淺談汽車熱沖壓成形技術

張 偉，劉君君，底曉煒

奇瑞商用車（安徽）有限公司（安徽蕪湖 241009）

1 熱沖壓成形介紹

熱沖壓成形鋼板技術是指將鋼板經過高溫加熱（攝氏900℃以上）后一次沖壓成形，又迅速冷卻從而全面提升鋼板強度，即奧氏體化轉化馬氏體化，處理后制件屈服強度可達1,000MPa以上，把這種工藝制造的制件用在車身上，車身剛度可有效提高30%，在發生車輛碰撞時因具備高延展性、高抗拉性、高強度性從而能夠有效地保護車內人員的安全。圖1為車身熱沖壓成形制件分類情況。

圖1 車身熱沖壓成形制件分類

2 熱沖壓成形工藝現狀及應用前景

世界各國汽車保有量的加大帶來了3個大的問題：能源、環保和安全，針對這面臨的共有問題，世界各國都制定了相應的法律、法規。例如：史上最嚴格的新國六排放標準、各國明文通知傳統燃油車制造時間等；同時汽車輕量化也是必不可少的控制方法，不是要做輕量化，而是大的環境、政策不允許傳統車按照這種以犧牲環境的方式走下去。

作為一種新興工業，熱沖壓成形技術在汽車工業中的應用，即滿足了車身減重的目的，同時也達到了提高車身整體碰撞安全系數的目的，對車身的排放及節能都有著一定貢獻。目前國內市場中本特勒·浦項、卡斯馬、馬鋼等公司在熱沖壓成形中有著較強的技術實力，對國內市場的熱成形技術做出了貢獻。

汽車輕量化（節能降排）已成為世界汽車工業可持續發展的必然道路，熱成形技術助力汽車輕量化的發展，已越來越多的獲得了更多車企的關注，2018年中國國內汽車累計銷量2,808萬輛，占全球市場份額30.6%，2019年1～6月份國內汽車累計銷售1,213.2萬輛，在未來6～10年內可以預見熱成形技術在使用上具有廣闊的市場及前景，該技術在國內汽車市場將大放異彩。

3 熱沖壓成形的沖壓工序

3.1 落料工序

落料是熱成形沖壓的第一個環節，定義就是把板料分離成一定形狀或輪廓尺寸，如圖2所示。

3.2 高溫爐反應

將鋼材加熱到AC1點或者AC3點以上，使體心立方的α-Fe鐵結構轉變為面心立方結構的γ-Fe，這個過程就是奧氏體化過程，這一工序的目的就是將鋼材放在高溫爐里并加熱到一個適合的溫度，使鋼材完全變成奧氏體化，同時具備非常良好的塑性，如圖3所示。

圖2 落料工序

圖3 原材料奧氏體化

3.3 奧氏體轉移

指的是利用自動化機械抓手將加熱后的奧氏體（即鋼材）從加熱爐中取出放進熱沖壓成形模具中去。在這一道工序中，必須保證奧氏體被盡可能快地轉移到模具中，一方面是為了防止高溫下的奧氏體被氧化；另一方面是為了確保奧氏體在成形時仍然處在較高的溫度下，以具有良好的塑性，如圖4所示。

3.4 成形及淬火

在將奧氏體放進熱成形模具之后，要立即用熱成形模具對奧氏體進行沖壓成形，避免溫度的快速降低影響奧氏體的成形性能。成形以后模具要合模保壓一段時間，一方面是為了控制制件的形狀（防止制件反彈）；另一方面是利用模具中設置的冷卻裝置對制件進行淬火。在模具內快速冷卻到200℃左右，整個過程需要6～12s，將奧氏體全部轉變為馬氏體，使晶體硬化，以大幅度提高板材屈服強度和抗拉強度，獲得良好的尺寸精度和機械性能，如圖5所示。

3.5 成品噴涂及表面處理

成形件從模具中取出以后，自動化機械抓手從模具中取出成形后制件后，制件隨室溫進行冷卻，若采用的是裸板材質則需要對表面進行噴丸處理，已達到去除制件表面氧化皮，因熱沖壓件具有高強度性，普通的切邊、沖孔手段無法對其進行加工。因此必須用激光技術去完成，最終成品件檢驗合格入庫，同時得到高抗拉強度性能制件（可達到1,500MPa左右），如圖6所示。

圖4 機械手將奧氏體迅速轉移

圖5 制件成形及淬火

圖6 后續處理

4 熱沖壓成形的特點

（1）提高車型的碰撞安全系數。

熱沖壓成形的制件（如A柱、B柱、前門防撞板等）構成的成形因具備高強度性能，在車身發生碰撞時能有效確保座艙及車身側面的完成性，減少了外力侵入量，提高了碰撞安全性。

（2）能夠最大程度的實現車身輕量化。

熱沖壓成形的制件屈服強度都高于900MPa，抗拉性能強度高于1,300MPa，由于該類的制件都強度較高，可以結合實際情況減少車身上一定數量的加強類制件，從而達到車身輕量化的目的。

（3）制件尺寸精度高。

在熱沖壓成形過程中，板料高溫加熱后在模具成形過程中不易反彈，因此能夠保證制件的相對尺寸精度，如汽車后縱梁、B柱加強板等。

（4）車身設計簡單，加強板數量有效減少。

由于減少了相應的車身加強類制件數量，車身結構設計環節降低了設計難度。

（5）有效提高制件的表面硬度及耐磨性。

制件成形后表面硬度能達到400～550HV，可以有效提高零部件表面硬度及其耐磨性能。

（6）通過車身結構優化設計，可以有效控制車型的開發制造成本。

通過減少一定數量的車身加強板制件，減少板料厚度來減少一次性投入的模具開發成本以及板料重量，同時，模具減少后，生產的沖刺費用相應的也將減少。

5 熱沖壓成形制件實際應用

以我司M16項目（艾瑞澤7）為例，在該車型上運用的熱沖壓成形件有A柱、B柱、門防撞板、前擋板、加強梁等7個零部件，通過計算應用了熱沖壓成形的制件后，車身總重降低了8.65kg，明顯的提高了整車的安全性能，同時模具開發的一次性成本及后期的沖壓費用都得到了一定的降低。以熱成形制件B柱為例，通過實驗測試數據得出熱成形制件不管是抗拉強度、屈服強度還是斷后的延伸率都比普通冷沖壓的高（見表1、表2及圖7），熱成形的優點是減少了相關制件數量和材料消耗、優化了結構、實現了整車輕量化、簡化了裝配工藝，同比熱沖壓成形的B柱制件可為車身總重減重約2kg。

表1 化學成分分析

圖7 B柱組織性能

6 結語

隨著汽車環保和安全法規的日益嚴格，熱沖壓成形已經被各大主機廠廣泛采用。目前合資、進口車企在這方面做的比較好，例如奧迪A3熱沖壓成形制件達到占車身制件比21.7%，占車身骨架重量比的26.4%，是迄今為止有資料顯示的熱成形件用量最高的車型。雖然國內主機廠的相關理念與這些合資、進口車企基本保持一致，但精細的性能設計能力還是存在差距。隨著經驗的積累與技術的不斷創新，國內自主品牌對熱成形工藝、技術應用會越來越成熟，甚至會超越進口、合資車企。