關(guān)于汽車沖壓件熱成形開(kāi)發(fā)解析

文/何鵬申，陳玉杰，徐肖，李輝·安徽江淮汽車股份有限公司

關(guān)于汽車沖壓件熱成形開(kāi)發(fā)解析

文/何鵬申，陳玉杰，徐肖，李輝·安徽江淮汽車股份有限公司

本文重點(diǎn)介紹了熱成形在沖壓工藝、模具設(shè)計(jì)及制造生產(chǎn)上的不同之處。實(shí)際生產(chǎn)表明，熱成形沖壓工藝方案可有效兼顧輕量化與碰撞安全性及高強(qiáng)度下沖壓件回彈與模具磨損等問(wèn)題。

隨著各國(guó)法規(guī)對(duì)節(jié)能減排的要求日益嚴(yán)格，特別是對(duì)CO2排放懲罰性法規(guī)的實(shí)施（圖1），輕量化成為節(jié)能減排的戰(zhàn)略核心，成為各主機(jī)廠的核心競(jìng)爭(zhēng)力。為適應(yīng)這種發(fā)展趨勢(shì)，汽車制造中鋁合金、鎂合金、塑料及復(fù)合材料等得到廣泛的應(yīng)用，鋼鐵業(yè)也開(kāi)發(fā)了多種類型高強(qiáng)度鋼，以其高減重潛力、高碰撞吸收能、高抗疲勞強(qiáng)度、高成形性及低平面各向異性等優(yōu)勢(shì)，成為汽車工業(yè)輕量化的主要材料。高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用不僅能減輕車身質(zhì)量實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，同時(shí)還能提高汽車的安全性能。為兼顧輕量化與碰撞安全性及高強(qiáng)度下沖壓件回彈與模具磨損等問(wèn)題，高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用及熱成形工藝應(yīng)運(yùn)而生。

目前達(dá)到E-NCAP碰撞5星級(jí)水平的乘用車型，其A/B/C 柱、保險(xiǎn)杠、防撞梁等，大多為抗拉強(qiáng)度1500MPa、屈服強(qiáng)度高于1000MPa的高強(qiáng)度鋼。并且含硼高強(qiáng)度鋼板，可以充分回收利用，有利于降低環(huán)境污染。圖2為高強(qiáng)度鋼在汽車車身上的應(yīng)用。

圖1 各國(guó)對(duì)CO2排放的法規(guī)要求

熱沖壓成形工藝原理

首先把常溫下強(qiáng)度為400～600MPa的高強(qiáng)度硼合金鋼板加熱到880～950℃，使之均勻奧氏體化，然后送入內(nèi)部帶有冷卻系統(tǒng)的模具內(nèi)沖壓成形，之后保壓快速冷卻淬火，使奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體，成形件因而得到強(qiáng)化硬化，強(qiáng)度大幅度提高。比如經(jīng)過(guò)模具內(nèi)的冷卻淬火，沖壓件強(qiáng)度可以達(dá)到1500MPa，強(qiáng)度提高了250%以上，因此該項(xiàng)技術(shù)又被稱為“沖壓硬化”技術(shù)。實(shí)際生產(chǎn)中，熱沖壓工藝又分為兩種，即直接工藝和間接工藝。直接工藝是下料后，直接把鋼板加熱然后沖壓成形，主要用于形狀比較簡(jiǎn)單變形程度不大的工件。對(duì)于一些形狀復(fù)雜的或者拉深深度較大的工件，則需要采用間接工藝，先把下好料的鋼板預(yù)變形，然后再加熱實(shí)施熱沖壓。

熱沖壓成形工藝優(yōu)勢(shì)

熱沖壓工藝可成形強(qiáng)度高達(dá)1500MPa的零件，可組焊成高強(qiáng)度駕乘單元，承受6t以上的靜壓而不損壞。熱成形技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)；

