熱沖壓成形工藝及模具技術要點探討

文/李儉·東風商用車有限公司車身廠

熱沖壓成形工藝及模具技術要點探討

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，本文主要對該技術工藝及模具技術要點進行探討，以期與同行進行交流。

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，汽車重量每降低100公斤，每百公里可節約大概1.6升燃油。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采用。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零件重量減輕。或減少零件數量使車重減輕，這些替用材料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、中通道等車體結構件的生產，如圖1所示。

圖1 熱沖壓成形應用零件

熱沖壓成形工藝

熱沖壓成形原理及流程

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可達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”。其工藝流程如圖2所示。

圖2 熱沖壓成形工藝流程

熱沖壓成形工藝選材

目前，熱成形用鋼均選用硼合金鋼，因微量的硼可有效提高鋼的淬透性，使零件在模具中以適當的冷卻速度獲得所需要的馬氏體組織，從而保證零件的高強度。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、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。

其中，無鍍層鋼板成本低、焊接性能好，但其加熱、沖壓過程中有氧化皮產生需要進行噴丸處理，零件存儲過程易生銹，耐腐蝕性能較差。22MnB5鋼是典型的熱沖壓高強度無鍍層鋼板。22MnB5在不同加熱溫度下，抗拉強度隨溫度而變化(如圖3)。從圖3中可以看出，隨溫度的增加，板料抗拉強度在900℃時出現最大值，溫度繼續增加，抗拉強度呈現下降趨勢。板料在加熱溫度為900℃時，表現出的力學性能較佳。板料要達到抗拉強度為1500MPa，溫度在930℃左右即可，強度是普通鋼板強度的3～4倍。

熱沖壓鍍層鋼板按鍍層成分體系劃分，可分為鋁硅（Al-10Si）鍍層、電鍍鋅鎳（Zn-10Si）鍍層、熱鍍純鋅（GI）層和合金花鋅鐵（GA）鍍層，相比無鍍層板材，其優勢為：加熱爐在生產過程中無需保護氣體;熱沖壓件在加熱、沖壓過程中無氧化皮產生，無需噴丸處理，對模具無影響;零件在儲存過程中不生銹，耐腐蝕性能好。其缺點為：目前比較成熟的汽車覆蓋件用熱沖壓鍍層鋼板只可從國外采購，成本相當高;當板料加熱到一定溫度時，鍍層易和加熱爐陶瓷輥粘結，需定期更換陶瓷輥，年維護成本較高。

圖3 抗拉強度隨溫度變化曲線圖

熱沖壓成形生產工藝

熱沖壓成形直接成形生產工藝

熱沖壓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，如圖4所示，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，例如可以采用感應加熱爐進行加熱。

熱沖壓成形直接成形工藝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。

圖4 熱沖壓成形直接成形工藝圖

熱沖壓成形間接成形生產工藝

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，如圖5所示，其優點是：

圖5 熱沖壓成形間接成形工藝圖

(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，例如板料淬火后修邊須用激光切割設備修邊，這會大大增加加工成本。

局部熱沖壓成形生產工藝

為了提高高強度鋼板沖壓零件吸收碰撞能量與阻止入侵等性能，國外一些發達的汽車企業已經研制出局部加熱形式，即對同一個料片差別加熱，使料片體現不同的特性，即局部強化。局部加熱方式有兩種：模具局部加熱(圖6)與料片局部加熱(圖7)。

圖6 模具局部加熱方式（控制冷卻速度）

圖7 料片局部加熱方式

局部加熱熱沖壓成品件低強度部位強度約為800MPa,加熱部位強度約為1500MPa，這樣既滿足了車體吸收碰撞能量強度要求也滿足了阻止入侵的強度要求。

熱沖壓成形及冷沖壓成形工藝零件質量對比

熱沖壓成形零件特點

(1)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；

(2)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；

(3)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；

(4)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；

(5)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。

冷沖壓成形零件特點

(1)由于是在室溫下成形和采用冷軋板，零件表面光滑；

(2)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；

(3)材料在加工過程中產生了加工硬化。

熱沖壓成形模具技術要點

相對于常規的冷沖壓模具僅用于零件的成形，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，如圖8所示。

圖8 熱沖壓成形模具

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。

目前行業比較成熟的冷卻水道計算公式及布置標準如下（冷卻水道的計算公式）：

式中，mw為單位時間內流過模具的水的質量(kg/ h);n為管道數目;qw為單個管道冷卻水流量(m3/ h);ρw為冷卻水在一定溫度下的密度(kg/m3)，取1000kg/m3;d為冷卻水孔直徑(m); v為冷卻水流動速度(m/s); tu為單位時間，1h=3600s。

式中，Re為雷諾數; w為運動粘度(m2/s)，10℃ 時，w=1.3077×10-6m2/s。20℃ 時，w= 0.805×10-6m2/s；管道雷諾數Re<2300為層流狀態，Re>4000為紊流狀態，2300≤Re≤4000為過渡狀態。

冷卻水道布置

冷卻管道直徑10～14mm;相鄰管道中心距為17～20mm;管道中心距形面最小距離大于15mm。每個鑲塊的冷卻系統相互獨立，相鄰鑲塊之間冷卻水道互不連通。一般來說，模具凸起區域不利于熱量向模具傳遞，凹形區域熱量易向周圍傳遞，在連續生產中，需在模具凸起區域設置冷卻管道；在圓角過渡區容易產生熱量集中，使零件該位置硬度較低。在連續生產中，需在模具圓角過渡區開設冷卻管道。

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9所示。

圖9 熱沖壓成形模具開發流程圖

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。隨著汽車行業的競爭和社會發展對汽車提出的更高要求，促使了超高強度鋼板在汽車上的應用，從而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應用推廣和需求也會不斷促進超高強度鋼板材料更進一步的開發和性能提升，實現更高層次的汽車車身輕量化，實現社會發展對汽車行業節油減排，提高汽車安全性能的更高要求。