車身高強鋼結構件熱成形生產系統(tǒng)的比較與展望

熱成形鋼作為高性價比的輕量化車身制造材料，市場需求量不斷增長，在車身上的應用比例逐年上升，其零件種類以及對應模具的設計式樣也愈加豐富，這對熱成形生產系統(tǒng)而言，除了滿足產量外，更需要有寬泛的產品適應性以及高度的生產靈活性。

對于計劃導入熱成形生產線的零部件廠商而言，其最為關切的是要了解不同生產線的特點和區(qū)別，并結合產能規(guī)劃以及零件種類選擇契合自身需求的生產系統(tǒng)。本文從多角度分析匯總了在熱成形件生產領域內，兩種主流生產系統(tǒng)的優(yōu)缺點，希望能為計劃導入熱成形生產系統(tǒng)設備的廠商提供參考。

生產線投資規(guī)模

國內熱成形行業(yè)發(fā)展初期，自2000 年到2010 年期間，部分零部件廠商基于對汽車輕量化材料發(fā)展趨勢的前瞻性預判，引進了熱成形生產線系統(tǒng)，并投入量產。由于該類生產線的核心工藝設備——輥底式加熱爐僅有少數(shù)幾家國外廠商能夠提供，國內當時沒有該領域相應的熱處理設備供應商，因此初期進口的輥底爐生產線價格非常昂貴，且系統(tǒng)復雜、生產線規(guī)模龐大，如圖1 左圖所示。

隨著時間的推移以及行業(yè)的發(fā)展，這一局面逐步被打破，市場上出現(xiàn)了基于箱式爐的熱成形生產線系統(tǒng)，如圖1 右圖所示，與輥底爐生產線動輒千萬級的投資相比，箱式爐生產線投資金額小，結構簡單，占地面積小，大大降低了企業(yè)的導入門檻，能滿足中小型零部件企業(yè)生產所需。

生產線占地面積

輥底爐生產線除了投資金額高，其占地面積也較箱式爐生產線大，通常一臺標準輥底加熱爐長度約為40m，在集成自動化上下料系統(tǒng)以及壓機設備后，其整套生產線的長度尺寸通常可達50 ～60m。

相比輥底爐生產線，一條配備2 臺箱式爐的熱成形線占地面積要小50%以上，相當于一條輥底爐生產線的區(qū)域面積內可以安裝2 條箱式爐生產線，如圖2 所示。

圖2 輥底爐生產線與箱式爐生產線尺寸比較

因此，對生產企業(yè)而言，箱式爐生產系統(tǒng)對場地面積要求較低，設備導入的限制條件少。

加熱爐結構

輥底爐的爐膛內部采用了大量耐高溫陶瓷輥子，通過鏈輪與鏈條連接傳動，帶動輥子不間斷連續(xù)運行，板料被放置在輥子上，通過輥子轉動運行，帶動板料在加熱爐內緩慢運行加熱，輥子與輥子間保持一定的間隔(一般節(jié)距為110mm 左右)，當某根輥子發(fā)生故障時，整線需要停產維修；同時輥底爐對輥子的產品一致性以及裝配等均有較高要求，以確保板料在爐內運行的直線度，輥底爐示意圖見圖3 上圖。

相比輥底爐內輥子的運動結構，箱式爐爐膛內支撐板料加熱的結構為固定式，因此板料被送入爐膛后，在整個加熱周期內為靜止狀態(tài)，因此其結構簡單、生產穩(wěn)定、故障率較低，箱式爐示意圖見圖3 下圖。

生產支出及維護成本

電能消耗支出

熱成形生產過程中，用于加熱的電能消耗占據了生產支出的主要部分；而電能除了用于加熱板料外，同時不可避免地被爐膛內的元件吸熱消耗，通過熱量計算公式分析：

式中，Q 為吸收的熱量(J)；c 為比熱容[J/(kg·℃)]；m 為物體的質量(kg)；Δt 為溫度的變化(℃)。

通過以上公式可知，加熱爐消耗的熱量與加熱物體的質量成正比關系，通常情況下，爐膛尺寸大，內部元件多，吸熱物體的質量大，則理論上耗電量也大。

輥底爐的爐膛尺寸長、體積大，一般一臺輥底爐設備的功率可達1500 ～2000kW；而箱式爐可根據板料大小設計爐膛尺寸，有效避免冗余加熱面積過大，其爐膛內元件少，吸熱物體的質量小，相應耗電量也小。

同時，為進一步優(yōu)化箱式爐的爐膛尺寸，通過設計開發(fā)板料變間距技術，將板料間距壓縮后送入加熱爐加熱，出爐后再恢復間距入模，如圖4 所示，這樣可進一步優(yōu)化加熱爐的爐膛面積，使加熱能量更有效地得到利用。一般一臺7 層箱式爐，其功率僅為500 ～600kW。

使用維護成本

目前鋁硅鍍層板是主流的熱成形生產用鋼板，其在加熱過程中，鍍層中的鋁元素會析出，從而對輥底爐內支撐傳送板料的陶瓷輥子表面產生結瘤污染，污染物堆積后會造成輥子表面不平整，影響鋼板在爐內加熱運行的直線度，因此需要定期更換，從而導致后期使用成本較高。

