熱沖壓成形技術(shù)及其在汽車(chē)中的應(yīng)用

王樂(lè)平，董 兵，張懷良，藺文峰，張 春

(1.東風(fēng)商用車(chē)有限公司車(chē)身廠，湖北 十堰 442040；2.湖北汽車(chē)工業(yè)學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 十堰 442002)

熱沖壓成形是將板材加熱到再結(jié)晶溫度以上的某一適當(dāng)溫度后，根據(jù)材料在高溫下變形抗力降低、塑性增加的特點(diǎn)進(jìn)行沖壓的成形方式.[1]采用熱沖壓成形技術(shù)可顯著提高金屬板材成形后的強(qiáng)度，改善金屬表面硬度、抗凹性和剛度.與傳統(tǒng)的冷沖壓技術(shù)相比，它具有提高材料在成形階段的成形性、降低沖壓設(shè)備的噸位要求、可以消除零件回彈成形尺寸精度較好、能夠簡(jiǎn)化成形模具設(shè)計(jì)工作、在同等強(qiáng)度要求下板材更薄易于實(shí)現(xiàn)輕量化等諸多有點(diǎn).近年來(lái)隨著人們對(duì)汽車(chē)整體輕量化、外觀個(gè)性化需求的不管提高，熱沖壓技術(shù)在汽車(chē)中的應(yīng)用也具有更為廣闊的應(yīng)用前景.

1 熱沖壓成形技術(shù)及其特點(diǎn)

1.1 熱沖壓成形技術(shù)原理與設(shè)備

熱沖壓成形技術(shù)是利用金屬在高溫下具有良好塑性的特點(diǎn)，使常溫下成形性較差的金屬能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜形狀零件的沖壓成形加工.同時(shí)在沖壓模具中配有冷卻裝置，通過(guò)冷卻裝置使模具中的零件淬火冷卻，最終得到高強(qiáng)度的沖壓件.

熱沖壓成形的主要工藝設(shè)備包括：加熱裝置、運(yùn)輸設(shè)備、沖壓成形設(shè)備、熱處理設(shè)備等.其中加熱設(shè)備是熱沖壓的重要工作設(shè)備，保證了金屬板材能夠快速加熱到再結(jié)晶溫度以上適當(dāng)?shù)臏囟?運(yùn)輸設(shè)備是熱沖壓的關(guān)鍵設(shè)備，保證了零件能夠快速轉(zhuǎn)移到?jīng)_壓成形設(shè)備上，減少轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中的熱量損失以及高溫物體運(yùn)輸?shù)陌踩?沖壓成形設(shè)備是熱沖壓的核心設(shè)備，其中壓力機(jī)提供使材料塑性變形的能量、成形后的合模壓力以及保壓時(shí)間.模具起到重要的淬火作用，是材料降溫能否達(dá)到臨界冷卻速率形成過(guò)飽和固溶體得到需要組織的關(guān)鍵部件.熱處理設(shè)備是熱沖壓必要設(shè)備，熱處理將過(guò)飽和固溶體通過(guò)時(shí)效處理提高零件的整體性能，使之達(dá)到產(chǎn)品所需要求.

1.2 熱沖壓成形工藝與材料

1.2.1熱沖壓成形工藝

根據(jù)實(shí)際零件的復(fù)雜程度，目前熱沖壓成形工藝流程主要分為兩種：直接熱沖壓成形與間接熱沖壓成形.[2]如圖1所示：

(a)直接熱沖壓成形

(b)間接熱沖壓成形圖1 熱沖壓成形工藝流程

如圖1 (a)所示的直接熱沖壓成形，適用于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的零部件，直接對(duì)切割好的坯料進(jìn)行加熱沖壓，較間接熱沖壓成形少了一步工序因此減少了一套模具，節(jié)約了設(shè)備費(fèi)用以及人工費(fèi)用，同時(shí)提高了生產(chǎn)效率.

如圖1(b)所示的間接熱沖壓成形，當(dāng)零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一次成形難以實(shí)現(xiàn)時(shí)，一般需要進(jìn)行預(yù)成形，然后再按直接熱沖壓成形的方式?jīng)_壓成所需形狀.間接熱沖壓成形工序較為復(fù)雜，因此用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件.

1.2.2熱沖壓成形材料

熱沖壓成形后零件的性能由板材組織結(jié)構(gòu)決定，而板材的組織結(jié)構(gòu)由熱沖壓工藝與板材本身決定，因此板材是影響成形零件使用性能的關(guān)鍵因素.熱沖壓成形板材目前有：熱沖壓高強(qiáng)鋼板，熱沖壓鋁板.