圖2 高強(qiáng)度鋼應(yīng)用實(shí)例

⑴通過(guò)減小壁厚或截面尺寸減輕零件重量（達(dá)18%～35%），實(shí)現(xiàn)輕量化，并節(jié)約材料消耗。

⑵高溫下，材料塑性、成形性好，能一次成形復(fù)雜的沖壓件；冷沖壓中需要多套模具多次成形的沖壓件可用熱成形工藝一次成形；可以減少模具數(shù)量和成形工序，成形件也可以設(shè)計(jì)得更復(fù)雜。

⑶高溫下成形能消除回彈影響，零件成形質(zhì)量好，精度高。

熱沖壓成形工藝流程

熱成形工藝流程：首先將常溫下抗拉強(qiáng)度在400～600MPa的硼合金鋼板加熱到880～950℃，保證其充分奧氏體化，然后將其送入熱成形模具，完成快速合模、成形，再保壓冷卻到100～200℃，使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，沖壓件得到硬化，強(qiáng)度大幅度提升。再隨室溫冷卻，由修沖模/激光切割機(jī)進(jìn)行切邊、沖孔。如果采用裸板，則需進(jìn)行噴丸處理，除去零件表面氧化皮。最后，將得到的抗拉強(qiáng)度在1500MPa的熱成形零件，其工藝流程圖，如圖3所示。

實(shí)際沖壓生產(chǎn)中，根據(jù)零件復(fù)雜程度，熱成形沖壓工藝又分直接熱成形工藝（920℃→奧氏體→熱成形→淬火）和間接熱成形工藝（室溫預(yù)成形→920℃→奧氏體→熱成形→淬火）。對(duì)于形狀簡(jiǎn)單且變形程度小的零件，可采用直接熱成形工藝；對(duì)于形狀復(fù)雜或拉深較深的零件，則采用間接熱成形工藝，即需先對(duì)下好料的料片在常溫下進(jìn)行預(yù)成形，然后再進(jìn)行熱沖壓，以保證形狀復(fù)雜或拉深較深的零件成形到位。

圖3 熱沖壓成形工藝流程圖

熱沖壓成形工藝分析

首先，需要確定是采用直接成形工藝還是間接成形工藝，然后分析除包括冷沖壓成形基本工步外，熱沖壓成形特有的四個(gè)工步。

⑴加熱：把材料從室溫加熱到奧氏體化，或者把預(yù)成形后的零件加熱到消除所有累計(jì)的塑性應(yīng)變和應(yīng)力（軟件會(huì)按預(yù)設(shè)溫度加熱）。

⑵熱等待：設(shè)置材料從電爐輸送到壓機(jī)的時(shí)間，不涉及工具運(yùn)動(dòng)和板料變形，僅考慮熱傳遞。

⑶淬火：淬火時(shí)間要足夠長(zhǎng)，使得所有元素能降溫到200℃以下，在這個(gè)過(guò)程中盡管沒(méi)有工具運(yùn)動(dòng)，但淬火過(guò)程中的熱交換還是會(huì)導(dǎo)致熱應(yīng)變和一些額外的塑性應(yīng)變，如變薄等。

⑷冷卻：冷卻工步用來(lái)使零件達(dá)到室溫，只涉及熱計(jì)算而沒(méi)有力學(xué)方面的計(jì)算。

相比于冷沖壓成形，熱沖壓成形有很多不同的地方，如：壓邊圈未完全閉合，防止成形前壓邊圈接觸導(dǎo)熱，造成板料降溫出現(xiàn)淬火；不設(shè)置拉延筋；熱成形過(guò)程完成所有零件特征，后續(xù)只進(jìn)行修沖工序。

目前，主要從成形性、變薄率、應(yīng)力應(yīng)變分布幾個(gè)方面對(duì)熱成形進(jìn)行成形性評(píng)價(jià)；通過(guò)溫度場(chǎng)分布、冷卻速率、熱通量，評(píng)估模擬結(jié)果是否合理；采用相變分布，判定零件是否滿足對(duì)應(yīng)相變結(jié)構(gòu)要求，而產(chǎn)品性能則通過(guò)抗拉強(qiáng)度和硬度評(píng)價(jià)。

