性能和抗变形性能的提高，由此显著提高汽车的安全性。与该材料配套的热冲压成形技术和设备，近年来得到了迅猛的发展。

板材热冲压成形技术

热冲压技术一般用于开放型截面（板材）材料成形，也可以用于封闭型界面（管件）材料成形，本文主要介绍板材的热成形。板材热冲压成形存在两种成形方法：直接热冲压和间接热冲压成形，如图1所示。直接热冲压成形技术，一般是将板材加热到再结晶温度以上，内部组织呈现出奥氏体态（此时板材的流动应力极大降低），然后进行冲压成形，冲压后在合模状态快速冷却，使得板材内部组织转化为淬火态的马氏体从而提高其强度。间接热冲压成形主要针对于冲压深度深、成形难度大的零件，先使用冷冲压进行预成形，随后进行热冲压成形最终得到所需零件的形状尺寸及强度。

热成形装备及工装

热成形生产工艺的不断完善，带来了装备的不断更新。随着国内热成形线的快速推广，装备国产化已经是既成事实。

目前，热成形专用高速液压机已实现国产化，主要厂家有合锻、天锻、徐锻、重庆江东机械等，压机主参数之一的滑块下行速度已突破1000mm/s，远超进口压机刚进入中国时600mm/s的下行速度，台面尺寸一般为3000mm×2500mm。

加热炉分为辊底式加热炉、箱式加热炉两大类，加热方式主要采用电加热。作为整条冲压线的消耗大户，辊底炉制造商中，施瓦茨、本特勒是进口设备的代表；国内北京机电所、大王金泰热成形项目部均开发出适用于大批量生产的国产辊底式加热炉。

多层箱式炉生产线具有占空间小、产能要求相对不高的特征，主要应用于模具厂、钢铁厂、高校科研所、汽车设计公司等单位。但是随着汽车制造业的转型，原先大批量产的汽车制造模式逐渐演化为小批量产，尤其是新能源汽车的兴起，为热冲压技术的推广提供了广阔的舞台，造成箱式炉生产线的崛起，我公司为国内热成形用户提供了近二十台箱式加热炉及全套自动化系统，如图2所示。

图1 板材热冲压成形技术原理过程

图2 多层箱式加热炉送料机构

随着热冲压技术的不断普及应用，早期设备的老化和功能上的缺失对冲压生产造成影响。我公司率先在国内开展了老生产线维护保养与性能升级的业务，对早期的生产线进行保养维护和功能升级。

欧洲企业垄断时，一套两腔的热成形模具市场价大约是400万元。目前，国内模具企业如上海凌云汽车模具、天汽模、吉林元隆达等立足自主研发，热冲压行业已基本摆脱了依赖国外进口模具。同时，博汇、江东、同捷、科正、辉泰等模具公司也纷纷进军热成形行业。2015年，我公司提供的热成形试模线设备，采用了一台单层加热炉配自动化搬运设备，如图3所示。

企业自从采用了该设备，当年热成形模具销售额就完成了3000万元，而他们只有二十多名员工。随着时间的推移，该模具厂逐渐成长，2年后，采购了我公司的第二代试模线设备，配有三层加热炉和自动化的试模线设备，如图4所示。该公司的热成形模具年度销售额达到了1.5亿元，团队员工增加到了60人，而这时模具的价格跌到了200万元。

图3 第一代热成形试模线设备

图4 三层箱式电加热炉

目前，国内冲压企业（如凌云股份、上海屹丰、赛科利、博汇、天汽模、华翔等）拥有近50条热冲压生产线，绝大部分生产设备采用国内自主生产配套，极大降低了热冲压零件的制造成本。

未来技术的发展

管类零件的热成形，需要在一个零件上实现不同部位强度不同，目前采用了开弱化孔、不等厚板激光拼焊、变厚度轧制等技术，采用均一材质的梯度强度热冲压零件可以简化制造流程、降低成本。目前国内有凌云股份、我公司及其他单位在合作研发该产品，包括软区线性过渡产品（图5）。

实现该项技术的工艺手段有多种，性价比和可靠性最理想的方案是在构建一种合理的加热炉，该种加热炉将拥有梯度强度（软区）功能、并线生产管类气胀热成形零件功能等，我们的方案是设计各种功能模块，将这些功能模块整合到加热炉内或外部，并可以将功能模块添加到已有的生产线中。

图5 软区零件工艺要求

结束语

热成形技术是源自超强钢板的一种加工技术，采用形变与相变结合的制造工艺。目前国内在铝板冲压方面也采用类似的技术，来提高零件的强度和成形性。铝板热冲压技术的核心之一是加热技术，如蔚来汽车、同捷汽车等公司就已经实现了7系铝板的热冲压成形。但是，由于铝板热处理中液相扩散较慢、温度窗口窄等原因，常规的加热手段很难在效率和质量把控上取得满意的效果。为此，采用对流加热方式或接触式加热方式可有效改善固溶效果，而研究一种新型的铝合金材料，缩短固溶处理时间，改变时效处理要求，才是推动铝合金热成形应用的理想方案。