熱沖壓高強(qiáng)鋼板的優(yōu)點(diǎn)是在滿(mǎn)足車(chē)身碰撞安全性的前提下減薄鋼板的厚度，進(jìn)而減輕車(chē)身整體質(zhì)量.目前主要在汽車(chē)A柱；B柱；地板；門(mén)檻等關(guān)鍵性結(jié)構(gòu)件應(yīng)用.

國(guó)際上目前熱沖壓用高強(qiáng)鋼板從材料上分主要可以分為Mn-B、Mn-Mo-B、Mn-Cr-B、Mn-Cr和Mn-W-Ti-B系列.其中Mn-B系列的技術(shù)最成熟，我國(guó)目前處于初級(jí)應(yīng)用階段也以該系列為主，因此應(yīng)用最為廣泛，用量最大.[3]經(jīng)過(guò)熱沖壓成形后的高強(qiáng)鋼板硬度可達(dá)450-500 HV；抗拉強(qiáng)度能從原500-700 MPa達(dá)到1300-1700 MPa；屈服強(qiáng)度能從原350-550 MPa達(dá)到高于950 MPa.[4]

作為輕金屬的鋁，密度只有鋼的1/3且吸收沖擊能力是鋼材的兩倍，易形成致密的氧化膜，具有優(yōu)良的抗腐蝕能力.[5]是汽車(chē)輕量化的理想材料之一，鋁合金也逐漸從實(shí)驗(yàn)室走向工業(yè)應(yīng)用中，并在汽車(chē)中占比逐漸增高.馬自達(dá)、奧迪等國(guó)外的廠家已研發(fā)出全鋁車(chē)身，同時(shí)在汽車(chē)工業(yè)中加工鋁合金所需要的設(shè)備投資較小，因此鋁合金展現(xiàn)出了取代鋼板的趨勢(shì).

但鋁板頸縮量小，一般小于5%，因此一旦到達(dá)抗拉強(qiáng)度就容易開(kāi)裂，在常溫下成形性較差，在成形過(guò)程中容易發(fā)生開(kāi)裂、回彈、起皺、疊料等缺陷.通過(guò)加熱能較好的改善成形性能減少成形過(guò)程中缺陷的產(chǎn)生.[6]目前熱沖壓用鋁合金板主要是Al-Cu(2系)、Al-Mg-Si(6系)、Al-Zn-Mg(7系)，經(jīng)過(guò)熱沖壓及熱處理后屈服強(qiáng)度可以達(dá)500MPa，可以一定程度上取代汽車(chē)的骨架件以及表面覆蓋件.[7]

此外隨著輕量化的要求不斷提升，等厚熱成形技術(shù)已不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求，因此變截面鋼板(TRB)、激光拼焊板(TWB)、補(bǔ)丁板(Patch)等高端熱成形工藝應(yīng)用的越來(lái)越多.

1.3 熱沖壓成形技術(shù)特點(diǎn)

熱沖壓成形技術(shù)與傳統(tǒng)冷沖壓成形相比有如下特點(diǎn)：1)能夠顯著減少設(shè)備噸位要求，降低設(shè)備購(gòu)置及維修成本.2)金屬板材經(jīng)過(guò)加熱后成形性更好易于加工更復(fù)雜的零件.3)對(duì)模具設(shè)計(jì)要求相對(duì)較低，降低加工成本減少模具設(shè)計(jì)工作.4)經(jīng)過(guò)熱沖壓成形后的零件能顯著增強(qiáng)材料性能，易于實(shí)現(xiàn)輕量化.因此熱沖壓成形技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景.

2 熱沖壓成形技術(shù)在汽車(chē)中的應(yīng)用

隨著汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展以及人們對(duì)汽車(chē)要求的逐步提升，個(gè)性化定制、輕量化以及安全環(huán)保等要求日益顯著.熱沖壓成形技術(shù)能夠有效提高沖壓過(guò)程中板材的流動(dòng)性，增加成形過(guò)程中的材料的塑性并且能夠有效提高零件的強(qiáng)度保障安全性，實(shí)現(xiàn)整車(chē)輕量化.因此熱沖壓成形技術(shù)在汽車(chē)制造中得到了廣泛的運(yùn)用.對(duì)于白車(chē)身而言，汽車(chē)骨架主要可以分為：汽車(chē)結(jié)構(gòu)件、汽車(chē)加強(qiáng)件、汽車(chē)表面覆蓋件.

