汽車車身鋁合金板材熱沖壓模內淬火工藝技術

王清仙　黃艷靈　陳春龍

(浙江吉利控股集團有限公司，浙江 杭州 311228)

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汽車車身鋁合金板材熱沖壓模內淬火工藝技術

王清仙黃艷靈陳春龍

(浙江吉利控股集團有限公司，浙江 杭州 311228)

熱沖壓成形及模內淬火工藝(HFO)是一種針對于復雜沖壓形狀的高強度鋁合金板材的先進生產工藝方法，可以提升高強度鋁合金板材的沖壓性能，同時又避免了熱成形后的材料性能嚴重下降，可大規模提升鋁材料的應用在輕量化車身中所占比重，對于汽車輕量化開發具有很重要的研發價值。對HFQ工藝流程、在汽車上的應用以及目前的研發進展進行了系統的介紹。

汽車車身；鋁合金；沖壓；熱沖壓成形及模內淬火

汽車的輕量化在節能減排中占有非常重要的地位。試驗表明，在其他條件相同情況下，汽車的重量每減輕100 kg，每百公里的燃油消耗將減少0．4～l L，汽車的重量每減少10%，燃油的消耗可降低6%～8%，汽車的燃油量下降，汽車的廢氣排放也會有明顯改善。因此，汽車輕量化是提高汽車的經濟性和節約資源減少污染的重要途徑。

鋁合金材料具有密度小、比強度高、耐蝕性好和成本低等一系列優點，目前越來越多的用于高檔轎車輕量化設計。如奧迪公司生產的全鋁A8高級轎車，車身全部用鋁合金生產，使得車身重量降低了40%，取得了較好的輕量化效果。但是鋁板與鋼板相比，均勻伸長率相等，局部伸長率低，且彈性系數僅為鋼板的1/3，因此，在常溫下沖壓成形性能較差，成形時金屬流動困難，從而其應用受到一定的限制[1]。

由于鋁板的沖壓成形性能比鋼板材料差，高強度鋁板的沖壓性能更差。因此在汽車車身結構件的應用上，傳統的冷成形工藝不再適用，必須采用熱成形等新工藝，但是熱成形工藝會嚴重降低鋁合金的材料性能。如何使鋁合金板材的沖壓性能與材料性能兼顧，使鋁合金板材能廣泛地用于汽車車身復雜結構件，國內外都一直在進行探索研究。

熱沖壓成形及模內淬火工藝( heat treatment, forming and in-die quenching process，簡稱HFQ)是近年來正在研究中的一種針對于復雜沖壓形狀的高強度鋁合金板材的先進生產工藝方法。HFQ工藝使高強度鋁合金板材具有極好的可塑性、良好的成形性能及熱加工性能，復雜零件也可以經過一次沖壓成形完成，其回彈力比冷沖壓減少90%以上，從而減少零部件數量。相比普通多件拼接結構設計，使用HFQ一體成形熱沖壓件可使重量減少20%以上。

1　HFQ工藝流程

HFQ工藝技術是由帝國理工學院和伯明翰大學研究，瑞典AP&T公司和英國PAB、ITL等公司合作，基于生產出重量更輕、強度更高、形狀更復雜、尺寸穩定性更高的零部件的目的共同開發的最新技術。

HFQ工藝是非等溫成形過程，且成形與淬火同步實現。其工藝過程如圖1所示，圖中T表示溫度，t表示時間。成形時，先將板材加熱到熱處理溫度，高溫保溫一段時間，然后被迅速移入通過水冷等方式保持室溫的冷模具中，在短時間內成形、淬火并保壓。成形前要對模具涂抹潤滑劑。在板材成形初期屬于熱成形范疇，而模具對板材的冷卻作用使其成形的同時達到淬火的目的[2]。

這樣的工藝過程可以保證鋁合金板材的微觀組織在淬火時迅速成為過飽和固溶體狀態，降低材料硬度，降低板材沖壓成形時的流動應力、提高板材的成形性，削弱了沖壓成形回彈，并且降低了所需設備的噸位。

對成形淬火后從模具中取出的鋁合金零件進行后續人工時效，可以顯著提高成形零件的強度。

HFQ工藝關鍵參數主要包括：預熱溫度、成形速度、模具溫度、模具保壓時間、人工時效溫度、人工時效時長。工藝參數的選擇直接關系到成形零部件的性能，不同系列的鋁合金板材的工藝參數如何選擇需要通過大量模擬試驗來確定。表1給出了6082牌號鋁合金板材工藝參數的參考值。

表16082鋁板HFQ工藝參數參考值

預熱溫度/℃成形速度/(mm/s)模具溫度/℃模具保壓時間/s人工時效溫度/℃人工時效時長/h510～540350～45020～3010～15180～2002～9

人工時效時長對HFQ零件具有顯著影響，需要根據不同的鋁合金材料、人工時效溫度來試驗確定所需的人工時效時長。如圖2所示，經過HFQ工藝處理后的6082牌號鋁合金板材，在人工時效2 h以后，材料強度提高約75%。當人工時效時間在2．5～3．75 h范圍內，成形件強度變化不明顯。這表明成形件強度在人工時效2．5 h以后達到峰值。如果人工時效時間達到9 h，與2～3．75 h短人工時效相比零件強度由于過時效而降低10%。因此，可以得出結論，在190℃進行人工時效2．5 h，可以達到最大強度。

