汽车零部件自动化热成形生产线关键技术设计

汽车零部件自动化热成形生产线关键技术设计

发布时间：2022-09-22T03:14:04.535Z 来源：《中国科技信息》2022年5月第10期作者：夏咪咪

[导读] 随着环保、安全因素对车辆的限制越发严格，高强度热冲压成形零件在车辆制造中的比重也逐渐提高，夏咪咪

安徽江淮汽车集团股份有限公司安徽省合肥市 230061

摘要：随着环保、安全因素对车辆的限制越发严格，高强度热冲压成形零件在车辆制造中的比重也逐渐提高，已成为车辆白车身构造不可或缺的重要组成。在介绍热成形技术基本原理的基础上，通过列举关键工艺数据，对汽车零部件自动化生产线的主要构成设备，包括加热炉、冲压机、冲压模具和自动化搬送设备的选型及相关设计内容作了详细介绍。

关键词：热成形；自动化设备；生产线

引言

我国的汽车行业迅猛发展，舟山市传统机械加工企业纷纷加入汽车配件、零部件加工行业，其中也涌现出如黎明发动机、7412工厂、正源标准件有限公司等一批龙头企业，他们在汽配行业的轴承、凸轮、螺栓螺母等加工领域站稳脚跟，为各大品牌汽车厂家提供产品。在机械加工过程中，由于机床震动、刀具磨损、对刀偏移等种种原因都会直接或者间接影响加工精度。

1热成形技术概述

热冲压成形（HotStamping，或Hot-PressForming，以下简称热成形）是一种零件加工工艺。加热至高温的热成形钢板材被投入冲压机中经冲压成形，同时在模具中快速冷却进行淬火，最终得到高强度零件。这一技术最早在1977年由瑞典公司Plannja申请专利，并应用于生产除草机的锯片。随后在1984年，另一家瑞典公司——萨博汽车公司利用这一工艺制造了萨博9000汽车的防冲击侧梁，这是热成形技术第一次被应用于汽车工业。当今，热成形产品如高强度硼钢汽车零件在汽车车体结构件，即白车身上的应用已十分广泛，例如，以安全著称的沃尔沃，在2010年款S60的白车身中应用了14.2%的热成形零件，而在2015年款XC90的白车身中，这一占比提高到了38%（见图1）。2021年上市的11代本田思域，在A柱（前立注）、B柱（中立注）、上下侧梁部位，也均使用了抗拉强度＞1400MPa的热成形零件。目前，汽车热成形零件主要有横向支撑梁、悬置固定梁、纵向承载梁、前缓冲梁、A柱、B柱、门槛及车顶侧梁等。汽车热成形零件的普及，主要得益于这一技术的最大优点：高强度。一方面，高强度零件的应用可以提高车体整体结构的强度和刚度，有利于整车碰撞安全性和NVH（噪声、振动与声振粗糙度）表现。在热成形钢之外，广泛应用于白车身的传统冷冲压用钢，如DP-CP（双相-复相）钢，TRIP（相变诱导塑性）钢等超高强度钢的抗拉强度在1000MPa左右，而经淬火后的热成形钢抗拉强度可达1500MPa，是一般冷冲压超高强度钢的1.5倍。未来，更高强度级别的热成形钢会得到继续推广，如长城哈弗汽车在其2020年发布的柠檬造车平台中，就提出以2000MPa热成形钢取代1500MPa级热成形钢。另一方面，高强度材料的应用意味着在不降低安全性的同时可以采用更少的材料，达到降低汽车重量的轻量化目的。在燃油车时代，车辆的轻量化就一直是车企的主要研究方向之一。有数据指出，车辆整备质量每减重100kg，百公里油耗可降低0.3～0.6L，同时每公里的CO2排放量最低可以减少15g。因此，车辆轻量化不仅可以提高使用经济性，而且对能源节约、环境保护也将起到积极作用。此外，更轻的整车重量也有利于车辆加速、制动和耐久性等性能的提升。根据国际铝业协会的研究结果，车辆质量减轻10%，制动距离可减少5%，转向力减小6%，行驶稳定性更好。