2.1 熱沖壓成形技術(shù)在汽車(chē)結(jié)構(gòu)件中的應(yīng)用

汽車(chē)結(jié)構(gòu)件主要指的是汽車(chē)的框架，如圖2所示.是汽車(chē)中承載或受力的部分與汽車(chē)安全性強(qiáng)相關(guān).結(jié)構(gòu)件通常具有大尺寸、板料厚度薄、零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、力學(xué)性能要求高等特征，一般韌性相關(guān)的結(jié)構(gòu)件一般要求抗拉強(qiáng)度≥180 MPa，伸長(zhǎng)率≥10%；強(qiáng)度相關(guān)的結(jié)構(gòu)件，一般要求抗拉強(qiáng)度≥210 MPa，伸長(zhǎng)率≥7%.[8]

圖2 汽車(chē)結(jié)構(gòu)件示意圖

奇瑞新能源汽車(chē)為滿(mǎn)足全鋁車(chē)身碰撞安全的可行性.[9]對(duì)B柱外板與加強(qiáng)板采用熱成型鋼，運(yùn)用熱沖壓成形技術(shù)，成功的提高B柱整體剛度，減小B柱及前后車(chē)門(mén)碰撞后入侵量.蘇州普熱斯勒先進(jìn)成型技術(shù)有限公司將A柱、B柱、門(mén)檻梁和車(chē)頂邊梁設(shè)計(jì)成一個(gè)封閉的整體式零件，通過(guò)熱沖壓技術(shù)將門(mén)環(huán)整體減輕17%.[10]薛飛等人利用通過(guò)改變22MnB5的加熱方式，改變板材受熱區(qū)域?qū)崿F(xiàn)變強(qiáng)度熱沖壓成形，使B柱硬化區(qū)抗拉強(qiáng)度超過(guò)1500MPa能夠較好抵御沖擊，軟化區(qū)延伸率大于23%使之能夠較好的吸收受沖擊時(shí)的能量.[11]寶山鋼鐵股份有限公司證實(shí)了補(bǔ)丁板運(yùn)用熱沖壓成形技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)零件性能要求.[12]東風(fēng)技術(shù)中心自主研發(fā)了無(wú)水道熱沖壓模具，驗(yàn)證了連續(xù)沖壓11次冷卻速率能夠達(dá)到工藝需求熱影響區(qū)主要集中在B柱大端頭及連接處，為后續(xù)模具冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供支持.[13]

王敏等人對(duì)縱梁進(jìn)行熱沖壓實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明涂層雖然可以改善氧化脫碳現(xiàn)象但是更容易在熱沖壓成形過(guò)程中產(chǎn)生破裂.運(yùn)用水基石墨潤(rùn)滑不能消除破裂產(chǎn)生而玻璃潤(rùn)滑可以有效避免破裂.[14]李兵等人針對(duì)上述現(xiàn)象進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)熱沖壓件的成形性受潤(rùn)滑條件影響較大，玻璃潤(rùn)滑劑有利于改善模具摩擦系數(shù), 同時(shí)增強(qiáng)熱沖壓過(guò)程中的抗氧化性.潤(rùn)滑條件對(duì)熱沖壓成形后零件力學(xué)性能影響不大.[15-16]

2.2 熱沖壓成形技術(shù)在汽車(chē)加強(qiáng)件中的應(yīng)用

汽車(chē)的加強(qiáng)件是汽車(chē)的強(qiáng)化保護(hù)結(jié)構(gòu)，車(chē)輛在收到?jīng)_擊時(shí)一般由加強(qiáng)件首先對(duì)沖擊瞬間產(chǎn)生的能量進(jìn)行緩沖吸能.因此加強(qiáng)件的性能直接決定了車(chē)輛的安全性.如圖3所示：

圖3 汽車(chē)加強(qiáng)件示意圖

林浩波等人對(duì)汽車(chē)的防撞梁進(jìn)行了熱沖壓工藝優(yōu)化，以最小厚度、開(kāi)裂距離、胚料到模具的最大距離為質(zhì)量目標(biāo)，對(duì)熱沖壓成形的壓邊力以及沖壓速度進(jìn)行優(yōu)化.運(yùn)用拉丁超立方法、響應(yīng)面法、遺傳算法NSGA-II、Pareto最優(yōu)解的方法得到了最優(yōu)工藝組合.通過(guò)試驗(yàn)，產(chǎn)品沒(méi)有起皺、拉裂、厚度變化小，優(yōu)化后的產(chǎn)品更加優(yōu)良.[17]

呂萌萌等人研究了熱沖壓成形不同階段超高強(qiáng)度防撞梁的溫度、厚度、微觀組織和性能的變化規(guī)律以及沖壓速度和壓邊力等工藝參數(shù)對(duì)超高強(qiáng)鋼熱成形的影響規(guī)律.[18]實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明厚度變化發(fā)生在告訴沖壓階段，組織性能的變化發(fā)生在淬火階段，沖壓速度過(guò)大過(guò)小鈞易使板料減薄嚴(yán)重，使用壓邊圈會(huì)大幅降低材料流動(dòng)性易導(dǎo)致拉裂.對(duì)該熱沖壓成形件，不設(shè)置壓邊圈、最佳工藝參數(shù)是:初始成形溫度為800℃、沖壓速度為100 mm/s.王敏等人對(duì)U形梁為研究對(duì)象，研究了淬火時(shí)間對(duì)熱沖壓的作用，表明淬火時(shí)間延長(zhǎng)馬氏體轉(zhuǎn)化增加分布越均勻，但超過(guò)22 s后馬氏體轉(zhuǎn)化就不再發(fā)生.[19]

