高強(qiáng)度板以其重量輕、強(qiáng)度高的特點(diǎn)成為滿足汽車輕量化、降低燃油消耗、提高汽車碰撞安全性的重要途徑之一，在汽車車身零件中得到越來越廣泛的應(yīng)用。


室溫條件下高強(qiáng)度鋼板塑性變形范圍小，成形性能差，如采用冷沖壓法沖壓，所需的沖壓噸位大，容易開裂。同時(shí)由于沖壓回彈大，零件尺寸也難以控制。特別當(dāng)高強(qiáng)度板抗拉強(qiáng)度超過550MPa時(shí)，傳統(tǒng)的冷沖壓方法幾乎無法進(jìn)行，因此汽車工業(yè)投入巨大的精力來開展高強(qiáng)度板的開發(fā)和熱沖壓成形技術(shù)的研究。1984年，瑞典SAAB成為全球首家使用熱沖壓零件的汽車企業(yè)，1991年使用熱沖壓技術(shù)生產(chǎn)的保險(xiǎn)杠問世。目前熱沖壓成形技術(shù)已在汽車制造中得到較大范圍的應(yīng)用。

本文從工藝、裝備、應(yīng)用三個(gè)方面，分別對(duì)熱沖壓成形的原理、分類、工藝流程進(jìn)行了闡述，對(duì)高強(qiáng)度板、熱沖壓設(shè)備的要求進(jìn)行了分析，對(duì)熱沖壓成形技術(shù)在轎車零件生產(chǎn)的應(yīng)的用和進(jìn)展進(jìn)行了介紹，對(duì)熱沖壓成形技術(shù)知識(shí)的推廣與應(yīng)用具有一定的促進(jìn)作用。


熱沖壓成形工藝流程與設(shè)備


1）熱沖壓的工藝原理熱沖壓又常被稱為“沖壓硬化”技術(shù)。首先將初始強(qiáng)度為500～600MPa的高強(qiáng)度板加熱到880～950℃，然后送入內(nèi)部帶有冷卻系統(tǒng)的模具內(nèi)沖壓成形，并處于保壓狀態(tài)，以20～300℃/s的冷卻速度快速淬火冷卻，由于奧氏體轉(zhuǎn)變成了馬氏體，零件強(qiáng)度大幅提高，可以生產(chǎn)出強(qiáng)度高達(dá)1500MPa沖壓件。


2）熱沖壓工藝的分類熱沖壓技術(shù)按工藝過程分為直接熱沖壓工藝和間接熱沖壓工藝兩大類。


在直接熱沖壓工藝中，坯料被加熱后，直接送至閉式模具內(nèi)進(jìn)行沖壓成形和淬火，然后進(jìn)行冷卻、切邊沖孔（或激光切割）、表面清理等后續(xù)工藝。


在間接熱沖壓工藝中，先進(jìn)行冷沖預(yù)成形后，然后再進(jìn)入加熱、熱沖壓、切邊沖孔、表面清理等工藝。


兩者區(qū)別在于間接熱沖壓工藝在加熱前比直接熱沖壓工藝多了冷沖預(yù)成形工序，熱沖壓工藝送進(jìn)加熱爐的是板料，間接熱沖壓工藝送進(jìn)加熱爐的冷沖預(yù)成形件（見圖1）。

一般而言，直接熱沖壓工藝方法適用于簡(jiǎn)單零件，間接熱沖壓工藝方法適用于形狀復(fù)雜零件或深拉深零件。


3）熱沖壓成形工藝流程熱沖壓成形一般工藝流程見圖2。熱沖壓的關(guān)鍵工藝過程是加熱、沖壓、保壓和冷卻。加熱過程直接影響到高強(qiáng)度鋼板的沖壓性能，沖壓過程中伴隨的淬火則對(duì)零件強(qiáng)度的硬化起到?jīng)Q定性的作用。

熱沖壓高強(qiáng)板


熱沖壓高強(qiáng)度板普遍采用含硼鋼板，初始抗拉強(qiáng)度在400~600MPa，經(jīng)熱沖壓、保壓、淬火后可達(dá)到1500MPa左右。


由于熱沖壓淬火過程中，伴隨著奧氏體向馬氏體的再結(jié)晶過程。此外，高強(qiáng)板會(huì)被加熱至再結(jié)晶溫度以上，鋼板表面與空氣接觸后會(huì)產(chǎn)生氧化和脫碳。因此，熱沖壓高強(qiáng)板成分適于熱沖壓過程中的奧氏體、馬氏體的熱循環(huán)，同時(shí)具備較強(qiáng)的抗高溫和耐腐蝕能力。


