熱沖壓成形工藝探討

文/李儉·東風商用車有限公司車身廠

熱沖壓成形工藝探討

文/李儉·東風商用車有限公司車身廠

熱沖壓成形工藝是汽車行業近年來比較具有影響力的一項專門用于生產汽車超高強度鋼板沖壓件的先進技術，本文主要介紹該技術的原理、工藝、模具、零件及相關設備、生產線的特點，同時與冷沖壓成形工藝做了相關的對比說明，以便讀者對熱沖壓成形工藝形成一個比較完整的了解。

節油減排是當前汽車行業降低汽車使用成本提高產品競爭力、減少排氣污染提高企業形象的重要方略，而在節油減排措施中，汽車輕量化的效果最為明顯，車重減輕10%，可節約油耗3%～7%，因此，塑料、鋁合金、碳纖維、高強度鋼板等各種替用材料開始在汽車制造中使用。其中，采用高強度鋼板可以減少零件料厚、減小零件截面尺寸使得零件重量減輕或減少零件數量使得車重減輕，在實現汽車輕量化和提高汽車的安全性能方面比其他材料有明顯的優勢，可以同時滿足汽車輕量化和提高安全性能的要求。因此，高強度鋼板在汽車領域的應用越來越廣泛。

熱成形技術是專門應用于成形超高強度鋼板沖壓件的成形技術，該技術以板料在高溫狀態下沖壓成形并同時在模具內冷卻淬火，可以成形強度高達1500MPa的沖壓件，目前廣泛應用于轎車的車門防撞梁、前后保險杠等保安件以及A柱、B柱、C柱、中通道等車體結構件的生產。

熱沖壓成形原理及工藝應用

熱沖壓成形原理

熱沖壓成形技術原理是把特殊的超高強度硼合金鋼板加熱到880～930℃，使坯料奧氏體化，隨后將坯料送到帶冷卻系統的模具內沖壓成形，在成形同時由模具表面將坯料冷卻、淬火，使之發生相變，將奧氏體轉化為馬氏體，成形件因而得到強化。成形前硼合金坯料強度一般在500～600MPa，成形后的沖壓件強度可以達到1500MPa，強度提高250%以上，零件硬度達到50HRC，但是伸長率下降比較大，成形前硼合金鋼板伸長率24%以上，成形后伸長率只有8%左右，所以熱沖壓成形技術也被稱為“沖壓硬化技術”，其原理圖如圖1所示。

目前熱沖壓成形用鋼有4種：Mn-B系列、Mn-O-B系列、Mn-Cr-B系列和Mn-W-Ti-B系列。其中，汽車覆蓋件熱沖壓成形鋼板一般分為帶涂層鋼板以及不帶涂層鋼板。

熱沖壓成形工藝

⑴熱成形直接成形工藝。熱成形直接成形工藝是指板料加熱到奧氏體化溫度保溫一段時間后直接放到具有冷卻系統的模具里進行成形及淬火，其優點如下。

①坯料在一套模具中進行成形及淬火，節省了預成形模具費用并加快了生產節奏；②坯料加熱前為平板料，這樣不僅節省了加熱區面積，節省能源，而且可以選取多種加熱方式，例如可以采取感應加熱爐進行加熱。

熱沖壓成形直接成形工藝的缺點是復雜的車門內零部件成形困難，且模具冷卻系統的設計更加復雜，需要增加激光切割設備等。

⑵熱沖壓成形間接成形工藝。熱沖壓成形間接成形工藝是指板料先經過冷沖壓進行預成形，然后加熱到奧氏體溫度，保溫一段時間后放到具有冷卻系統的模具里進行最終成形及淬火，其優點如下。

①可以成形具有復雜形狀的車內零部件，幾乎可以獲得目前所有的沖壓承載件；②坯料預成形后，后續熱成形工藝不需要過多考慮板料高溫成形性能，就可以確保板料完全淬火得到所需要的馬氏體組織；③坯料預成形后可以進行修邊、翻邊、沖孔等工藝加工，避免淬火硬化后加工困難問題，例如板料淬火后須用激光切割設備修邊，這會大大增加加工成本。

