熱沖壓整體式門環成形模具與工藝開發

嚴治國 沈超明

鋼板熱沖壓成形是實現車身輕量化的重要工藝途徑。為了提升零件服役性能，提高熱沖壓生產節拍，結合激光拼焊板（TWB）技術，開展了熱沖壓一體式門環的成形模具與工藝技術研究，最終制作成功合格的熱沖壓門環零件。總結了熱沖壓整體式門環的技術特點、難點及其解決方案。為推廣高性能整體式門環熱沖壓技術的應用奠定了良好的基礎。

熱沖壓;整體式門環;力學性能

0 前言

鋼板熱沖壓成形原理是在常溫下將強度500～600 MPa的高強度硼合金鋼板加熱到930 ℃，使之完全奧氏體化，之后送入內部帶有冷卻系統的模具內沖壓成形，然后保壓快速冷卻淬火。在此過程中，奧氏體轉變成馬氏體，成形件因此得到組織強化，強度能夠大幅度提高。該項技術又被稱為“沖壓硬化”技術，成形后的沖壓件抗拉強度可以達到1 500 MPa以上[1]。熱沖壓零件由于具有強度高、硬度高、成形性好、回彈小等優點，在保證車身碰撞安全性的同時，可大幅減輕車身質量，因而被廣泛應用于整車A柱、B柱、保險杠、車頂橫梁等復雜車身安全構件[2]。

為了提高零件服役性能，加快熱沖壓生產節拍，本文結合激光拼焊板（TWB）技術，開展了熱沖壓一體式門環的成形模具與工藝技術的研究。最終制作成功合格的熱沖壓門環零件。本文總結了熱沖壓門環的技術特點、難點及其解決方案。與常規分體式門環相比，采用激光拼焊的整體式熱沖壓門環具有輕量化、結構性能好的技術優勢。熱沖壓門環零件尺寸大、尺寸控制難度高，是近年來熱沖壓行業的最新研究熱點。

1 熱沖壓門環

整體式熱沖壓門環是通過激光焊接方式，預先將多片不同強度、不同厚度的硼鋼材料相連接，根據多種工況對車身該門環局部區域的要求，進行不同區域的強度和厚度的適應性設計，并通過熱沖壓工藝進行加熱、成形、保壓、淬火冷卻等處理過程，最終獲得超高強度整體式門環零件產品。

整體式門環采用鋁硅涂層熱沖壓鋼材料，零件各區域所用材料規格參數見表1所示。整體式門環的激光拼焊方案如圖1所示。該零件寬度為1 475 mm，高度為1 270 mm，厚度為280 mm。圖中，1號、3號、4號、5號、6號共5處區域的板料通過激光拼焊形成整體板材，再與2號區域的補丁板通過點焊連接，然后進行整體熱沖壓成形。最終，6個板材合成1個零件，通過一次熱沖壓獲得超高強度熱沖壓門環。

2 沖壓板材

如圖2所示，熱沖壓門環沖壓板材由6張板料通過激光拼焊和點焊焊接方式制作而成。其中，2號區域板料為補丁板，在激光拼焊完成后，再用點焊的方式完成補丁板的制作。

常規激光拼焊板一般為2塊或者3塊板料拼焊而成，拼焊位置多為水平或者豎直方向，但此熱沖壓門環板料為5種型號材料拼焊而成，難度極大，對激光拼焊設備精度要求很高。為解決此難點問題，在門環制作過程中，針對料片激光拼焊，技術人員開發了專用的焊接夾具，并制定了合理的拼焊順序方案。如圖2所示，此料片有A、B、C、D、E共5處焊縫，其中最難保證拼焊成功的是E處的焊縫。此處焊縫具有一定的角度，最后焊接有可能出現焊縫縫隙較大，而無法完成焊接的情況。所以，在實際生產時，應優先焊接E處的焊縫，最后焊接A、B、C、D處的焊縫。

3 沖壓工藝方案

如圖3所示，熱沖壓門環成形工藝的路線為：加熱-傳輸-成形-冷卻-激光切邊。根據工藝要求，需要將料片加熱到930 ℃，然后傳輸到模具上進行熱沖壓成形。熱沖壓成形溫度為750 ℃，需要嚴格控制料片成形溫度，以保證得到良好的力學性能。在料片成形時，如果上件時間過長，容易造成成形溫度過低，導致力學性能惡化。整個生產節拍應控制在23 s左右。

熱沖壓門環采用局部壓料成形的工藝方案，下模設計有3處壓邊圈。3處壓邊圈均設計在產品變形復雜區域，以便更好地抑制起皺缺陷。壓邊圈布置方案如圖4 所示。

為了使零件在沖壓成形時能夠精確定位及平穩沖壓，上模共設計有4處小壓料芯，如圖5所示。由于上下模均設計有壓料芯，在試制模具階段，下模氮氣缸需要連接管路系統，以避免沖壓后的零件變形。

4 模具制作

根據樣模模具質量和使用壽命等指標要求，技術人員對熱沖壓門環樣模毛坯材質進行了挑選。樣模模座的毛坯采用HT300鑄件，而模腔本體采用分體鑄造的結構形式。考慮到熱沖壓工藝的特殊性，技術人員需要選取較高的強度、剛度、耐磨度，以及良好切削加工性的材料。凹模、凸模模腔可選用MOCR鑄鐵，并進行后續熱處理，以保證關鍵部位的硬度達到HRC50以上。

