基于多层箱式炉的热成型生产线.pdf

2023,16(2)上海电气技术77基于多层箱式炉的热成型生产线朱益晨上海发那科机器人有限公司摘要：分析热成型生产工艺，对加热炉进行优化设计，合理规划生产线布局，优化选择搬运装置，配备工业机器人作业平台，对多层箱式炉与工业机器人进行整合，形成高性价比的热成型自动化生产线，实现热成型零件批量生产。发展应用箱式炉的热成型生产系统，能够更好地满足热成型零部件厂商对车用高强度钢零件生产的多样化需求。关键词：箱式炉；热成型；生产线；设计中图分类号：TH162Abstract:The hot forming production process was analyzed,the design of the heating furnace wasoptimized,the layout of the production line was reasonably planed,the selection of handling device wasoptimized,the industrial robot operation platform was equiped,the multi-layer box furnace and industrial robotwere integrated,and a cost-effective automatic hot forming production line was formed to achieve massproduction of hot forming part.By developing and applying a hot forming production system of box furnace,it ispossible to meet the diverse need of hot forming component manufacturer for the production of high-strengthsteel part for vehicle.Keywords:Box Furnace;Hot Forming;Production Line;Design1上海2201906文献标志码：A文章编号：16 7 4-540 X(2023)02-077-07资成本低、占地面积小、生产柔性化程度高等优点。1研究背景因此，自主开发成熟可靠的箱式炉热成型生产线，对车用高强度钢零件的热成型技术是一种新型的打破垄断，降低车身制造成本，以及推动汽车朝着轻成形工艺，它通过对零件进行加热，使之相变成奥氏量化方向发展具有重要意义。体状态，随后快速移送至水冷模具进行合模保压，使箱式炉多被用于试模的工作场合，国内加热炉零件冷却淬火，最终获得高强度的冲压件。与传统供应商主要服务于传统冶金热处理行业，对汽车行冷冲压相比，在获得同等零件强度，包括屈服强度、业高强度钢板的热处理工艺及自动化系统集成不甚抗拉强度的指标下，热成型后的零件厚度较冷冲压了解，能成功转型进人热成型生产行业的厂商屈指零件更薄，质量更轻，因此有利于减轻车身质量，从可数。而达到节能减排的目的。同时由于对箱式炉缺乏针对性及适应性的研当前，车用高强度钢零件的生产主要以进口辊发，导致了该类加热炉的研发比较落后，发展缓慢，底式加热炉生产线为主，该加热炉仅国外少数几家跟不上市场发展的需求。笔者通过探究分析热成型厂商能提供，其主要特点是价格昂贵，占地面积大，生产工艺，对作为核心工艺设备的加热炉进行了适使用及维护成本高，由此导致车用高强度钢零件的应性优化设计，并配备机器人自动化搬运系统，最终制造成本居高不下。形成基于多层箱式炉及机器人自动化平台的热成型相较于辊底式加热炉，多层箱式加热炉具有投生产线。收稿日期：2 0 2 3-0 2作者简介：朱益晨（198 1一），男，本科，工程师，主要从事冷冲压、热成型工艺及配套自动化系统研究工作782热成型工艺分析2.1加热温度热成型生产工艺属于热处理淬火工艺，其首要的一个环节是将钢板加热到90 0 950，并保温36 m i n，使钢板的金相组织转化为奥氏体，在此过程中，温度均匀性一般要求在士10 以内。