HFQ工藝與傳統沖壓工藝相比有如下優點：增強鋁合金板材的沖壓成形性能，使復雜結構沖壓零件可以一體成形，不需要拆分；使用高強度鋁合金板材一體成形，在同等性能條件下可極大減少結構內部加強板，精簡零件數量，避免了多重部件連接；減少了模具數量，降低了沖壓設備壓力機噸位，并且不需要在模具和零件設計時考慮零件回彈補償。

2　HFQ對鋁合金車身設計的應用

鋁合金牌號用四位阿拉伯數字來表示，其中第一個數字代表了主要的合金元素，不同系列的鋁合金根據添加的不同合金元素而具有不同的特性。如表2所示。

表2鋁合金系列牌號

合金元素合金牌號可否熱處理純鋁1000系列不可熱處理銅2000系列可熱處理錳3000系列不可熱處理硅4000系列不可熱處理鎂5000系列不可熱處理鎂+硅6000系列可熱處理鋅7000系列可熱處理其它8000系列視合金元素而定

美國鋁業公司、加拿大鋁業公司及日本神戶鋼鐵公司都進行了5000系、6000系鋁合金汽車板的生產和應用研究, 并已批量生產和應用。目前國際上采用較多的鋁合金汽車板型號有：6016，6022，6111，6005，6009，6010，5182，5754，5052等，在寶馬、奔馳、捷豹等高端汽車車身上應用于A柱、B柱、邊梁、保險杠等結構件。但是對于前防撞梁、車門防撞梁這種對碰撞安全相關的關鍵零部件，需要用到強度更高的材料，而鋁合金中高強度的7000系鋁板沖壓性能極低，目前普遍還是采用高強鋼。

與冷成型相比，HFQ工藝顯著提高了鋁合金成型極限，克服了傳統鋁合金板材熱成型后材料性能嚴重下降的缺點，尤其適合用于復雜結構的高強度鋁板沖壓零件，在保證強度剛度等性能條件下達到輕量化的目的。

國外已采用這種新工藝生產出了首批樣件。圖3是蓮花汽車車身上材料為鋁合金6082 T6的一個深沖零件，采用傳統沖壓工藝無法成形，通過HFQ工藝實現成形。

采用HFQ工藝的零件在設計時可以實現傳統沖壓件設計所不可能達到的可能性。圖4為一個復雜結構的汽車車門內板鋁合金沖壓件設計斷面示例。a處表示可以實現深度沖壓而不需要分件連接；b處表示可以實現尖銳的臺階特征設計，用于加強零件強度、設計周邊零件配合面；c處由于HFQ工藝可忽略回彈，從而實現直角沖壓角度；d處表示可實現盡可能小的彎曲半徑。

HFQ成型過程可通過使用FEA工具進行全過程仿真分析并優化，除了常規的沖壓成形分析、零件強度分析、模具可行性分析等，還可以針對模具內冷卻的溫度變化周期進行淬火分析。

3　鋁合金板材HFQ生產線介紹

AP&T公司已于2016年第一季度成功交付全球第一條基于HFQ技術的鋁板熱成形生產線，并將于2016年第二季度開始正式投入生產。Impression Technologies Ltd(ITL)為這條生產線的采購方，并擁有HFQ?的注冊商標。該生產線完成了鋁合金板材HFQ工藝的全自動化，顯著提高了生產效率和產品質量的穩定性。圖5是該生產線概念圖。

該生產線的構成包括： AP&T多層箱式加熱爐、6 000 kN高速熱成形壓機、人工時效爐、高速機械手、工藝及溫度監控系統，以及針對相關工藝的成形模具、制氮機和水冷卻設備。圖6為生產線生產流程。

4　結語

熱沖壓成型模內淬火(HFQ)工藝技術可大幅度提高高強度鋁合金板材的沖壓性能，同時又避免了熱成形后的材料性能嚴重下降，可大規模提升鋁材料的應用在輕量化車身中所占比重，對于汽車輕量化開發具有很重要的研發價值。目前，國外對鋁合金的HFQ工藝的研究開發已經取得了很大的進展，但由于研發及設備投入成本較高，現只在國外高檔轎車車身上有少量零部件應用。隨著國外第一條HFQ生產線的建立，國內汽車生產廠和研究機構對外合作的展開，HFQ工藝技術必將成為今后的研究熱點。

[1] Palumbo G, Tricarico L. Numerical and experimental investigations on the warm deep drawing process of circular aluminum alloy specimens[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2007,184(13): 115-123.

[2]Lorenz D, Roll K. Modeling and analysis of integrated hot forming and quenching processes[C]. Proceedings of the Sheet Metal 2005 Conference, 2005 : 787-794.

(編輯孫德茂)

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Heat treatment, forming and in-die quenching process used on aluminum alloy sheet pressing

WANG Qingxian, HUANG Yanling, CHEN Chunlong

(Zhejiang Geely Holding Group Co., Ltd., Hangzhou 311228, CHN)

Heat treatment, forming and in-die quenching process(HFQ)is a production method for stamping complex-shaped aluminium components from high-strength and ultra-high-strength alloys. HFQ can improve the formability of high-strength aluminium alloys and avoid the reducing of material performance. HFQ can be used to enhance the application of aluminum materials in lightweight body, and it is important to the development of lightweight vehicle. Presents HFQ process and it’s application in the automotive, and the current development.

car body; aluminium alloy; pressing; HFQ

TG3

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.08.006

王清仙，女，1984年生，碩士，中級工程師，主要從事鋁合金車身開發方面的研究。

2016-05-31)

160817