淺析熱沖壓的形成工藝

劉洪升

【摘要】：為了實現汽車輕量化，熱成形技術開始得到大量的應用，由此抗拉強度在1500Mpa以上的超高強度鋼受到了市場的歡迎，越來越多地應用在汽車車身上。熱成形具有諸多優勢，尤以成形性好、強度高和回彈小著稱。

【關鍵詞】：熱成型；優勢

引言

若要得到超高強度沖壓件則需要鋼板熱沖壓技術，擁有此技術就可以不再擔心超高強度鋼成形性差的問題。這種新技術已經得到了相當長一段時間的發展及應用，隨著國內市場對汽車安全的重視以及環保要求逐步跟世界接軌，熱成形鋼的應用會越來越廣泛。

熱成形技術具有成形性好、回彈小、強度高等明顯優勢，在白車身的使用逐年遞增，目前我國的國產車型用量已經達到7～10%，德系新車型用量則是20%以上，而沃爾沃白車身已達到40%以上的用量。據專業權威機構預測，熱成形鋼在白車身的使用量將會穩定在30%以上，現在普遍使用以1500MPa級的熱成形鋼為主，附加值高，市場前景廣闊。

熱成形鋼已經開始生產，在實際生產中仍然存在許多問題。最突出的問題是生產效率偏低，產品各向異性偏大等，如果要達到批量穩定供貨的要求，還需要做很多的技術研究工作。

1.熱沖壓成形工藝

熱沖壓成形工藝通常有直接和間接熱沖壓成形工藝兩種。直接熱沖壓成形是使鋼板首先在加熱爐中升溫，之后的成形與淬火直接移動到沖壓模具中來，大多應用在外形單一和變形程度不大的零件。間接熱沖壓成形則與直接的方式不同，在熱沖壓和淬火之前，需要在常溫下對板材采取預先變形的操作，變形程度在90～95%之間。間接熱成形主要針對生產尺寸比較大且外形復雜的零件，這樣能夠縮短零件和模具之間的移動距離，進而降低模具表面因高溫造成的損耗，并且增加了模具與零件的磨合次數，在一定程度上減輕了冷卻時產生的溫度分布不均的的現象。

2.熱沖壓成形工藝的生產過程

熱沖壓成形工藝通常有六個工序：落料、預成形（間接熱沖壓成形工藝）、加熱奧氏體化、轉移、沖壓和淬火、后續處理，以下為對各個工序的簡要概括。

（1）落料：是熱沖壓成形的首要步驟，具體操作就是利用冷成形中落料的模具和壓機使板材沖裁出符合標準要求的外輪廓板坯。

（2）預成形：促使坯料的外形發生一定的改變，目的是為了得到符合進一步塑性變形的形狀。

（3）加熱奧氏體化：此過程需要在加熱后進行保溫，為了促使鋼板達到完全奧氏體化的目的，需要使鋼板升溫到適當的的溫度，然后在此溫度下保持一定的時間[12]。加熱溫度范圍一般為900～950℃，然后保溫5～10min，這時鋼板的強度得到了降低，塑性與成形性能也比較優異。為了符合加熱的各項要求，應該使用專用的連續加熱爐，而且為了達到在設定的工作節奏下實現連續自動化生產的目的，自動化進料和出料就是其必不可少的的功能。加熱功率也務必要達到指定要求，防止功率不足，只有這樣才能在要求的時間里使加熱爐中的鋼板達到完全奧氏體化的目的。

（4）轉移：就是使板材在爐中加熱到指定溫度后，將其取出，并立刻放置到熱沖壓成形模具中。此過程務必以最快的速度把板材放置到模具中，因為板材被加熱到了一個很高的溫度，一旦接觸到空氣很容易被氧化。成形時的板材在高溫下的塑性性能得到了提升。

（5）沖壓和淬火：在板材放到模具中后，應迅速對板材采取沖壓成形的操作，防止降溫太多對板材的成形性能造成破壞。為了規范零件的外形尺寸，在板材成形之后，模具應該合模保壓必要的時間。板材的淬火處理需要通過模具中的冷卻裝置，這樣能夠使得其尺寸精度和力學性能得到明顯改善。

（6）后續處理：取出工件后，其工藝生產過程并未全部完成，還要對以上操作做掃尾處理，例如：零件需要采取切邊和鉆孔處理；為了清除掉其表面的氧化皮還已應使用噴丸，也可利用酸洗方法。由于零件經過熱沖壓成形后，其強度會得到特別明顯地提高，其切邊和鉆孔加工操作已經不能夠使用一般的方式，所以一定要通過激光技術對零件進行切割。

加熱奧氏體化和沖壓與淬火工序在熱成形工藝生產過程中是十分重要的兩道工序。對于加熱奧氏體化而言，保溫時間和加熱溫度是其不可或缺的工藝參數，若要穩定板材的奧氏體化質量，需要調節這兩個參數來實現其目的。在沖壓與淬火工序中，開始變形溫度、冷卻速率和應變速率等是其主要的工藝參數，對零件的力學性能產生重要的影響。經過熱沖壓成形的零件會受到以上工藝參數的影響作用，從而在其性能和組織方面發生相關的變化。

3.熱沖壓成形工藝特點

在超高強度鋼的可塑性和熱加工性能等方面，熱沖壓成形工藝能夠發揮極其作重要的作用，促使超高強度鋼的綜合性能得到顯著地提升。熱沖壓成形工藝可以一次就能沖壓成形完成比較復雜的零件，與冷沖壓相比，它的回彈力不足其十分之一。熱沖壓成形工藝有以下優點：

（1）對壓力機的噸位要求比較低，而冷沖壓的壓力機噸位是2500t。對于大部分車身零件而言，熱沖壓800t壓力機完全符合使用標準，并且還降低了制造成本；

（2）經過熱沖壓的零件表面具有相對比較高的硬度，根據試驗測得其抗拉強度超過了1500MPa，硬度也突破了50HRC，不過零件在經過熱沖壓成形后應該使用激光技術進行切邊與沖孔操作；

（3）零件經過熱成形后，重量會比之前輕很多，可以使汽車達到輕量化的目的，還能夠節約資源，板材在使用超高強度鋼熱沖壓件后，厚度不到原來的70%。

4.結語

本文提出了一種新的微觀結構模型，其中靜態再結晶過程由形核和長大的機理來描述。再結晶晶粒的生長速率由晶界遷移率和驅動壓力的乘積給出。與其他幾種模型相比，沉淀影響被納入遷移項，而不是驅動壓力項，即使齊納力超過驅動力，也允許再結晶分數的進一步生長。該模型對參考文獻的實驗數據進行了驗證，達到了良好的效果。

參考文獻：

[1] Hansen S S， Vander Sande J B and Cohen M 1980 Niobium carbide precipitation and austenite recrystallization in hot rolled microalloyed steels Metall. Trans. A11A 387-402.

[2] Nes E 1997 Modelling of work hardening and stress saturation in FCC metals Prog. Mater.Sci. 41 129–93.

[3] Estrin Y， Tóth L S， Molinari A and Bréchet Y 1998 A dislocation-based model.