圖1 熱沖壓成形原理圖

熱沖壓成形及冷沖壓成形工藝對比

零件質量

熱沖壓成形零件的特點：⑴由于選擇在高溫下成形，不帶涂層沖壓零件表面存在氧化，表面質量不佳；⑵零件在冷卻過程中由于溫度分布不均勻，易產生熱應力和熱應變；⑶由于材料的高塑性，在成形過程中零件不易起皺和破裂，基本沒有回彈，尺寸穩定性比較好；⑷材料經過加工變形和快冷，晶粒得到了細化，力學性能得到了很大的提高；⑸材料經過變形和硬化后，強度提高，冷沖壓切邊沖孔已無法達到工藝和零件精度的要求，需要利用激光或等離子切割設備完成。

冷沖壓成形零件的特點：⑴由于是在室溫下成形和采用冷軋板，零件表面光滑；⑵由于材料的塑性有限，在成形過程中零件易起皺和破裂，易回彈，尺寸穩定性比較差；⑶材料在加工過程中產生了加工硬化。

生產線

熱沖壓生產線主要包括落料壓機、加熱爐、液壓機或伺服壓力機、水循環裝置、激光切割設備或等離子切割、去氧化皮設備以及零件傳送機器人，熱沖壓成形用的液壓機或伺服壓力機噸位一般都較冷沖壓成形用的壓機噸位小，其生產線如圖2所示。

冷沖壓生產設備主要有開卷線（圖3）、人工操作壓機生產線（圖4）或者自動化壓機生產線（圖5），適合各種沖壓零件多工序、大批量流水生產。

生產工裝

熱沖壓工藝工裝包括落料模、切斷模和預成形模（直接熱沖壓成形工藝不需要預成形模），坯料加熱定位夾具、熱沖壓成形模具（在模具結構中設置冷卻循環回路系統，如圖6所示），去氧化皮夾具、激光切割、等離子切割夾具等。

圖2 熱沖壓成形自動化生產線

圖3 開卷落料生產線

圖4 人工操作壓機生產線

圖5 自動化壓機生產線

冷沖壓模具工裝包括落料模、切斷模和冷沖壓各工序系列模具，圖7是冷沖壓成形模具圖，冷沖壓拉延成形模具不需要冷卻循環回路系統。

圖6 熱沖壓成形模具

圖7 冷沖壓成形模具

圖8 熱沖壓成形模具開發流程圖

熱沖壓成形模具技術要點

冷沖壓模具僅用于零件的成形，而熱沖壓模具不但用于成形，還要用于給零件冷卻淬火，因此其模具更加復雜，對模具材料選擇、模具設計等方面提出了更加嚴格的要求。

在模具材料選擇方面，熱沖壓模具材料首先要有良好熱傳導系數，確保鋼板與模具表面之間的快速傳熱，實現良好的冷卻功能。模具材料還要具備良好的熱強度、熱硬度、高的耐磨性和熱疲勞性，保證模具內板冷卻管道不被冷卻介質銹蝕堵塞，因此國外一些熱沖壓模具材料中都含有較高的Ni和Cr。在模具材料選擇時，一般要根據具體的工作情況，參照熱鍛造模具鋼進行選擇。

在模具凸凹模設計方面，不能照搬冷沖壓模具的設計方法，因為熱沖壓工藝回彈很小，幾乎無須考慮回彈對零件形狀的影響，另外還需考慮熱脹冷縮對零件最終尺寸和形狀的影響，并以此為基礎設計凸凹模具的關鍵尺寸。

在冷卻機構設計方面，冷卻系統必須保證模具對零件的快速、均勻冷卻，冷卻管道的總體布局、形狀、直徑、冷卻管與模具工作表面、非工作表面以及冷卻管之間的距離、冷卻系統密封等都是冷卻機構設計的關鍵所在，也是熱沖壓成形模具設計的最重要技術之一。設計冷卻管道系統時，可以結合數值模擬技術對各管道內的冷卻介質的流動情況進行模擬分析，使各管道都具有相同的冷卻效率，保證冷卻的均勻性。

熱沖壓成形模具設計開發是熱成形關鍵技術，它不同于傳統的冷沖壓成形模具，它是冷卻協調優化設計、冷卻管道加工、計算機仿真分析技術、傳熱模擬等技術的集成，最終達到成形、冷卻、組織性能優良的完美結合，其開發流程如圖8所示。

結束語

實現車身輕量化是一個系統的工程，需要全面考慮材料、設計、制造工藝技術等各方面的問題；新材料的應用離不開新成形制造技術的發展，超高強度鋼板的應用，促進了熱沖壓成形技術的誕生和發展，反過來熱沖壓成形技術的發展也會促進超高強度鋼板材料的應用，實現更高層次的汽車車身輕量化，實現汽車行業節油減排，提高安全性能的根本目標。