多層箱式加熱爐，由于爐膛內結構為固定式，熱成形鋼板在加熱的過程中，始終保持靜止狀態(tài)，因此其表面鋁硅鍍層不會對爐膛內支撐產生污染，爐膛內支撐板料的元件基本上是免維護，這大大降低了長期連續(xù)生產使用的成本支出。

生產連續(xù)性及靈活性

生產場景

輥底爐結構為不同溫區(qū)串聯(lián)式的布置方式，當某一個溫區(qū)出現(xiàn)故障，如上文所述的輥子需要更換或其他問題，將直接導致整線停止運行，必須立即進行維修處理后才能恢復整線生產。

相較于輥底爐的串聯(lián)式溫區(qū)布置，箱式爐為溫區(qū)并聯(lián)型；當某一個加熱層出現(xiàn)故障，可以臨時將故障爐層屏蔽，并開啟備用爐層，以確保生產的連續(xù)性，隨后再按照計劃停產時間停線，并進行集中維修處理，這樣既大大保證了生產工作的連續(xù)性，也避免了因故障導致臨時停機，造成產能不足而使整體生產計劃受到影響。

停線場景

一般生產企業(yè)，除了計劃停機外，現(xiàn)場還可能會遇到電力系統(tǒng)搶修、限電拉閘等突發(fā)斷電狀況，輥底爐必須要配備額外的發(fā)電機系統(tǒng)，以確保爐膛內所有輥子不間斷轉動運行，否則將造成輥子的批量損壞；而箱式加熱爐因爐膛內為固定結構，即使突發(fā)斷電狀況，也不會對加熱爐本體造成損壞，因此也省去了額外的發(fā)電機系統(tǒng)。

產品適應性

模腔組合

熱成形行業(yè)發(fā)展初期，車身僅少數(shù)關鍵零件采用熱成形工藝，如A 柱、B 柱及防撞鋼梁等；隨著汽車輕量化進程的推進，越來越多的車身結構件采用熱成形鋼材料，其尺寸形狀也呈現(xiàn)多樣化的特點；模具制造商為了提高沖次產量，節(jié)省模具制造成本，通常將多種零件整合在一副模具內，模腔數(shù)量有一腔、雙腔、三腔、四腔及多腔等，并且根據零件尺寸形狀差異，模腔的排列組合被設計為一行多列，甚至多行多列的方式；輥底爐生產線系統(tǒng)，由于其輥子傳送以及拍打對中等設備特點，僅適合生產一行一列或一行多列類的零件或零件組合，見圖5(a)；而箱式爐生產線則無此限制，其可以生產的零件組合種類更多，靈活性更高，如圖5(b)所示的零件組合，箱式爐生產線均可滿足生產。

板料尺寸

一般輥底爐長度達40 多米，輥子直徑為60mm，節(jié)距為110mm 左右，一臺加熱爐輥子的數(shù)量達400多根，這對于輥子制造的一致性以及安裝精度都提出了較高要求；同時，對于尺寸較小的板料，一方面由于輥子節(jié)距的關系，可能會掉入輥子間隙或產生運行不穩(wěn)；另一方面，因小板料自重輕、慣性小，輥子平行度及表面平整度的微小誤差都可能導致小板料運行時產生偏差，無法在爐膛內穩(wěn)定且保持直線的運動；箱式爐因爐膛結構固定，即使是小板料在加熱過程中也不會發(fā)生移動，故不存在此類問題。

板料種類

為了在熱成形零件的不同區(qū)域獲得差異化工藝性能，較多熱成形鋼板采用補丁板的制造工藝，即在基板局部區(qū)域通過點焊工藝增加補丁板，以增加此區(qū)域的局部強度；此種板料因基板和補丁板的厚度及面積差異，導致在加熱升溫過程中產生形變速度不一致的現(xiàn)象，板料因此發(fā)生翹曲；如采用輥底爐生產，則板料通常在加熱行進中形變翹曲，從而導致運行卡滯或“跑偏”，引發(fā)生產中斷；而在箱式爐中生產，雖然升溫過程中也會翹曲，但由于加熱過程為靜止狀態(tài)，且達到目標溫度后，板料又會重新恢復平整，因此不會對生產工藝造成影響。

生產節(jié)拍

輥底爐熱成形生產線，其爐體的長度決定了產量大小，根據生產零件不同，其生產節(jié)拍通常在3 ～5SPM 區(qū)間內，如果按照平均4SPM 節(jié)拍，每班次10 小時來計，則理論班次產量可達2400 沖次。

箱式爐的生產節(jié)拍與加熱層數(shù)有關，通常配備兩臺8 層箱式爐的生產線，其生產節(jié)拍為2 ～3SPM；按照平均2.5SPM 節(jié)拍，每班10 小時來計，則理論班次產量為1500 沖次。