加热温度不仅与零件工艺性能有着直接的关系，同时对铝硅镀层的热成型零件而言，温度还会对零件表面颜色产生较大的影响。2.2露点控制铝硅镀层钢板在加热过程中，炉膛内的水份受热，会分解成游离态的氢原子，并渗透到钢板基体内，经过扩散聚集，产生内应力，其后或在外加应力的作用下，导致材料脆化甚至开裂。根据经验数据，加热炉膛的露点一般要控制在一5以下，这样氢脆风险可有效控制在非常低的水平。因此，需要配备露点监测及控制系统，同时须确保炉膛密封良好，气氛稳定，以防止热成型零件产生延迟氢脆而造成产品质量事故。2.3入模温度研究表明，对于2 2 MnB5热成型钢板，当初始成型温度在7 0 0 8 0 0 时，淬火后的微观组织基本上为均匀的马氏体组织，此时其抗拉强度最佳，达到了实际热成型工艺的要求。出炉后的热坏料，在室温下的冷却速度一般为10 12 K/s，以出炉温度920、人模温度8 0 0 为例，要求出炉后的热坏料至少在10 s内完成入模，因此所配套的自动化搬运设备必须满足热坏料高速转运的工艺要求。3加热炉设计根据热成型生产工艺可知，炉温及露点等工艺的控制，均需要通过加热设备来保证，因此加热炉在热成型生产线中是核心的工艺设备之一，须对其进行适应性的优化设计，以同时满足热处理工艺以及自动化上下料的要求。3.1炉层数量及高度按年总冲次6 0 万10 0 万核算，每班次的冲次要达到10 0 0 18 0 0，即每分钟生产节拍须保证2 3冲次。按最高3冲次节拍计算，2 0 s须生产出一冲次的零件。以2 2 MnB5热成型钢板加热为例，将钢板加热到奥氏体化，需加热30 0 s左右，综合自动化上下料时间2 0 s，则单层炉膛的生产循环时间为上海电气技术320s，由此推断，一个箱式加热炉的炉层总数要达到16 层，才能达到所需的产能。实际生产中，不能以无限制增加层数来提高产能，因为堆叠炉层会导致加热炉高度尺寸超标，以至无法与自动化搬运设备进行匹配，所以必须对炉层尺寸进行优化设计。炉膛内板料支撑结构如图1所示。普通简易试模的箱式炉，其典型的炉膛结构为横置支撑辊形式，上下料采用人工方式，或配备简易机械手，由于其手爪厚度尺寸Hi较大，夹取钢板时要将手抓整体伸入炉膛内，因此相应的炉层高度尺寸较大，一般可达50 0 mm以上。为降低炉层高度，避免手爪伸入炉膛内取料，通过与自动化上下料装置对接分析，拟将横置支撑辊改为纵置支撑齿条，同时设计配备自动化上下料叉子，其厚度尺寸H2较小，这样对应的炉层高度尺寸可大幅减小，一般为300400mm左右。宽THH2十图1炉膛内板料支撑结构炉层高度降低后，再结合自动化设备运行的可达范围，可设计两台加热炉，每台8 层设置，高度控制在3m左右，这样可满足产能需求。3.2加热方式目前可供选择的加热方式主要有燃烧加热、辐射加热、感应加热等。燃烧加热较难实现精确控制，热效率相对较低。辐射加热特点是炉温均匀，易于实现自动控制，加热质量好。感应加热的感应构件，如电感应线圈，适应工件能力相对较弱，只适用于单品种、形状规则的零件加热。因此，通过对不同加热方式的比较，结合热成型生产线的工艺要求及控制方式，确定优选辐射加热作为箱式加热炉的加热方案。3.3炉膛尺寸对于采用辐射加热方案的加热炉，电能消耗是生产中最主要的成本，而在生产加热过程中，电能除了用于板料加热外，其大部分被炉膛内吸热元件所2023,16(2)2023,16(2)消耗掉。因此在满足多品种产品生产的同时，如何有效控制炉膛非加热区域的面积，对降低电能消耗有直接效果。为了获得最优炉膛尺寸，通过收集车身上主上海电气技术要高强度钢结构件对应其成型前的板料种类，并将这些板料根据尺寸及形状进行分类汇总，以此设计出合理的炉膛尺寸。典型板料分类如图2 所示。791类板料18991718610701201003245116327712621501060-7171792165640166653148680然而，以上板料种类若采用一种炉膛尺寸进行全覆盖生产，则需要较大的炉膛尺寸。而在生产小尺寸板料时，为大板料预留的加热区域将成为空置加热区域，浪费电能。为此，优化设计两种型式的加热炉，如图3所示。A型炉的炉膛可生产1类、2类、3类及4类板料，B型炉的炉膛可生产1类、2类、3类及5类板料。在炉膛尺寸设计时，板料距离炉壁要留出10 0 mm左右的间隙，这有利于提高加热效果，满足各类板料的加热需求。