熱沖壓成形技術

卜子華　徐淑瓊　李云芳

【摘 要】熱沖壓成形技術不斷地應用于汽車制造領域，降低了生產成本，提高了汽車的安全性能，實現了車身的有效減重。隨著熱成形工藝的不斷完善，該項技術逐漸投入生產實踐，并且在市場上得到了快速的發展和應用。本文簡要介紹了熱沖壓技術的成形原理及其工藝特點，指出了熱沖壓材料的性能特點及模具的合理選擇與改進，同時簡要地闡述了熱沖壓技術的研究進展。

【關鍵詞】熱成形模具;熱沖壓技術;熱沖壓工藝;研究現狀

中圖分類號： TG386 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）18-0013-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.18.006

【Abstract】The hot stamping forming technology is continuously applied in the field of automobile manufacturing， which reduces the production cost，improves the safety performance of automobile and achieves the effective weight reduction of automobile body.With continuous improvement of hot forming process，this technology has been put into production practice gradually and been developed and applied rapidly in the market.In this paper，it briefly introduces the forming principle and technological characteristics of hot stamping technology and points out the properties of hot stamping materials and reasonable selections and improvements of dies.At the same time，the research progress of hot stamping technology is briefly expounded.

【Key words】Hot forming die;Hot stamping technology;Hot stamping process;Research status

0 引言

目前冷沖壓成形技術存在許多技術缺陷，如成形困難、產品質量差、成形后易變形等問題，超高強度鋼熱沖壓技術的研究與應用提上了發展日程。雖然熱沖壓技術已在我國的汽車制造領域嶄露頭角，但仍有一些技術難題亟待解決。本文對現有的鋼的熱沖壓成形技術特點及其相關的研究進展進行了簡單闡述與簡要分析。

1 鋼的熱沖壓成形技術

1.1 熱沖壓成形原理

熱沖壓成型技術是指將硼合金鋼板鋼加熱到再結晶溫度（約900℃）以上，利用金屬板料在高溫狀態下塑性和延展性顯著升高，屈服強度而迅速下降的特性，在模具內以大于27℃/s的冷卻速度進行沖壓成型，然后快速冷卻淬火，將鋼由奧氏體向馬氏體轉變的工藝。

1.2 熱沖壓成形工藝特點

近年來隨著我國對鋼的沖壓技術不斷地進行研究，一門新興的沖壓技術——熱沖。壓工藝技術受到沖壓界的廣泛關注。通過熱沖壓加工技術，可以獲得先進的超高強度沖壓件，使得鋼的抗拉強度、塑性和延展性等力學性能指標顯著增加。采用常規的冷沖壓工藝，會出現工件所需沖壓力大、易變形、產品質量差等問題，而熱沖壓成形工藝技術解決了傳統冷沖壓成形所帶來的成型性和形狀凍結性等不良問題，近年來發展得更加地迅速，被廣泛地應用于現代汽車制造行業。

1.3 熱沖壓成形材料

在傳統的冷沖壓工藝中，一些先進的高強度汽車鋼板如TRIP鋼、馬氏體鋼等經過加工成形后零件的性能指標基本上保持不變。而在熱壓工藝中，硼鋼被廣泛地應用，其主要成分是22MnB5，沖在常溫下的抗拉強度僅有500～700MPa，而經過熱沖壓成形件淬火后，轉變成為馬氏體組織，材料的力學性能顯著提高，其抗拉強度可以達至1500MPa，屈服強度達到1000MPa以上，硬度可達至50HRC。

1.4 熱沖壓成形模具

在冷沖壓成形技術中，模具僅用于零件的成形，沖壓前后零件的機械強度不會發生太大變化。而在熱沖壓技術中，模具要進行成形、淬火等工藝，結構復雜，成形件的強度較高，綜合性能較好。

有關文獻報道，國外的熱沖壓模具應用了Al2O3/Cu復合材料，對于熱沖壓技術來說模具材料的合理選擇至關重要[1]。熱沖壓模具材料在成形和冷卻淬火的過程中要能夠實現快速、均勻冷卻并且還要具有快速傳熱、冷卻的功能。因此，模具不僅需具有良好的熱機械性能、耐磨性、耐銹蝕性和熱疲勞性，同時還需要合理地設計凸、凹模尺寸，來保證生產部件的質量合格可靠。

為了避免由于部件內部局部冷卻速度快慢不一致而造成熱沖壓部件硬度不均勻的現象，設置冷卻水回路系統，來使模具降溫，使其具有連續冷卻的能力。而且隨著一次次的沖壓，模具溫度不斷地升高、降低，如此反復會使模具的使用壽命下降，因此我們急需找到一種既能提高冷卻能力、又能夠持久耐用的模具。

