汽車輕量化熱成形應用與研究

周翔，何鵬申，張席席

（安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心，安徽 合肥 230601）

引言

汽車輕量化實現是在保證車身強度和安全性能的前提下，進行最大限度的整備質量減重，來實現汽車動力性提升及節能減排目的。如果整車重量降低10%，可實現燃油效率6%-8%的提升；另外，整備質量每減重 100kg，可實現百公里油耗0.4L節約，可減少1kgCO2排放；同時，在駕駛方面，加速性能得到提高；制動時由于滾阻低，制動距離將縮小。由此可知整車輕量化的優勢：節油、減排、提升性能。

在節能減排和新能源汽車發展推進中，國家對汽車油耗、減排及電耗政策要求越來越高，整車輕量化成為實現節能降耗的必經之路。高強鋼熱成形技術是當前整車輕量化最直接、最有效的途徑之一。熱成形高強鋼是普通鋼板零件強度的3～4倍，將其應用在汽車零部件上，可有效降低料厚實現車身減重，還能夠提高汽車的強度及安全性，實現汽車節能減排的要求。硼鋼屬于含硼高強度鋼板，廢料可以充分回收利用，降低環境污染。

1 熱成形工藝原理

通過加熱爐將高強度硼合金鋼板的坯料或預成形工序件均勻奧氏體化，再送入帶有冷卻系統的熱成形模具內進行沖壓成形，成形后進行保壓+快速冷卻淬火，使熱成形工序件奧氏體充分轉變成馬氏體，實現零件強度的強化硬化。熱成形沖壓件經過模具內的冷卻淬火，強度可以達到 1500MPa左右，強度提高了300%左右，所以熱成形技術也被稱為“沖壓硬化”技術。

熱沖壓工藝根據成形過程又分為兩種，即直接工藝和間接工藝。

直接工藝：下料→鋼板加熱→沖壓成形，主要用于形狀比較簡單變形程度不大的工件；

間接工藝：針對形狀復雜或成形深度較深的零件，下料→零件預成形→預成形工序件加熱→沖壓成形，以保證形狀復雜或拉深較深的零件成形到位。

圖1 熱成形技術應用范例

2 熱成形工藝優勢

熱成形工藝可實現高達1500MPa高強度沖壓件的成形，通過連接工藝實現高強度駕乘架構，可實現高達6噸以上的靜壓而不損壞。

和冷沖壓成型技術相比，熱成形技術主要優勢有：

（1）高溫下，熱成形工藝可以消除零件回彈影響，零件精度高，成形質量好，是熱成形技術最大優點之一。

（2）高溫下，高強度板的塑性、成形性得到提升，可實現復雜的沖壓件的一次成形到位（普通冷沖壓需要多套模具多次成形才能實現），有效減少工序，降低工裝及后續生產成本，同時，成形件也可以設計得更復雜，以實現結構強化或功能需要；

（3）通過減小零件料厚或斷面尺寸，可實現18～35%的重量減輕，同時節約材料耗損。

3 熱成形工藝流程

圖2 熱沖壓成形工藝流程圖

熱成形工藝流程：首先，通過加熱爐將常溫下抗拉強度在 400-600Mpa的硼合金鋼板或預成形工序件加熱到 850～950℃，加熱到 Ac3左右，保證材料充分奧氏體化→送入模腔內→快速合模成形，保壓、冷卻到 100-200℃，使熱成形件奧氏體轉變為馬氏體，實現沖壓件充分硬化，以大幅度提升零件強度，冷卻后→通過修沖模或激光進行切邊、沖孔。如果熱成形采用的是裸板，則需增加噴丸工序，以除去熱成形件表面氧化皮→修沖模/激光進行切邊、沖孔→完成抗拉強度在1500Mpa的沖壓件熱成形沖制→檢測。

4 熱沖壓成形工藝分析

首先零件復雜程度，分直接熱成形工藝和間接熱成形工藝，熱成形出來包括冷沖壓成形基本工步外，在分析軟件中增設了四種類型的工步來描述熱成形過程，如圖3。

圖4 某縱梁500T壓機淬火10秒馬氏體分布情況（馬氏體最小組分為91.7%）

與普通冷沖壓成形分析：

（1）為防止板料快速冷卻，出現淬火，壓邊圈不進行完全閉合；

（2）高溫使得工序件成形性較好，故無需設置拉延筋控制料流；

（3）熱成形過程只完成零件所有特征成形，修沖工序在后續單獨進行。

5 熱成形模具結構設計

熱成形模具與冷沖壓模具主要區別在于熱成形模具，需要實現高溫坯料或預成形工序件成形，為保證成形及淬火，成形凸凹模需布置冷卻回路系統，以保證一定的冷卻速度。熱成形模具結構設計主要考慮因素包括：模具結構強度、凸凹模鑲塊冷卻管道布置、冷卻系統密封性等。其中，最重要的是凸凹模冷卻系統的布置，熱沖壓模具冷卻系統設計制造方法目前主要有4種：鉆孔式、分層式、淋蓬式及溶鑄式。

鉆孔式、分層式、淋蓬式及溶鑄式具體優缺點見下表。

表1 鉆孔式、分層式、淋蓬式及溶鑄式具體優缺點表

左/右 B柱內板加強板設計開發的熱成形模具采用鉆孔式，如圖5，為左/右B柱內板加強板熱成形模具冷卻管道與模具實物圖。

圖5 左/右B柱內板加強板熱成形模具冷卻管道布置與生產實物圖

6 熱成形設備

與普通沖壓模生產相比，熱沖壓生產需要配套使用高速上料機、液壓機、加熱爐及壓力機等裝置，其中加熱爐分多層箱式加熱爐和輥底式加熱爐，如圖6。

圖6 熱成形坯料加熱爐

其中多層箱式加熱爐適用于調試或小排量生產，而輥底式加熱爐適用于大批量化生產，其生產效率和加熱效果上優勢較明顯，同時成本也較高。

圖7 高速上料機械手及壓力機

7 結論

本文通過輕量化熱成形工藝開發過程的解析與研究，詳實的講解了熱成形在沖壓工藝、成形分析、模具設計及制造生產上的不同之處。實際生產表明，熱成形零件區別于普通鋼板零件可有效提高汽車的強度及安全性，同時降低零件料厚、節約耗材，以降低車身重量，實現汽車輕量化設計及節能減排。