對于規(guī)模大、產量需求高的大型零部件生產廠商，輥底爐生產線能很好匹配其產能需求。而箱式加熱爐所具備的投資門檻低、占地面積小、故障率低等特點，則更能符合中小批量零部件廠商的需求；同時，箱式加熱爐寬泛的產品適應性以及高度的生產靈活性也更能契合未來車身制造產業(yè)產品種類多樣化，更新迭代快速化的發(fā)展趨勢。

溫度控制

輥底爐的爐膛體積大，尤其體現(xiàn)在其長度方面，由于只有一個進料口和一個出料口，生產過程中板料進爐、出爐時，爐口散熱少，爐溫易于保持穩(wěn)定。

箱式爐的爐膛呈高度方向疊加，體積小、布局緊湊，且每個爐膛配備一個爐口用于上下料，其爐膛溫度受上下板料影響相對較大，因此每個循環(huán)開閉爐門后，溫控系統(tǒng)須及時自動調整升溫功率以補償開閉爐門損失的熱量。

對于未來熱成形設備發(fā)展的幾點思考

隨著新能源汽車快速發(fā)展，各類車型層出不窮，推出及迭代的周期越來越短，汽車產品朝著多樣化、更新快的方向發(fā)展，熱成形鋼作為高性價比的車身輕量化材料，將面臨更加復雜及多樣化的生產需求，以下對未來熱成形件生產系統(tǒng)的優(yōu)化及發(fā)展提出幾點思考，以供參考：

精簡硬件配置，增強設備可靠性

根據日本發(fā)那科公司提出的商品開發(fā)三原則，商品的可靠性是排在首位的。熱成形線作為生產系統(tǒng)裝備，可靠性和穩(wěn)定性永遠是第一位的，較多自動化功能的配備很多只是錦上添花。在滿足穩(wěn)定生產的前提下，精簡不必要的硬件配置，一方面能減少故障點，增加生產系統(tǒng)的實用性和可靠性，同時還能有效降低設備的投資成本。

減少非生產停機時間

熱成形生產線加熱爐的爐膛工作溫度在950℃左右，因此無法做到隨開隨用，即關即停；任何涉及爐膛內元器件的維修、更換均需要等待停爐降溫后才能開展，而通常爐子降溫至少要2 ～3 天，再加上維修和重新升溫操作，則停機時間在一周以上；這對企業(yè)而言，損失了非常寶貴的生產時間，同時也造成了產能壓力。

因此基于當前加熱爐方案，包括輥底爐和箱式爐，需考慮將爐膛內易損件，以及定期更換的耗材如電熱絲等元件設計成不降溫維修更換的方式，開發(fā)應用模塊化的加熱元件，優(yōu)化易損件、耗材在爐膛內的布置方式等，以此來避免停爐維修，提高設備利用率，為企業(yè)爭取寶貴的生產時間。

降低生產能耗

熱成形零件在使用過程中能起到減輕重量，增加車身結構強度，減少排放的效果；然而生產熱成形零件的過程卻是高能耗的，因需要將板料加熱至奧氏體化，目前加熱爐主要采用熱輻射的加熱方式，相比“電阻加熱”“感應加熱”以及“直接傳導加熱”等加熱方式，熱輻射加熱時間長(200 ～300s)、能耗高、加熱效率低(12℃/s)，不符合未來節(jié)能環(huán)保的發(fā)展需求。

因此探索研究新一代的板料加熱技術，縮短加熱時間(10 ～60s)，降低能耗，提高加熱效率(200 ～300℃/s)，并將此進行工程化應用，是未來熱成形行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要方向。

板料性能定制

目前，對變強度零件的制造主要通過不等厚輥壓、激光拼焊以及增加補丁板等改變材料厚度的方法來實現(xiàn)。未來車身設計不斷優(yōu)化，如何在一張基板上實現(xiàn)不同區(qū)域工藝性能的精確定制，將是熱成形生產系統(tǒng)發(fā)展中的一項重要研究課題。

一體化零件生產

隨著車身零件的集成化程度越來越高，零件數(shù)量逐漸減少。如門環(huán)類零件，由原先的A 柱、B 柱、A柱下加強板以及門檻等組成，經過一體化設計后，減少了零件焊接的工序，降低了成本，車身重量減輕，剛度提升；預計此類零件一體化技術也將成為未來車身發(fā)展的一個重要方向，而作為熱成形系統(tǒng)設備制造商，則需要前瞻性的考慮如何實現(xiàn)此類產品批量生產，并持續(xù)降低生產成本。

總結

本文對兩種主流熱成形生產系統(tǒng)做了分析比較，輥底爐生產線投資大、產能高，適合于大批量生產的大型零部件廠商；而箱式爐生產線投資門檻低、占地面積小、柔性化程度高、零件適應性強、使用成本低，其更能滿足產品種類多的中小型零部件廠商?？傊?，輥底爐及箱式爐將各自發(fā)展其特點，取長補短、互為補充、并存發(fā)展，共同在熱成形件制造領域中發(fā)揮作用。

未來隨著車身制造朝著輕量化、節(jié)能環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的方向不斷進步，相信作為制造裝備的熱成形生產系統(tǒng)也必將與時俱進，新的加熱技術以及先進裝備技術將不斷涌現(xiàn)、更新迭代，推動產業(yè)持續(xù)發(fā)展。