超高強鋼汽車零件熱成形工藝及模具設計準則研究

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前言

隨著節能減排理念的不斷深入，加大了汽車行業對輕量化的研究力度，充分運用超高強鋼板材料，是汽車行業未來發展方向，采用熱成形工藝具有以下幾點優勢，可塑性高、低變形力、不會輕易出現開裂問題、形成的構件精準度高。進而降低了能源的消耗，在減輕車身重量的同時提升安全性，促進汽車行業發展。

一、超高強鋼汽車零件熱成形工藝簡述

(一)工作原理。超高強鋼汽車零件熱成形工藝的工作原理是采用特殊高強度鋼材，其具有500MPa～600MPa的抗拉強度，在加熱爐中加熱至溫度轉變為奧氏體溫度以上，進行保溫待完全奧氏體組織以后，將其快速轉換至裝有冷卻模具上，在板料商溫度的時候對其實施沖壓工作，需要注意的是沖壓工作應當保持一段時間，在這期間模具需要通過一定的裝置進行冷卻工藝，促使板料達到淬火效果，最后形成馬氏體的沖壓件，在封閉模具中完成淬火和成形工藝，以此獲取所需要工件。

(二)工藝特點。超高強鋼汽車零件熱成形工藝特點中最明顯的是在成形時需要對板料進行淬火，是一項能夠將淬火工藝和成形工藝有效結合的新方式。為此，在進行沖壓成形工藝之前需要對高強鋼構件加熱到一定程度，使其完全奧氏體化，在進行保壓工藝和成型工藝過程，需要通過相關的領取裝置來確保模具溫度有效的降低，進而達到淬火工藝的需求。在構件完全成為奧氏體的情況時進行沖壓成形工藝，然后冷卻促使構件形成馬氏體，進而取得高強度的構件。通過熱成形獲得的構件屈服強度可以達到1000MPa以上，抗拉強度可以達到1500MPa以上，同時具有穩定尺寸、無回彈的優勢[1]。

總結熱成形工藝的優勢：提升汽車的碰撞硬度、降低油耗和CO2的排放量、構件成形的穩定強、構件表面具有較強的耐磨性及硬度、減少噪聲、構件尺寸精準、車身結構簡單、有效減少加強板使用數量、整體車身重量減輕，通過這一系列的優化設計，一定程度上能夠起到降低成本的作用。然而超高強鋼具有兩面性質，因此熱成形工藝帶需要提高探究的方面有：生產時間長、需要運用激光技術實施沖孔、切邊、相對于領沖壓工藝比較復雜、會產生氧化、需要進行清理、廢品率較高，單品成本高、工作環境不高、技術要求較高、實際技術相對于實驗落后、調試時間長等問題。

二、鋼板熱成形工藝應用的構件

超高強熱成形工藝主要應用的構件有，汽車中要求結構強度比較高的構件，比如，底板中央通道、門內側梁及柱、門檻、車身縱梁及橫梁、保險杠等一些安全性要求比較高的防撞件。這些構件的強度與汽車的安全性具有一定的聯系，國家對汽車的抗撞性要求不斷提高，而組成汽車的這些構件強度直接影響著汽車安全性，關系著車身的整體安全級別。通過查閱資料可知，德國大眾B6、馬自達、沃爾沃車身中就應用了熱成形工藝來提高碰撞安全性[2]。

三、超高強鋼熱成形模具設計

針對于超高強鋼汽車零件模具設計的分析，本文以B柱類汽車構件為例。

(一)超高強熱成形模具材料選擇。對于汽車B類構件而言，熱成形板材可以選擇22MNB5及BR150OHS等材料，在進行淬火工藝時，能夠大幅度的提升板材的抗拉強度以及硬度，與此同時，由于模具中具有一定的加熱區域，為此對于模具材料的選擇要求具備較高的耐熱性能，并且還需要具備較高的剛度和疲勞壽命以及表面硬度。新型熱成形模具應當能夠滿足溫度快速變冷變熱并且冷熱交替閃速的要求，由于溫度高達900℃，高溫下板材對于模具材料會形成較強的熱摩擦，并且板材在模具中會產生脫落的氧化顆粒，進而對模具的板材接觸表面形成顆粒摩損。因此，為了有效避免高溫板材對模具產生的磨粒摩損以及熱摩擦問題，在選擇模具材料方面應當充分考慮這兩點內容。若是選擇不適合的模具材料，不僅能夠對構件成形產生影響，一定程度上還會降低模具使用壽命。總結模具材料選擇應當考慮的因素：模具應當具備良好的熱脹冷縮性能，與構件接觸面需要滿足驟熱驟冷條件，耐磨粒磨損能力強，進而保證模具的可塑性。通充分考慮上述因素可以運用熱鍛用鋼，比如3Cr2W8V、H13等。

(二)超高強熱成形模具設計。在超高強剛熱成形工藝中，構件與模具之間的接觸方式分別是模具中的加熱區，和冷卻區以及過渡區。因此需要將模具設計成平板型。在對模具進行設計時在加熱區與冷卻區之間應當留有3mm氣體縫隙，用來阻礙加熱區中的熱量傳向冷卻區。為了避免構件在900℃溫度下不會出現拉裂、起皺等問題，進而提升其延展性，需要對模具間隙進行合理設計[3]。為了有效避免熱量傳向模具的基板，需要在此期間設置陶瓷隔熱氈。由于模具需要具備熱脹冷縮的原理，為此，在對模具進行設計的過程中可以在冷卻區墊上薄墊片。設計出的模具加熱區溫度約為400℃，冷卻區溫度約為25℃。因此在板材溫度處于900℃時，放入到模具中需要保壓15秒，此后應當測量板材的硬度以及強度。模具加熱區設計時應當保持抗拉強度為1425MPa以及硬度為480HV；冷卻區抗拉強度應當保800MPa，其硬度應當保持為240HV。

結論

綜上所述，目前汽車行業不斷發展與節能減排理念共同發展的時代，超高強鋼的熱成形技術可以有效的實現減低耗油及排放量的基礎上提高安全性能。同時還解決了傳統冷沖壓工藝下的加工難、回彈大等情況，并且構建經過淬火工藝后質量相對于比較高，設計熱成形模具對于構件成形具有重要作用。我國對于超高強剛的熱成形模具設計仍然處于一個探索期。為此還需一套完整的設計準則來指導此項技術的進一步發展。