A型图3两种型式加热炉3.4温度控制试模用的箱式加热炉，主要目的是加热板料用于测试检验模具，未对板料加热的控温功能进行详2类板料375619-464792-355710-B型3类板料8451593-67313026901335图2典型板料分类细设计。各个炉膛通常采用简易贯通式结构，炉层之间为相互连通，这会导致某一层板料在加热过程中受到相邻层炉门开启的影响，使加热过程温度不均匀。同时会造成炉内气氛搅动，对露点控制产生不利影响。对于批量生产的加热炉设备，要确保炉膛在加热过程中的密封性，避免板料加热过程中发生温度散失，同时必须要满足温度均匀性及露点值 一5的要求。因此将炉层之间设计为相互独立的结构。两种型式炉膛如图4所示。通过测试分析，每层炉膛靠近炉口的加热区域在开闭炉门进行上下料时，其温度散失较快，而炉膛中部及后部则相对稳定，根据此特点，将每层炉膛加热区域进行拆分设计，分为前、中、后三区，通过热电偶对每区进行实时单独温度监控，并在靠近炉口区域加大升温功率，以确保整个炉膛温度的均匀性。炉膛温区如图5所示。3.5炉门开闭箱式加热炉另一个影响温度均匀性的重要因素为炉门的开闭方式，传统箱式加热炉炉门开启为铰4类板料231722192050-1972-1864-1870-5类板料594506534620478553341450345140013701506-6891350718300758129180上海电气技术2023,16(2)中中甲中中中中中铰链式中中中中中中图6 炉门开闭方式干涉，为避免干涉，须在炉层之间预留足够的运动空贯通式独立式图4两种型式炉膛炉口方向前区加热垂直升降式间，这又会造成炉体高度尺寸的增加。为此，针对炉门开闭方式进行优化设计，在不增加炉体高度尺寸的前提下，将炉口设计为倾斜一定角度，且炉层之间呈阶梯状布置，这样既保证了炉体高度尺寸不增加，又实现了升降式开闭方式，如图7 所示。中区加热后区加热图7 炉门开闭方式优化图5炉膛温区4生产线布局链式，主要缺点是开闭过程会产生较大的气流扰动，不利于炉温保持以及炉膛内露点控制。针对此弊端，设计垂直升降式炉门，以减小炉门开闭对炉膛温度的影响。炉门开闭方式如图6 所示。但垂直升降式炉门存在开闭时与相邻炉门产生一条完整的热成型生产线，主要工艺流程为冷坏料拆垛、对中打标、冷坏料加热、热坏料出炉入模、保压成型、产品出模下料等，从自动化上下料便利性角度出发，布置如图8 所示。1号加热炉拆垛台对中拆垛台2号加热炉液压机一板链线图8 箱式炉生产线布置图8 的布局，1号与2 号加热炉并排布置，两个加热炉与液压机不等距，使热坏料出炉至模具的空冷时间也不一致，热坏料人模温度产生了差异，对成型后的产品性能造成影响。为确保热坏料出炉后以尽量相同的时间入模，对布置优化，如图9所示，在满足生产工艺的前提下，提高了场地利用率。2023,16(2)上海电气技术811号加热炉+板链线拆垛台拆垛台对中液压机2号加热炉图9箱式炉生产线布置优化为保证热坏料出炉后的空冷时间尽量一致，将5.2搬运方式优化5搬运5.1搬运装置选择目前，用于物料自动搬运的装置主要有机械手以及工业机器人两种，机械手运动轨迹单一，柔性化程度较低，进口标准机械手价格相对昂贵，而国产设备多以非标加工而成，可靠性和稳定性较进口设备存在差距。相比机械手，6 关节工业机器人作为标准产品，工作稳定可靠，柔性化程度高，已被大量用于汽车制造及一般工业，并且价格优势明显。结合箱式加热炉的使用特点，选择稳定可靠且适应性强的工业机器人更符合高性价比热成型生产线的设计原则。两台加热炉按物流中心线对称布置，按原自动化上下料设计，机器人叉子将频繁在两台加热炉中间旋转切换，这样不仅导致节拍降低，同时也增加了机器人非生产运行的损耗。通过分析炉膛的分布方式以及机器人上下料运动轨迹，为方便应对两侧加热炉的快速上下料，优化设计了左右分布结构的一体化叉子，这样将当前机器人的旋转运动轨迹简化为X、Y、Z三个方向的直线运动，不仅提高了生产节拍，而且提高了生产稳定性。叉子搬运轨迹如图10 所示。加热炉加热炉二X液压机液压机加热炉加热炉原轨迹优化后图10 叉子搬运轨迹826上下料叉子设计开发对热成型生产线而言，板料的物流贯穿于整个生产流程。