2 熱沖壓成形技術優點

傳統冷沖壓成形技術，包括加熱、成形、冷卻及后續處理等多個工藝過程，且不同加工環節的工藝參數也不盡相同。熱沖壓成形技術主要由落料、預成形、加熱、轉移、沖壓成形、淬火和后續處理這幾個工序組成。

熱沖壓成形技術的主要優點是：回彈易控制、變形抗力小;零件表面剛度、硬度特性較好;零件成形尺寸精度高，抗凹性特性好;沖壓性能好，鋼材成形抗力低;生產周期短，車身零件強度高;零件厚度及加強板數量減少，有利于實現車身的有效減重等。

在熱沖壓技術中，為了減少生產周期，提高生產效率，應注意以下事項：加熱溫度不能過高，應保持在再結晶溫度以上;爐內需保溫一定的時間，且保溫時間不宜過長;要有較高的沖壓速度和一定的保壓時間;在冷卻淬火相變階段，冷速不宜過低;沖壓板料厚度不宜過厚;模具材料需進行合理地選擇和設計。

3 熱沖壓技術研究進展

熱沖壓技術率先在歐美得到普遍的應用，能夠有效地減輕車重、降低成本、提高汽車碰撞安全性。目前該項技術在世界各國引起了廣泛的關注，日本、韓國、瑞典SSAB公司、美國西沃斯巴公司、法國阿塞洛等公司相繼研發硼鋼熱沖壓技術并于車門防撞桿、A、B、C柱、保險杠加強梁等部件上投入了生產，經實踐檢驗，該技術投入生產實踐后，能夠有效地減輕汽車重量，提高安全性能，降低生產成本，因而在市場上得到了迅速的發展和應用。

3.1 國外研究現狀

世界各國汽車工業投入了大量的精力來研究熱沖壓成形技術，主要分布于相對發達的歐洲國家，瑞典APT公司和德國舒樂（Schuler）兩家公司幾乎壟斷了全球的熱沖壓成形市場。熱沖壓作為一項新興的成形技術，可實現沖壓零件的高強化，因而激起了許多研究者對熱沖壓技術的研發興趣。

德國紐倫堡大學正在進行德國研究基金DFG項目-淬火鋼板的熱沖壓成形原理研究[2，3]。美國柯洲礦校大學Speer J等首先提出了淬火-碳配（Q-P）工藝，并被國內外眾多學者發展和推廣;Liu H等和Han X H對商業熱成形材料22MnB5進行了熱成形和Q-P處理[4]。

3.2 國內研究現狀

由于熱沖壓成形技術是一門先進的汽車制造技術，它的應用能讓汽車更好地實現減重、環保并提高汽車抗沖擊能力和防撞安全性等要求，因而受到中國乃至全世界的關注與重視。雖然我國對該項技術的研究比較滯后，但我國順應時代的發展潮流，加快研發的步伐，可以說近年來的發展非常迅猛。

在國內，各企業及科研單位紛紛對熱沖壓成形技術展開研究。同濟大學提出了臨界水流速度的理論;寶鋼集團開發了不帶鍍層的熱沖壓用鋼——冷軋B1500HS、熱軋B1500HS，并實現批量供貨[5，6];吉林大學對熱沖壓成形技術進行了較為深入的研究，并取得了階段性的成果。此外，機械科學研究總院、大連理工大學、山東大學、哈爾濱工業大學在近幾年也對超高強鋼熱成形技術開展了一系列研究[7]。

4 結束語

熱沖壓技術在汽車生產中的應用，使得我國先進超高強度沖壓件的制備愈發地廣泛，技術更加地成熟。其中，模具的結構、性能逐漸趨于理想化，成形件的綜合性能也更好，尺寸精度更高。相比于冷沖壓來說，工件經熱沖壓后力學性能的得到了顯著的提升。未來我國的熱成形技術將會不斷地完善，在汽車生產中的應用面不斷擴大，且熱成形市場的競爭也將更為激烈。

【參考文獻】

[1]康斌.國內外高強度汽車板熱沖壓技術研究現狀[J].冶金管理，2009（08）：58-60.

[2]林建平，王立影，田浩彬，孫國華，王芝斌.超高強度鋼板熱沖壓成形研究與進展[J].熱加工工藝，2008（21）：140-144.

[3]王書勝.BR1500HS槽形件熱沖壓成形數值模擬及實驗研究[D].重慶理工大學，2013.

[4]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（05）：11-23.

[5]苑雪雷，葉明禮，尹詩嶄.淺談熱沖壓成形技術[J].模具制造，2016，16（06）：8-11.

[6]賀連芳.硼鋼B1500HS的熱沖壓關鍵參數測試及其淬火性能研究[D].山東大學，2012.

[7]黃大鵬，楊國慶，張梅，李麟.熱沖壓成形技術及其新進展[J].上海金屬，2017，39（05）：83-89.