2.3 熱沖壓成形技術(shù)在汽車(chē)覆蓋件中的應(yīng)用

汽車(chē)覆蓋件是指：汽車(chē)表面的蒙皮，比如車(chē)門(mén)、翼子板、機(jī)蓋、前后杠等，覆蓋件具有材料薄、形狀復(fù)雜、結(jié)構(gòu)尺寸大和表面質(zhì)量要求高等特點(diǎn).如圖4所示：

圖4 汽車(chē)覆蓋件示意圖

蘇曦利用有限元軟件對(duì)汽車(chē)前內(nèi)蓋板高強(qiáng)度鋼進(jìn)行熱沖壓分析，分析了熱沖壓成形過(guò)程中溫度場(chǎng)的變化及造成變化的原因并控制成形工藝獲得無(wú)起皺、破裂的高強(qiáng)度覆蓋件產(chǎn)品.[20]北京機(jī)電研究所為解決鋁沖壓難成形的難題，針對(duì)鋁合金引擎罩利用熱沖壓的快速性和超塑性的良好成形性，將熱沖壓成形與超塑氣脹成形結(jié)合起來(lái).調(diào)整工藝參數(shù)，成形溫度425℃、熱沖壓速度為20mm/s、熱沖壓后預(yù)留10mm余量進(jìn)行氣脹成形，成形出合格的引擎罩，為鋁制覆蓋件熱沖壓成形方式提供了可行方法.[21]

3 現(xiàn)階段的問(wèn)題及展望

熱沖壓成形技術(shù)在歐洲等發(fā)達(dá)國(guó)家起步較早，技術(shù)相對(duì)成熟應(yīng)用較為廣泛，被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)輕量化，增加碰撞安全性和降低制造成本的有效方式.部分發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)開(kāi)始向了先進(jìn)熱成形發(fā)展.國(guó)內(nèi)起步較晚，主要存在以下幾個(gè)問(wèn)題：

(1)材料價(jià)格高.目前材料是仍是以22MB5等厚高強(qiáng)鋼熱沖壓為主，無(wú)鍍層保護(hù)使得零件的防腐以及表明質(zhì)量不好控制.國(guó)外AL-S鍍層板受專(zhuān)利保護(hù)，供應(yīng)商只有一家，導(dǎo)致價(jià)格高.

(2)分析能力有所欠缺.目前技術(shù)上主要依靠熱成形供應(yīng)商，主機(jī)廠設(shè)計(jì)能力以及CAE分析能力差，無(wú)法準(zhǔn)確分析差厚板變強(qiáng)度鋼板的組織性能.

(3)設(shè)計(jì)能力低.設(shè)計(jì)分析受制于熱成形供應(yīng)商，缺乏設(shè)計(jì)分析能力以及仿真模擬能力.

(4)標(biāo)準(zhǔn)尚未建立.由于熱沖壓成形屬于先進(jìn)熱成形技術(shù)，行業(yè)內(nèi)尚未形成包括組織、性能、成分等在內(nèi)的統(tǒng)一驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn).

隨著行業(yè)的不斷發(fā)展，以及車(chē)輛質(zhì)量的提升，未來(lái)熱沖壓用材料會(huì)朝著更加個(gè)性化的方向發(fā)展，補(bǔ)丁板、拼焊板、變截面鋼板等材料會(huì)成為未來(lái)的熱沖壓用材料的發(fā)展方向.隨之帶來(lái)了生產(chǎn)設(shè)備以及控制系統(tǒng)及方式的柔性化的需求.

目前對(duì)先進(jìn)熱成形的CAE分析的準(zhǔn)確性不足，而CAE分析涉及二次開(kāi)發(fā)以及對(duì)數(shù)學(xué)算法的深度理解，因此緊缺這方面的人員

熱沖壓很重要的一個(gè)方面是模具對(duì)成形件的換熱能力，所以對(duì)于模具設(shè)計(jì)以及仿真模擬的需求也會(huì)逐步增大.

結(jié) 語(yǔ)

汽車(chē)正向著安全性、輕量化、個(gè)性化的方向發(fā)展對(duì)零部件材料及其加工技術(shù)的要求越來(lái)越高.熱沖壓成形技術(shù)為作為一種新的成形技術(shù)為汽車(chē)板材的成形制造提供了新的技術(shù)支持.隨著該技術(shù)的不斷研究和完善，熱沖壓成形技術(shù)將在汽車(chē)的結(jié)構(gòu)件、加強(qiáng)件、覆蓋件中獲得更廣泛的應(yīng)用.