汽車輕量化熱成形應(yīng)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(shù)中心，安徽 合肥 230601）

引言

汽車輕量化實現(xiàn)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(zhì)量減重，來實現(xiàn)汽車動力性提升及節(jié)能減排目的。如果整車重量降低10%，可實現(xiàn)燃油效率6%-8%的提升；另外，整備質(zhì)量每減重 100kg，可實現(xiàn)百公里油耗0.4L節(jié)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(yōu)勢：節(jié)油、減排、提升性能。

在節(jié)能減排和新能源汽車發(fā)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(xiàn)節(jié)能降耗的必經(jīng)之路。高強鋼熱成形技術(shù)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(yīng)用在汽車零部件上，可有效降低料厚實現(xiàn)車身減重，還能夠提高汽車的強度及安全性，實現(xiàn)汽車節(jié)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(huán)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(yù)成形工序件均勻奧氏體化，再送入帶有冷卻系統(tǒng)的熱成形模具內(nèi)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(zhuǎn)變成馬氏體，實現(xiàn)零件強度的強化硬化。熱成形沖壓件經(jīng)過模具內(nèi)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(shù)也被稱為“沖壓硬化”技術(shù)。

熱沖壓工藝根據(jù)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(fù)雜或成形深度較深的零件，下料→零件預(yù)成形→預(yù)成形工序件加熱→沖壓成形，以保證形狀復(fù)雜或拉深較深的零件成形到位。

圖1 熱成形技術(shù)應(yīng)用范例

2 熱成形工藝優(yōu)勢

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

和冷沖壓成型技術(shù)相比，熱成形技術(shù)主要優(yōu)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(zhì)量好，是熱成形技術(shù)最大優(yōu)點之一。

（2）高溫下，高強度板的塑性、成形性得到提升，可實現(xiàn)復(fù)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(xiàn)），有效減少工序，降低工裝及后續(xù)生產(chǎn)成本，同時，成形件也可以設(shè)計得更復(fù)雜，以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)強化或功能需要；

（3）通過減小零件料厚或斷面尺寸，可實現(xiàn)18～35%的重量減輕，同時節(jié)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(yù)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(nèi)→快速合模成形，保壓、冷卻到 100-200℃，使熱成形件奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，實現(xiàn)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(fù)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(shè)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(xiàn)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(shè)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(xù)單獨進行。

5 熱成形模具結(jié)構(gòu)設(shè)計

熱成形模具與冷沖壓模具主要區(qū)別在于熱成形模具，需要實現(xiàn)高溫坯料或預(yù)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(tǒng)，以保證一定的冷卻速度。熱成形模具結(jié)構(gòu)設(shè)計主要考慮因素包括：模具結(jié)構(gòu)強度、凸凹模鑲塊冷卻管道布置、冷卻系統(tǒng)密封性等。其中，最重要的是凸凹模冷卻系統(tǒng)的布置，熱沖壓模具冷卻系統(tǒng)設(shè)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(yōu)缺點見下表。

表1 鉆孔式、分層式、淋蓬式及溶鑄式具體優(yōu)缺點表

左/右 B柱內(nèi)板加強板設(shè)計開發(fā)的熱成形模具采用鉆孔式，如圖5，為左/右B柱內(nèi)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(nèi)板加強板熱成形模具冷卻管道布置與生產(chǎn)實物圖

6 熱成形設(shè)備

與普通沖壓模生產(chǎn)相比，熱沖壓生產(chǎn)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(diào)試或小排量生產(chǎn)，而輥底式加熱爐適用于大批量化生產(chǎn)，其生產(chǎn)效率和加熱效果上優(yōu)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(jié)論

本文通過輕量化熱成形工藝開發(fā)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(shè)計及制造生產(chǎn)上的不同之處。實際生產(chǎn)表明，熱成形零件區(qū)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(jié)約耗材，以降低車身重量，實現(xiàn)汽車輕量化設(shè)計及節(jié)能減排。