超高強(qiáng)鋼汽車零件熱成形工藝及模具設(shè)計(jì)準(zhǔn)則研究

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前言

隨著節(jié)能減排理念的不斷深入，加大了汽車行業(yè)對輕量化的研究力度，充分運(yùn)用超高強(qiáng)鋼板材料，是汽車行業(yè)未來發(fā)展方向，采用熱成形工藝具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢，可塑性高、低變形力、不會(huì)輕易出現(xiàn)開裂問題、形成的構(gòu)件精準(zhǔn)度高。進(jìn)而降低了能源的消耗，在減輕車身重量的同時(shí)提升安全性，促進(jìn)汽車行業(yè)發(fā)展。

一、超高強(qiáng)鋼汽車零件熱成形工藝簡述

(一)工作原理。超高強(qiáng)鋼汽車零件熱成形工藝的工作原理是采用特殊高強(qiáng)度鋼材，其具有500MPa～600MPa的抗拉強(qiáng)度，在加熱爐中加熱至溫度轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體溫度以上，進(jìn)行保溫待完全奧氏體組織以后，將其快速轉(zhuǎn)換至裝有冷卻模具上，在板料商溫度的時(shí)候?qū)ζ鋵?shí)施沖壓工作，需要注意的是沖壓工作應(yīng)當(dāng)保持一段時(shí)間，在這期間模具需要通過一定的裝置進(jìn)行冷卻工藝，促使板料達(dá)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(diǎn)。超高強(qiáng)鋼汽車零件熱成形工藝特點(diǎn)中最明顯的是在成形時(shí)需要對板料進(jìn)行淬火，是一項(xiàng)能夠?qū)⒋慊鸸に嚭统尚喂に囉行ЫY(jié)合的新方式。為此，在進(jìn)行沖壓成形工藝之前需要對高強(qiáng)鋼構(gòu)件加熱到一定程度，使其完全奧氏體化，在進(jìn)行保壓工藝和成型工藝過程，需要通過相關(guān)的領(lǐng)取裝置來確保模具溫度有效的降低，進(jìn)而達(dá)到淬火工藝的需求。在構(gòu)件完全成為奧氏體的情況時(shí)進(jìn)行沖壓成形工藝，然后冷卻促使構(gòu)件形成馬氏體，進(jìn)而取得高強(qiáng)度的構(gòu)件。通過熱成形獲得的構(gòu)件屈服強(qiáng)度可以達(dá)到1000MPa以上，抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到1500MPa以上，同時(shí)具有穩(wěn)定尺寸、無回彈的優(yōu)勢[1]。

總結(jié)熱成形工藝的優(yōu)勢：提升汽車的碰撞硬度、降低油耗和CO2的排放量、構(gòu)件成形的穩(wěn)定強(qiáng)、構(gòu)件表面具有較強(qiáng)的耐磨性及硬度、減少噪聲、構(gòu)件尺寸精準(zhǔn)、車身結(jié)構(gòu)簡單、有效減少加強(qiáng)板使用數(shù)量、整體車身重量減輕，通過這一系列的優(yōu)化設(shè)計(jì)，一定程度上能夠起到降低成本的作用。然而超高強(qiáng)鋼具有兩面性質(zhì)，因此熱成形工藝帶需要提高探究的方面有：生產(chǎn)時(shí)間長、需要運(yùn)用激光技術(shù)實(shí)施沖孔、切邊、相對于領(lǐng)沖壓工藝比較復(fù)雜、會(huì)產(chǎn)生氧化、需要進(jìn)行清理、廢品率較高，單品成本高、工作環(huán)境不高、技術(shù)要求較高、實(shí)際技術(shù)相對于實(shí)驗(yàn)落后、調(diào)試時(shí)間長等問題。

二、鋼板熱成形工藝應(yīng)用的構(gòu)件

超高強(qiáng)熱成形工藝主要應(yīng)用的構(gòu)件有，汽車中要求結(jié)構(gòu)強(qiáng)度比較高的構(gòu)件，比如，底板中央通道、門內(nèi)側(cè)梁及柱、門檻、車身縱梁及橫梁、保險(xiǎn)杠等一些安全性要求比較高的防撞件。這些構(gòu)件的強(qiáng)度與汽車的安全性具有一定的聯(lián)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(gòu)件強(qiáng)度直接影響著汽車安全性，關(guān)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(dá)、沃爾沃車身中就應(yīng)用了熱成形工藝來提高碰撞安全性[2]。