在熱沖壓門環樣模鑄造完成后，技術人員根據設計模型及加工圖紙，需要對模座和模腔進行粗加工、熱處理和精加工。模具模腔是沖壓成形的接觸面，是三維特征的自由曲面，形狀非常復雜，需要采用三維數控加工。樣模型面的數控加工需要根據模具鑲塊坯料的特點，制定適合的數控加工工藝和工序，然后對各數控加工工序進行編程。為了保證編程的合理性，檢查可能存在的不足及錯誤等，技術人員需要對加工程序進行刀具軌跡仿真。刀具的運動軌跡對加工質量有重要影響，對于一些形狀變化劇烈的局部區域還要采用特殊加工方法，并判斷分析加工中可能出現的干涉、根切等問題，然后對刀具運動軌跡進行優化。最后，技術人員需要優化數控編程，并進行最終的數控加工及熱處理。此外，在熱沖壓樣件的試制過程中，由于鋼板處于高溫狀態，不能自由移動鋼板，因此在冷沖壓樣件試制時常用的一些手段無法被使用，技術人員需要確保板料的精確定位。

在熱沖壓樣模模座、沖頭及非標件加工完成后，鉗工將進行模具的總裝配。圖6為裝配完成后的熱沖壓門環樣模模具。

5 樣模檢測及沖壓調試

在熱沖壓門環樣模加工及模具裝配完成后，技術人員按照常規工藝流程進行沖壓調試前的動靜態檢查。在檢查完成后，技術人員根據試沖件狀態及紅丹情況進行配模和合模;在紅丹研合率達到要求后，利用樣模進行樣件的制作。在模具上機后，技術人員進行了動態檢查，檢查模具運動是否順暢，有無運動干涉，是否符合樣模結構的要求，以達到沖壓試模的條件。

之后，技術人員需要對模具間隙進行檢測，并要求紅丹粉檢測模具間隙是否均勻，研合率須達90%以上，如圖7所示。在滿足上述技術要求后，方可進行試模。

由于熱沖壓門環模具尺寸較大，為了保證模具成形的充分性，滿足計算機輔助設計（CAE）分析的成形力要求，沖壓調試采用的壓機應盡量保證壓機噸位在1 200 t以上。熱沖壓樣件坯料采用廂式電阻爐方式加熱，無鍍層鋼板在加熱時可充入氮氣作為保護氣體，氮氣由制氮機直接充入加熱爐內。熱沖壓門環零件尺寸較大，成形難點主要集中在A柱上端和下端，以及B柱下端位置，特別是A柱上端，開裂、疊料會同時存在。如圖8所示，在熱沖壓門環零件調試過程中，通過坯料線改善，沖壓速度優化，壓邊行程及壓邊力調整，可解決該處疊料嚴重的問題。

6 零件尺寸與力學性能檢測

在完成沖壓、涂裝后的熱沖壓門環零件實物如圖9所示。技術人員需要對零件尺寸及力學性能進行檢測，以判斷零件狀態是否能夠滿足技術要求及裝車要求。技術人員針對熱沖壓門環的零件尺寸檢測，開發了專用檢具。如圖10所示，通過現場三坐標測量，零件尺寸偏差均在±1 mm以內，滿足零件的裝車要求。

技術人員對零件取樣進行了力學性能的測試。如圖11所示，試片標距采用A50標距，共取樣12處位置，其中5處主要用于力學拉伸試驗，其余位置主要用于金相分析及硬度檢測。

熱沖壓力學檢測評判標準如下：抗拉強度1 300～1 650 MPa，屈服強度950～1 250 MPa，延伸率≥5%，硬度為400～520 HV10。委托第三方檢測機構進行的檢測結果如表2所示。所有試片抗拉值、屈服值、延伸率、硬度均符合技術要求，零件完全滿足白車身裝車要求。

評判標準為：抗拉強度1 300～1 650 MPa，屈服強度950～1 250 MPa，延伸率≥5%，硬度400～520 HV10。

7 結論

熱沖壓門環是1款由多種材料厚度的高強鋼拼焊板組成，經熱沖壓成形的高難度零件。該工藝是對零件設計及制作方案的1次創新。采用新的工藝方案生產的零件達到了輕量化和安全性的要求。

經研究發現，熱沖壓門環可以達到良好的尺寸精度及力學性能，完全可以運用到白車身設計開發過程中。一體式門環可以極大提高白車身的強度，特別是乘員艙的側面碰撞性能，可有效增強抵御25%偏置碰撞的能力。提升白車身靜態剛度及噪聲-振動-平順性（NVH）性能指標，可實現15%～20%的輕量化目標，同時將5個零件合成整體式門環進行開發，也可以大幅降低模具的投入成本。隨著車身設計的不斷完善及發展，整體式門環工藝會越來越多的運用到車身設計中。

[1]張宜生，王子健，王梁.高強鋼熱沖壓成形工藝及裝備進展[J].塑性工程學報，2018，25（5）：11-23.

[2]KARBASIAN H， TEKKAYA A E. A review on hot stamping[J]. Materials Processing Technology， 2010， 210（15）： 2103-2118.