图1 2015款某白车身结构

2汽车零部件自动化热成形生产线关键技术

2.1插接件防错设计

为了避免插接件安装错误，尽量在同一区域使用相同的插接件。例如，看在设备管梁上设置位置相近，但功能、插件要求不一样的管理器。同时，在同一条流水线上生产若干汽车，设置位置不同，所安装的插接件也存在差异。以安全气囊管理器来说，通常设置于下车体中心通道处，因汽车结构、发动机类型的擦会议，碰撞参数的不同，安全气囊管理器也有区别。可以选择适配不同的插件件进行区分，可以防止在总装的过程中将安全气囊管理器位置设置错。对于同一系列的插接件防错最重要的是要根据防错特征来区分，插接件于各设备要一一对接。若是不匹配就无法顺利安装。

2.2热成形板材

目前，汽车零部件中最常用的热成形钢是22MnB5。1997年前，应用于热成形的板材为无镀层板，这种裸板成本低、焊接性好，但加热过程中表面极易氧化生成氧化铁皮。而氧化铁皮脱落在模具中会增大钢板与模具的摩擦系数，降低模具的使用寿命，且氧化铁皮也会影响后续涂装工序，同时钢板氧化还会发生脱碳现象。因为材料的强度与碳含量息息相关，所以脱碳会导致钢板强度下降。因此，在裸板加热

过程中，需要保护气氛来减少氧化程度，而在冲压成形后对零件还要进行喷丸处理，以去除氧化铁皮，提高零件表面质量。但是，裸板零件的厚度最好选择1.2mm以上，否则抛丸会使零件产生较大变形且无法控制。另外，无镀层板材制成零件的抗腐蚀性也较差，易于生锈，因此在储存时还需要表面涂油。但保护气氛、抛丸涂油等，都增加了使用裸板的热成形生产成本。钢铁制造巨头的安赛乐米塔尔公司（ArcelorMittal）于1999年成功开发了Al-Si（铝硅）镀层硼钢，并取得相应专利。Al-Si镀层的存在有效解决了高温下板材的表面氧化问题，因此可以省去保护气氛和喷丸工序。同时，Al-Si镀层板可以减少冲压时的摩擦系数，提高成形性，减少模具磨损，在模具保护、零件尺寸精度、甚至耐蚀性等方面也表现出优异性能，从而迅速得到了推广和应用。但Al-Si镀层板也存在一些缺点：首先作为专利产品，Al-Si 镀层板的购买成本较高，相较于裸板，每公斤镀层板价格要高1.5元以上。以一辆车的白车身（700kg）采用30%热成形板材计算，选择镀层板就比裸板要增加成本315元。对于年产量10万辆以上的车企来说，每年就是一笔不小的成本支出。另外，镀层板对于加热速度比较敏感。在快速加热时，由于镀层和基体钢板的膨胀系数不同，容易因变形不均匀而产生微裂纹，影响随后的冲压性能以及油漆涂层的表面质量和光鲜性。此外，Al-Si镀层板还存在黏辊问题。当加热到一定温度时，镀层易与加热炉陶瓷辊黏结，增加了加热炉的维护使用成本。

结语

热成形可以制造出高精度、高强度的汽车零部件，在汽车产业得到了广泛应用。由于自动化生产线设计的非标化，即常需要根据厂家具体生产情况及产品计划进行定制化设计，且涉及到材料、塑性成形、热、机械及电气等多个领域，所以实际设计十分复杂。在本文中，在热成形的基本工艺原理之外，又通过列举关键工艺数据，详细介绍了组成自动化热成形生产线的重要设备：加热炉、冲压机、模具和自动化搬运设备的选型和设计内容。未来自动化热成形生产线发展的重点在于优化工艺，以提高生产效率，降低设备成本。伴随着汽车环保、轻量化需求的增加，自动化热生产线和热成形技术的应用也将继续得到推广，且有望在汽车产业之外的领域，如轨道交通、工程机械等领域得到更多关注。

参考文献

[1]王辉，葛锐，周少云，等.热冲压成形技术及发展前景[J].武汉工程职业技术学院学报，2014（3）：52-55.

[2]朱久发.热冲压技术应用现状与发展前景[J].武钢技术，2012（4）：58-61.

[3]周健，姚仁晖.AYM工厂调角器装配线的自动化智能防错系统的设计与应用[J].智能城市，2019，5（18）：198-200.