相较于辊底式加热炉，箱式加热炉的炉膛结构为固定式，因此须配备自动化搬运设备进行上下料，以此来运送板料，而作为机器人执行端的上下料叉子，成为重点需要攻克的关键工艺设备。以下从材料优选及工艺失效预防两个方面进行设计开发。6.1材料优选与普通作业环境不同，在热环境下使用的上表1材料元素构成材料C310S0.02%0.06%0.2%1.0%3140.025%上海电气技术下料叉子需要承受950 高温，根据工艺流程，叉子需要在每个上下料循环中间歇性地进出炉膛，其运送的板料质量最大可达2 0 kg左右，因此叉子既要耐受高温，并且在高温下须具备一定的强度和韧性。通过分析比较各种耐热材料的耐高温性能及机械性能，结合低成本经济性开发原则，采用了高温不锈钢类材料，通过筛选，主要有314及310 S两种材料较为适合，其基本成分均为2 0 Ni-25Cr，元素构成见表1。314材料耐温极限为12 50,310 S材料耐温极限为1150。SiMn1.0%1.5%2.1%2.5%1.5%2.0%2023,16(2)NiCr19%21%24.5%26%19%21%24%26%Mo0.5%0.5%Cu0.6%0.3%Ni和Cr元素，两者均是耐高温的基础元素，能在高温下持续抗氧化。Si元素含量较高，有利于增加材料强度，提升抗氧化性能，Mn元素也可增加材料强度，C和Cu元素含量降低，有利于提高材料塑性和耐腐蚀性。通过以上元素构成比较，并结合对材料特性的影响，可知相比310 S材料，314材料影响材料强度和抗氧化性能的Si和Mn元素含量更高，因此更能适应热成型上下料的工况。6.2失效预防机器人上下料叉子在运行过程中为间歇性进出炉膛，虽然采用了高温不锈钢材料，但通过有限元仿真分析发现，叉子在不同受力情况下，仍然存在一定程度的变形,在某一截面下，2 m长手指末端分别施加4kg与1kg的载荷，产生了2 5mm和9.9 mm的位移量。叉子变形有限元分析如图11所示。(mm)2.516e+012.306e-012.097e+011.887e+011.677e+011.468e+011.258e+011.048e+018.387e+006.290e+004.193e+002.097e+001.000e-304kg载荷图11叉子变形有限元分析在实际生产过程中，当板料质量不变、叉子截面测叉子变形状况，利用机器人视觉系统，标定叉子变和长度一定的情况下，叉子的变形受温度变化影响形安全边框，对叉子端面进行视觉拍照，检测变形量较大，而叉子变形会导致板料在叉子上的定位产生1、8 2、8 3，如图12 所示。同时在叉子内部设计冷却偏差，影响板料运送的位置精确度，同时也会增加叉气道，当视觉检测叉子变形量超过安全边框时，开启子与炉膛干涉的可能性。为了在生产过程中实时监电磁阀向叉子内通入冷却空气降温，抑制其变形量。(mm)9.897e+009.073e-008.248e+007.423e+006.598e+005.773e+004.949e+004.124e+003.299e+002.474e+001.650e+008.248e-011.000e-30ikg载荷2023,16(2)坐标原点叉子端面面Z变形安全边框图12 叉子变形安全边框7快速入模装置根据热成型生产工艺分析，出模后的热坏料须在10s内完成板料的运送入模，以达到最佳入模温度。普通标准机器人搬运速度无法满足高速运送的需求，因此在标准机器人搬运平台上，通过集成式设计开发，应用冲压高速直线七轴平移机构，以实现热坏料的快速人模。冲压高速直线七轴平移机构如图13所示。图13冲压高速直线七轴平移机构8结束语通过分析热成型生产工艺，针对关键工艺设上海电气技术+z备加热炉进行适应性开发设计，匹配高性价比、成熟变形安全边框可靠的机器人自动搬运系统，形成了多层箱式加热+X炉生产线。相比进口辊底式加热炉生产线，降低了2设备一次性投资成本，占地面积小，生产灵活性高，满足了热成型零部件企业的生产需求。参考文献1方昕.基于全电伺服压力机及多层箱式加热炉的热冲压成形生产线整体解决方案.锻压装备与制造技术，2018,53(2):23-26.2 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