三、超高強(qiáng)鋼熱成形模具設(shè)計(jì)

針對于超高強(qiáng)鋼汽車零件模具設(shè)計(jì)的分析，本文以B柱類汽車構(gòu)件為例。

(一)超高強(qiáng)熱成形模具材料選擇。對于汽車B類構(gòu)件而言，熱成形板材可以選擇22MNB5及BR150OHS等材料，在進(jìn)行淬火工藝時(shí)，能夠大幅度的提升板材的抗拉強(qiáng)度以及硬度，與此同時(shí)，由于模具中具有一定的加熱區(qū)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(yīng)當(dāng)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(dá)900℃，高溫下板材對于模具材料會(huì)形成較強(qiáng)的熱摩擦，并且板材在模具中會(huì)產(chǎn)生脫落的氧化顆粒，進(jìn)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(chǎn)生的磨粒摩損以及熱摩擦問題，在選擇模具材料方面應(yīng)當(dāng)充分考慮這兩點(diǎn)內(nèi)容。若是選擇不適合的模具材料，不僅能夠?qū)?gòu)件成形產(chǎn)生影響，一定程度上還會(huì)降低模具使用壽命。總結(jié)模具材料選擇應(yīng)當(dāng)考慮的因素：模具應(yīng)當(dāng)具備良好的熱脹冷縮性能，與構(gòu)件接觸面需要滿足驟熱驟冷條件，耐磨粒磨損能力強(qiáng)，進(jìn)而保證模具的可塑性。通充分考慮上述因素可以運(yùn)用熱鍛用鋼，比如3Cr2W8V、H13等。

(二)超高強(qiáng)熱成形模具設(shè)計(jì)。在超高強(qiáng)剛熱成形工藝中，構(gòu)件與模具之間的接觸方式分別是模具中的加熱區(qū)，和冷卻區(qū)以及過渡區(qū)。因此需要將模具設(shè)計(jì)成平板型。在對模具進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)在加熱區(qū)與冷卻區(qū)之間應(yīng)當(dāng)留有3mm氣體縫隙，用來阻礙加熱區(qū)中的熱量傳向冷卻區(qū)。為了避免構(gòu)件在900℃溫度下不會(huì)出現(xiàn)拉裂、起皺等問題，進(jìn)而提升其延展性，需要對模具間隙進(jìn)行合理設(shè)計(jì)[3]。為了有效避免熱量傳向模具的基板，需要在此期間設(shè)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(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中可以在冷卻區(qū)墊上薄墊片。設(shè)計(jì)出的模具加熱區(qū)溫度約為400℃，冷卻區(qū)溫度約為25℃。因此在板材溫度處于900℃時(shí)，放入到模具中需要保壓15秒，此后應(yīng)當(dāng)測量板材的硬度以及強(qiáng)度。模具加熱區(qū)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)保持抗拉強(qiáng)度為1425MPa以及硬度為480HV；冷卻區(qū)抗拉強(qiáng)度應(yīng)當(dāng)保800MPa，其硬度應(yīng)當(dāng)保持為240HV。

結(jié)論

綜上所述，目前汽車行業(yè)不斷發(fā)展與節(jié)能減排理念共同發(fā)展的時(shí)代，超高強(qiáng)鋼的熱成形技術(shù)可以有效的實(shí)現(xiàn)減低耗油及排放量的基礎(chǔ)上提高安全性能。同時(shí)還解決了傳統(tǒng)冷沖壓工藝下的加工難、回彈大等情況，并且構(gòu)建經(jīng)過淬火工藝后質(zhì)量相對于比較高，設(shè)計(jì)熱成形模具對于構(gòu)件成形具有重要作用。我國對于超高強(qiáng)剛的熱成形模具設(shè)計(jì)仍然處于一個(gè)探索期。為此還需一套完整的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則來指導(dǎo)此項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。