為了提高熱沖壓高強(qiáng)板高溫下的耐腐蝕能力，阻止加熱過程中產(chǎn)生氧化層，常常在金屬板表面涂覆鍍層。鍍層高強(qiáng)板與非鍍層高強(qiáng)板在熱成形時(shí)各有優(yōu)缺點(diǎn)，如附表所示。


由于非鍍層高強(qiáng)板具有焊接性好、造價(jià)低、無需噴丸處理的優(yōu)點(diǎn)，也常常被使用。為了避免非鍍層鋼板在熱沖壓加熱過程中產(chǎn)生表面的氧化和脫碳，通常在加熱爐中通入保護(hù)氣體阻止氧化層的發(fā)生。


一些研究表明在非鍍層高強(qiáng)板表面涂覆特殊防護(hù)油，可有效阻止熱沖壓氧化皮的產(chǎn)生。


目前，能夠批量提供高強(qiáng)板企業(yè)，國(guó)外主要為阿塞洛（Arcelor）、瑞典SSAB、蒂森克虜伯（ThyssenKrupp），寶鋼只能生產(chǎn)不帶鍍層的熱沖壓用鋼。


熱沖壓主要裝備


熱沖壓主要設(shè)備包括加熱爐、熱成形壓機(jī)、熱沖壓模具等，如圖3所示。

圖3熱沖壓工藝設(shè)備

1）加熱爐加熱爐具有加熱和溫控能力，能在指定時(shí)間內(nèi)能將高強(qiáng)板加熱至再結(jié)晶溫度，達(dá)到奧氏體化狀態(tài)，且能適應(yīng)大批量自動(dòng)化連續(xù)生產(chǎn)的要求。由于熾熱的坯料只能采用機(jī)器人或機(jī)械手上下料，要求加熱爐進(jìn)出料自動(dòng)化，定位精度高。同時(shí)在加熱非鍍層鋼板時(shí)，能提供氣體保護(hù)，避免坯料表面氧化和脫碳。


2）熱成形壓機(jī)是熱沖壓技術(shù)的核心，其既要有快速?zèng)_壓、保壓的能力，還需要配備快速冷卻系統(tǒng)，其技術(shù)復(fù)雜程度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過常見的冷沖壓機(jī)。目前僅有少數(shù)國(guó)外企業(yè)掌握該類壓機(jī)的設(shè)計(jì)、制造技術(shù)，全部依賴進(jìn)口，價(jià)格昂貴。


3）熱沖壓模具熱沖壓模具同時(shí)承擔(dān)成形、淬火兩個(gè)階段的工作：在成形階段，當(dāng)坯料被送入模腔后，模具迅速完成壓制工作，保證在材料發(fā)生馬氏體相變之前完成零件成形；此后進(jìn)入淬火冷卻階段，保壓在模腔內(nèi)的工件的熱量不斷傳遞給模具，布置在模具內(nèi)的冷卻管通過流動(dòng)的冷卻液體瞬間將熱量帶走，當(dāng)工件溫度降至425℃時(shí)，開始發(fā)生奧氏體－馬氏體轉(zhuǎn)變；溫度至280℃時(shí)，奧氏體、馬氏體之間的轉(zhuǎn)變結(jié)束，200℃時(shí)工件被取出。模具的保壓作用是為防止淬火過程中的熱脹冷縮的不均勻性，導(dǎo)致零件發(fā)生較大的形狀、尺寸改變，產(chǎn)生報(bào)廢；同時(shí)可以增強(qiáng)工件、模具的熱傳遞效率，促進(jìn)淬火冷卻的快速進(jìn)行。


淬火冷卻速度不但影響到生產(chǎn)節(jié)拍，還影響著奧氏體、馬氏體之間的轉(zhuǎn)變效率。冷卻速度決定了將形成何種結(jié)晶組織，關(guān)系到工件的最終硬化效果。硼鋼熱的臨界冷卻溫度為30℃/s左右，只有當(dāng)冷卻速率超出臨界冷卻溫度時(shí)，才能最大程度促成馬氏體組織的形成。當(dāng)冷卻速率小于臨界冷卻速率時(shí)，工件結(jié)晶組織中將會(huì)出現(xiàn)貝氏體等非馬氏體組織。但并非冷卻速率越高越好，過高的冷卻速度將導(dǎo)致成形件的開裂，需要根據(jù)零件的材料成分、工藝條件確定合理的冷卻速率范圍。


由于冷卻管的設(shè)計(jì)直接關(guān)系到冷卻速度的大小，一般從最大熱傳遞效率的角度來設(shè)計(jì)冷卻管路，因此設(shè)計(jì)出來的冷卻管道的走向比較復(fù)雜，很難在模具澆鑄完成后通過機(jī)械鉆孔的方法獲得。為避免受到機(jī)械加工的限制，一般選用模具澆鑄前預(yù)留水道的辦法。