熱成形模具設(shè)計(jì)

在進(jìn)行熱成形模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，主要考慮因素包括：鑲塊冷卻系統(tǒng)布置、模具強(qiáng)度、模具密封性等。其中，最關(guān)鍵的是鑲塊冷卻系統(tǒng)的布置，它能保證熱成形制件成形后具備一定的冷卻速率。目前，熱沖壓模具的設(shè)計(jì)制造方法主要有4種，即鉆孔式、分層式、淋蓬式及熔鑄式，各方法的優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表1。

我司設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的熱成形模具大部分采用鉆孔式或分層式制造模具冷卻流道。圖4、圖5、圖6所示為左/右B柱內(nèi)板加強(qiáng)板熱成形模具結(jié)構(gòu)圖紙及實(shí)物圖，其冷卻系統(tǒng)采用鉆孔式制造方式。

圖4 左/右B柱內(nèi)板加強(qiáng)板熱成形下模軸測(cè)圖

圖5 左/右B柱內(nèi)板加強(qiáng)板熱成形上模軸測(cè)圖

表1 熱沖壓模具的設(shè)計(jì)制造方法對(duì)比

圖6 左/右B柱內(nèi)板加強(qiáng)板熱成形模具生產(chǎn)實(shí)物圖

熱成形生產(chǎn)設(shè)備

與冷沖壓生產(chǎn)相比，熱沖壓生產(chǎn)需要配套使用高速液壓機(jī)、加熱爐、機(jī)器人、生產(chǎn)線集成控制系統(tǒng)，輔助設(shè)備包括冷水系統(tǒng)、保護(hù)氣氛系統(tǒng)，后工序包括激光切割機(jī)、拋丸涂油線等。其中加熱爐分多層箱式加熱爐和輥底式加熱爐，其加熱方式一般采用電加熱、天然氣加熱或氣電混合加熱。目前應(yīng)用最廣泛的是陶瓷輥底式加熱爐。箱式加熱爐一般用于適應(yīng)試模、試驗(yàn)等需求而進(jìn)入熱沖壓領(lǐng)域的，分單腔單層、多腔多層、單腔多層等不同方式，具體可根據(jù)不同熱沖壓工藝要求組合成不同種類的熱沖壓生產(chǎn)線，如圖7所示。

圖7 熱成形生產(chǎn)設(shè)備

圖8 熱成形制件精度及質(zhì)量控制工具

熱成形制件精度及質(zhì)量控制

熱成形零件檢驗(yàn)設(shè)備包括機(jī)械性能試驗(yàn)機(jī)、金相顯微鏡、硬度計(jì)等，工裝包括模具、檢具、卡具、端拾器等，具體如圖8所示。其零件尺寸形位要求包括：

⑴制件尺寸精度。型面公差可控制在±0.5mm，一般型面公差控制在±0.7mm以內(nèi)；功能孔尺寸公差為±0.2mm，位置公差為±0.2mm；定位孔尺寸公差為±0.1mm；

⑵制件材質(zhì)力學(xué)性能。包括屈服強(qiáng)度（950±100）MPa；抗拉強(qiáng)度（1400±50）MPa。

結(jié)束語(yǔ)

目前熱沖壓技術(shù)在歐系和美系車上應(yīng)用相對(duì)較多，日系車熱沖壓件應(yīng)用相對(duì)較少。除我司外，不少自主品牌如長(zhǎng)安、吉利等不少新車型也應(yīng)有了熱成形技術(shù)。目前汽車行業(yè)普遍應(yīng)用的是等厚、等強(qiáng)度板熱沖壓技術(shù)。軋制差厚板、激光拼焊板、補(bǔ)丁板熱沖壓技術(shù)正逐步推廣應(yīng)用。汽車未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)必定是向著行車更安全、更節(jié)能方向走的，熱成形件以其高強(qiáng)度、高延展性、高減重潛力、高成形性以及卓越的碰撞性能，必將實(shí)現(xiàn)在汽車行業(yè)的逐步推廣應(yīng)用。