新時期熱沖壓成形技術的構建探究

劉相根

摘 ? 要：熱沖壓成形技術是一種常見的零件加工方式，尤其在汽車工業中應用最為普遍。本文介紹了熱沖壓成形技術的基本原理，分析了溫度、時間、成形速度以及冷卻速度對沖壓成形的影響。并以汽車零部件加工為主要研究對象，通過熱沖壓技術獲取輕量化高強度的成形件，通過檢測成形件微觀組織為馬氏體，抗拉強度為1500MPa滿足汽車生產要求。

關鍵詞：新時期 ?熱成形 ?沖壓

中圖分類號：TG385 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）02（b）-0060-02

熱沖壓成形技術是一種常見的零件加工方式，尤其在汽車工業中應用最為普遍。將材料先加熱至奧氏體化狀態，該狀態下鋼板材料的塑性較好，強度低，并且具有一定的韌性，然后使用沖壓機在模具中進行沖壓并淬火，獲得相應形狀的高強度金屬零件。通過熱沖壓成形技術獲取高強度的沖壓件來代替傳統的厚鋼板，不但可以有效降低零部件自身的重量，而且能大幅度地提升抗拉強度，廣泛應用于汽車保險杠、AB柱、車頂側梁的制造中，下面就對新時期熱沖壓成形技術的構建進行深入分析。

1 ?熱沖壓技術原理

熱沖壓技術是一種將鋼板材料加熱至奧氏體形態下，快速進行沖壓成形，并且通過模具對零件進行淬火冷卻，獲得強度為1500MPa左右的馬氏體成形件。可以說熱沖壓技術是將鋼板材料由奧氏體向馬氏體轉化的過程。奧氏體（Austenite）是鋼鐵的一種層片狀的顯微組織，該狀態下的鋼板材料?-Fe中固溶少量碳的無磁性固溶體，因此也稱為沃斯田鐵或者?-Fe。馬氏體（Martensite）是黑色金屬材料的一種組織名稱，是碳在α-Fe中的過飽和固溶體。馬氏體和奧氏體的不同在于，馬氏體是體心正方結構，奧氏體是面心立方結構。奧氏體向馬氏體轉變僅需很少的能量，因為這種轉變是無擴散位移型的，僅僅是迅速和微小的原子重排。馬氏體的密度低于奧氏體，所以轉變后體積會膨脹。相對于轉變帶來的體積改變，這種變化引起的切應力、拉應力更需要重視。熱沖壓成形技術的原理如圖1所示。

熱沖壓成形技術可以分直接沖壓和間接沖壓兩種形式，其中直接沖壓是將鋼板材料加熱至奧氏體后，直接傳送至模具上沖壓，模具表面有冷卻通道，可以在鋼板材料沖壓的過程中進行淬火冷卻，獲得馬氏體成形件。間接沖壓則是鋼板材料先進行冷沖壓，然后再加熱成奧氏體進行淬火和校準，確保成形材料強度達到1500MPa的馬氏體。

2 ?熱沖壓技術工藝設計

熱沖壓成形技術使用的設備包括：加熱爐、上下料裝置、沖壓機、模具、切邊和沖孔設備。下面就對熱沖壓成形技術的工藝設計和特點進行詳細分析。

2.1 材料加熱

加熱爐是熱沖壓成形技術的關鍵設備，尤其是在汽車工業自動化生產線上，加熱爐具有自動進料和出料功能，并且有自動溫控裝置，實現在設定時間內確保鋼板材料完成奧氏體的轉化。

2.2 上下料過程

上下料裝置主要是通過機械手臂將奧氏體材料傳送至模具進行沖壓，上下料時需要平穩抓取鋼板，同時減小夾持點鋼板溫度的變化，因此，采用高速機械手臂最大限度地縮短上下料的時間，這對于降低生成成本，具有十分重要作用。

2.3 沖壓

沖壓機直接對奧氏體材料機械能沖壓，考慮到鋼板材料的熱脹冷縮效應，需要有效的補償設計，模具內有冷卻回路，具備淬火冷卻功能。考慮到熱沖壓是重新加熱到奧氏體區的過程，為了避免和減少加熱過程對材料造成的氧化，需要使用鍍層板，提高鍍層的結合力，防止加熱和成形過程中的剝落。鍍層板熱沖壓過程無氧化皮，減少了噴丸處理的過程，零件耐腐蝕性能高、不易生銹，但是制造工藝復雜，成本相對較高。

2.4 切邊和沖孔

切邊和沖孔是對沖壓成形件進行二次加工，由于成形件強度較高，常采用激光切割進行切邊和沖孔。

3 ?熱沖壓技術應用

現階段，中國寶鋼集團是國內唯一熱沖壓鋼供應商。使用硼鋼板B1500HS，化學成分如表1所示。通過熱沖壓技術制造汽車零部件，提升材料抗沖擊性能的同時提升汽車的安全性能和燃油經濟性。下面將通過實驗驗證熱沖壓成形技術的實際效果：

實驗過程中，首先將硼合金鋼板送至加熱爐內加熱至900℃，并且保溫5min，確保材料完成奧氏體形態轉變，此次使用的是帶Al-Si鍍層鋼板，防止鋼板材料在加熱過程中發生氧化。待鋼板材料完全成為奧氏體形態后，啟動高速機械臂迅速將材料放入帶有冷卻裝置的沖壓模具上，迅速啟動液壓沖壓機實現沖壓成形，模具完全閉合后保持10s，確保模具內的鋼板充分淬火冷卻，從而實現鋼板材料由奧氏體向馬氏體的轉變。

通過常溫和高溫狀態對材料的單向拉伸進行實驗，獲取鋼板材料的基本力學性能數據。在室溫條件下，即溫度10℃～50℃時對熱沖壓成形沒有明顯影響，保壓時間為155～260s，冷卻速度一般為21℃/s，沖壓模具自帶淬火冷卻功能，淬火后材料溫度為200℃，冷卻水臨界值為0.7m/s。對成形件進行微觀組織分析，可以得到該成形件的屈服強度可達1036MPa，抗拉伸強度可達1547MPa。通過實驗驗證熱沖壓成形件的回彈，壓邊力、凹模圓角半徑和模具溫度對熱成形下的回彈有較大影響，壓邊力越大，模具溫度越高，凹模圓角半徑越小，回彈量越小，同時冷卻速率不一致造成的熱效應對回彈也有一定影響。

4 ?結語

綜上所述，熱沖壓成形技術是汽車工業中常用的零部件加工技術，通過熱沖壓制造的成形件具有強度高、質量輕等特點。本文通過分析熱沖壓成形技術的基本原理及工藝特點，通過汽車工業生產的實際應用，驗證了熱沖壓成形件強度可達1000MPa、抗拉強度可達1500MPa，為理想狀態下的馬氏體結構。由此可見，熱沖壓成形技術可以很好的滿足新時期汽車工業對材料輕量化、高強度的技術要求，具有非常廣闊的應用前景。

參考文獻

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