因?yàn)殚L(zhǎng)期工作在200℃到880~950℃這一劇烈的冷熱交變條件下，熱沖壓模具材料必須具有良好的結(jié)構(gòu)剛性、導(dǎo)熱性，能夠抵抗高溫下坯料產(chǎn)生的強(qiáng)力熱摩擦及脫落的氧化層顆粒的磨料磨損效應(yīng)。此外，模具材料還應(yīng)對(duì)冷卻液具有較好的抗腐蝕能力，以保證冷卻管的暢通。


4）切邊沖孔由于熱沖壓后零件的強(qiáng)度達(dá)到1500MPa左右，如果采用壓力機(jī)切邊、沖孔，設(shè)備噸位要求較大，模具刃口磨損嚴(yán)重。因此常常采用激光切割單元進(jìn)行切邊和割孔。


熱成形技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)分析


與傳統(tǒng)冷沖壓相比，熱沖壓技術(shù)有如下優(yōu)點(diǎn)：


1）采用熱成形技術(shù)可有效降低車身零件所用材料的厚度，由于零件強(qiáng)度大，車身上的加強(qiáng)板、加強(qiáng)筋大大減少，減少了車身的重量，可有效提高車身的防撞安全性，降低汽車的燃油消耗。


2）鋼板在加熱條件下，變形能力大幅提高，沖壓變形力變小，沖壓設(shè)備的噸位變小。


3）鋼板的回彈系數(shù)大大降低，零件尺寸精度好。


4）沖壓噪音也比冷沖壓小得多。


但相對(duì)冷沖壓而言，熱沖壓也有不足之處：


1）由于缺少熱脹冷縮、組織轉(zhuǎn)變及回彈等試驗(yàn)數(shù)據(jù)的積累，熱沖壓CAE仿真精度較差，產(chǎn)品開發(fā)難度大，零件的固有廢品率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于冷沖壓。


2）因?yàn)樾枰訜釥t對(duì)鋼板進(jìn)行前處理，增加了加熱設(shè)備和生產(chǎn)能耗，零件成本高。


3）生產(chǎn)過程中由于需要加熱和保壓淬火，從而延長(zhǎng)了生產(chǎn)節(jié)拍，生產(chǎn)效率低。


4）由于熱沖壓壓機(jī)、模具、激光切割機(jī)以及整套設(shè)備的自動(dòng)控制系統(tǒng)基本由國(guó)外公司掌控，技術(shù)封鎖嚴(yán)密，現(xiàn)階段技術(shù)門檻和投資門檻比較高。


熱沖壓成形技術(shù)在汽車制造業(yè)的應(yīng)用


熱沖壓技術(shù)主要應(yīng)用于轎車上強(qiáng)度要求高的車身結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)，如車門防撞梁、柱內(nèi)板、地板中央通道、車身縱梁和橫梁、門檻、保險(xiǎn)杠等安全防撞件（見圖4），能有效提高整車的安全碰撞試驗(yàn)等級(jí)。


目前，越來越多的熱沖壓零件被用于汽車制造上，據(jù)統(tǒng)計(jì)，1977年全球熱成形零件約300萬件，1977年達(dá)到800萬件，2007年已達(dá)到1億多件

國(guó)外尤其是歐洲經(jīng)過多年研究和應(yīng)用，已積累了相對(duì)全面的開發(fā)和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，研究的應(yīng)用方向已向更大型化零件發(fā)展。舒勒宣稱，利用他們開發(fā)的PCH熱沖壓技術(shù)和成套設(shè)備，將很快開發(fā)出轎車的整體側(cè)圍加強(qiáng)板等超大型熱成形零件。


以上就是關(guān)于熱沖壓成形的原理、分類、工藝流程、設(shè)備等知識(shí)介紹。隨著全球能源的進(jìn)一步匱乏，節(jié)能、環(huán)保、低碳和安全已成為汽車工業(yè)工業(yè)的主要研究方向。作為汽車輕量化的最有效途徑之一，高強(qiáng)度板熱沖壓技術(shù)的發(fā)展歷史雖然不長(zhǎng)，但在車身輕量化、提高安全性方面已顯示出巨大潛力。汽車工業(yè)作為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，加快高強(qiáng)鋼及熱沖壓技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用，早日在材料、熱沖壓設(shè)備方面取得突破，打破國(guó)外技術(shù)封鎖，促進(jìn)我國(guó)汽車工業(yè)的發(fā)展。

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