摘要:該文以汽車、航空與航天領域?qū)p量化提出苛刻的要求為背景,系統(tǒng)介紹超強鋼板熱壓成形工藝及裝備,熱沖壓成形鍛壓設備朝著高效、節(jié)能、高可靠、高精度、智能化方向發(fā)展。
0 、引言
隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展,航空與航天領域?qū)p量化也提出苛刻的要求。選用像鎂鋁等輕合金、高強度鋼板是最直接的。采用超高強度鋼板來制造車身零件是同時實現(xiàn)車體輕量化和提高碰撞安全性的最好途徑。
尤其是超高強度汽車板在常溫下的變形范圍很窄,采用此法沖壓高強度汽車板時,沖壓過程中需要的沖壓力大且容易開裂,產(chǎn)生過量回彈。自從瑞典的Plannja公司提出“熱沖壓(Hot stamping)”這項技術并申請專利后,熱沖壓技術可以解決這兩個問題,同時可以使沖壓后的成品抗拉強度得到大幅度提高,該技術在汽車制造業(yè)逐漸得到廣泛的應用。液壓機是一種重要的成型加工機床,它以液體作為工作介質(zhì)傳遞能量來實現(xiàn)各種壓力加工工藝,廣泛應用于航空航天、竣工、造船、核電和汽車等制造領域。液壓機在一定程度
上能反映出一個國家機械制造的水平,在國民經(jīng)濟中起著重要作用。
單一車型大批量持續(xù)生產(chǎn)正被車型多樣化、中小批量生產(chǎn)所取代,鑒于以上原因,高強度板熱沖壓成形液壓機及生產(chǎn)線具有廣泛的市場前景。
1 、板材熱成形的技術原理及現(xiàn)狀
高強板及鈦合金熱成形的原理是將模具放在熱成形機中加熱,待模具溫度達到工藝要求時,將加熱到奧氏體溫度范圍的高強度鋼板放入模具中保溫,待溫度均勻后合模,保溫保壓;接著在保壓階段結(jié)束后,模具中布置的冷卻回路以一定冷卻速度對保壓狀態(tài)下的工件淬火冷卻,獲得超高強度沖壓件(組織為馬氏體,抗拉強度在1500MPa 甚至更高)的新型工藝。熱成形工藝分為直接成形工藝和間接成形工藝2種見圖1。
圖1 熱成形工藝圖
目前我國對于高強鋼板的成形,主要依靠引進國外的熱沖壓生產(chǎn)線。國際上熱沖壓生產(chǎn)線主要供應商有:德國SCHULER、瑞典AP&T、德國NEFF-Cartec、西班牙公司、英國諾芝公司等。
為了應對汽車制造商及其供應商對沖壓硬化零件的強勁需求,舒勒公司開發(fā)出了“ 壓力控制淬火”(PCH)技術,通過顯著增加接觸壓力并優(yōu)化模具,舒勒公司已成功大幅度減少循環(huán)時間。
諾芝公司是英國諾芝集團旗下最大的子公司,是英國歷史最為悠久,技術實力最為雄厚的金屬成形機械制造企業(yè)。諾芝壓力機目前在中國的客戶企業(yè)主要包括中航工業(yè)昌河、成都、沈陽黎明等公司、北京星航機電設備廠、首都航天機械公司。昌飛的英國諾芝250噸熱成形壓力機見圖2。
圖2 昌飛的英國諾芝250 噸熱成形壓力機
金泰集團研制了中國首條自動化熱沖壓成形生產(chǎn)線,該設備突破了熱成型設備研制的諸多關鍵技術,填補了國內(nèi)該類設備整機研制的空白。
應用尚處于起步階段,無錫藍力、天津鍛壓、合肥鍛壓等先后在國內(nèi)推出了各自研發(fā)的熱壓成形機,由于其精密、高效節(jié)能等獨特的優(yōu)勢,很快得到推廣應用,但與先進國家相比差距都很大。
2、 板材熱成形裝備主要研究內(nèi)容及研發(fā)的裝備
1)主要研究內(nèi)容
(1)設備合理傳動方案的確定。
通過實驗得出的材料熱物理性能和有限元分析技術,可通過計算仿真模擬獲得熱成型機的穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)溫場的溫場分布及其變化情況,滿足其承受熱負荷的要求??紤]到熱成型機用壓力機與常規(guī)壓力機相比,其工作臺面大,合理布局其液壓缸或連桿數(shù)量與位置,使其滑塊具備良好的均勻變形、剛度及強度。
(2)高速液壓機柔性切換技術。
(3)熱成型設備實時溫場自動控制技術。鑒于高強度鋼板及鈦合金等熱成形時,對變形速度、壓力和位移精度控制要求高,因此必須是計算機智能控制技術應用于其中,并建立典型材料與不同形狀的工件的板材熱成形的工藝控制數(shù)據(jù)。無錫市藍力機床有限公司在國內(nèi)推出了研發(fā)的熱壓成形機,由于其精密、高效節(jié)能等獨特的優(yōu)勢,得到用戶的一致好評,見圖3。
2)研發(fā)裝備
(1)液壓系統(tǒng)主要配置:
①五缸三級結(jié)構(gòu);
②伺服電機直驅(qū)內(nèi)嚙合齒輪泵;
③雙差動驅(qū)動加蓄勢器驅(qū)動;
④單獨的液壓墊控制系統(tǒng)、提高效率;
⑤軟起效應:伺服驅(qū)動器控制可以減少開模振動,系統(tǒng)發(fā)熱量減少,油溫穩(wěn)定,延長模具和液壓系統(tǒng)的使用壽命,可為客戶節(jié)省了維護的費用。
圖3 無錫藍力8000kN 板材熱沖壓成形壓力機
(2)電液系統(tǒng):
①上位機觸摸屏加伺服電機直接驅(qū)動油泵實現(xiàn)對壓力、速度的半閉環(huán)控制,實現(xiàn)對滑塊的驅(qū)動,速度轉(zhuǎn)換平穩(wěn),無振動及沖擊;
②通過壓力檢測傳感器與伺服電機形成閉環(huán)控制回路,線性度高,精度小于0.1MPa,提高了壓力精度;
③壓力通過觸摸屏設定,通過PLC程序控制,自動化程度高;
④滑塊和液壓墊采用直線位移傳感器進行檢測和控制;
⑤模具參數(shù)存取及模具自動識別系統(tǒng)。
(3)設備主要性能特點:
①滑塊快降速度:400~700mm/s,采用伺服柔性切換技術,減少沖擊,實現(xiàn)快降;
②工作速度:伺服泵控系統(tǒng),提高速度,減少裝機功率;小噸位時可采用壓力分級,通過壓力分級工作速度可達100mm/s,提高效率;
③滑塊回程速度:300~600mm/s;
④差動控制方式,實現(xiàn)低裝機功率條件下的高⑤換模移動臺、模具夾緊器、模具參數(shù)存取、模具識別等功能減少換模時間。
3 、結(jié)論
依據(jù)制造業(yè)的發(fā)展趨勢,熱沖壓成形鍛壓設備朝著高效、節(jié)能、高可靠、高精度、智能化方向發(fā)展。為新材料、航空航天、機器人、低碳新能源等高新技術領域裝備及汽車、鐵路及電力裝備的設計制造提供綠色智能裝備。
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