文/李儉·東風商用車有限公司車身廠

熱沖壓成形工藝探討

文/李儉·東風商用車有限公司車身廠

熱沖壓成形工藝是汽車行業(yè)近年來比較具有影響力的一項專門用于生產(chǎn)汽車超高強度鋼板沖壓件的先進技術(shù)，本文主要介紹該技術(shù)的原理、工藝、模具、零件及相關(guān)設(shè)備、生產(chǎn)線的特點，同時與冷沖壓成形工藝做了相關(guān)的對比說明，以便讀者對熱沖壓成形工藝形成一個比較完整的了解。

節(jié)油減排是當前汽車行業(yè)降低汽車使用成本提高產(chǎn)品競爭力、減少排氣污染提高企業(yè)形象的重要方略，而在節(jié)油減排措施中，汽車輕量化的效果最為明顯，車重減輕10%，可節(jié)約油耗3%～7%，因此，塑料、鋁合金、碳纖維、高強度鋼板等各種替用材料開始在汽車制造中使用。其中，采用高強度鋼板可以減少零件料厚、減小零件截面尺寸使得零件重量減輕或減少零件數(shù)量使得車重減輕，在實現(xiàn)汽車輕量化和提高汽車的安全性能方面比其他材料有明顯的優(yōu)勢，可以同時滿足汽車輕量化和提高安全性能的要求。因此，高強度鋼板在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。

熱成形技術(shù)是專門應(yīng)用于成形超高強度鋼板沖壓件的成形技術(shù)，該技術(shù)以板料在高溫狀態(tài)下沖壓成形并同時在模具內(nèi)冷卻淬火，可以成形強度高達1500MPa的沖壓件，目前廣泛應(yīng)用于轎車的車門防撞梁、前后保險杠等保安件以及A柱、B柱、C柱、中通道等車體結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)。

熱沖壓成形原理及工藝應(yīng)用

熱沖壓成形原理

熱沖壓成形技術(shù)原理是把特殊的超高強度硼合金鋼板加熱到880～930℃，使坯料奧氏體化，隨后將坯料送到帶冷卻系統(tǒng)的模具內(nèi)沖壓成形，在成形同時由模具表面將坯料冷卻、淬火，使之發(fā)生相變，將奧氏體轉(zhuǎn)化為馬氏體，成形件因而得到強化。成形前硼合金坯料強度一般在500～600MPa，成形后的沖壓件強度可以達到1500MPa，強度提高250%以上，零件硬度達到50HRC，但是伸長率下降比較大，成形前硼合金鋼板伸長率24%以上，成形后伸長率只有8%左右，所以熱沖壓成形技術(shù)也被稱為“沖壓硬化技術(shù)”，其原理圖如圖1所示。

目前熱沖壓成形用鋼有4種：Mn-B系列、Mn-O-B系列、Mn-Cr-B系列和Mn-W-Ti-B系列。其中，汽車覆蓋件熱沖壓成形鋼板一般分為帶涂層鋼板以及不帶涂層鋼板。

熱沖壓成形工藝

⑴熱成形直接成形工藝。熱成形直接成形工藝是指板料加熱到奧氏體化溫度保溫一段時間后直接放到具有冷卻系統(tǒng)的模具里進行成形及淬火，其優(yōu)點如下。

①坯料在一套模具中進行成形及淬火，節(jié)省了預(yù)成形模具費用并加快了生產(chǎn)節(jié)奏；②坯料加熱前為平板料，這樣不僅節(jié)省了加熱區(qū)面積，節(jié)省能源，而且可以選取多種加熱方式，例如可以采取感應(yīng)加熱爐進行加熱。

熱沖壓成形直接成形工藝的缺點是復(fù)雜的車門內(nèi)零部件成形困難，且模具冷卻系統(tǒng)的設(shè)計更加復(fù)雜，需要增加激光切割設(shè)備等。

⑵熱沖壓成形間接成形工藝。熱沖壓成形間接成形工藝是指板料先經(jīng)過冷沖壓進行預(yù)成形，然后加熱到奧氏體溫度，保溫一段時間后放到具有冷卻系統(tǒng)的模具里進行最終成形及淬火，其優(yōu)點如下。

①可以成形具有復(fù)雜形狀的車內(nèi)零部件，幾乎可以獲得目前所有的沖壓承載件；②坯料預(yù)成形后，后續(xù)熱成形工藝不需要過多考慮板料高溫成形性能，就可以確保板料完全淬火得到所需要的馬氏體組織；③坯料預(yù)成形后可以進行修邊、翻邊、沖孔等工藝加工，避免淬火硬化后加工困難問題，例如板料淬火后須用激光切割設(shè)備修邊，這會大大增加加工成本。

圖1 熱沖壓成形原理圖

熱沖壓成形及冷沖壓成形工藝對比

零件質(zhì)量

熱沖壓成形零件的特點：⑴由于選擇在高溫下成形，不帶涂層沖壓零件表面存在氧化，表面質(zhì)量不佳；⑵零件在冷卻過程中由于溫度分布不均勻，易產(chǎn)生熱應(yīng)力和熱應(yīng)變；⑶由于材料的高塑性，在成形過程中零件不易起皺和破裂，基本沒有回彈，尺寸穩(wěn)定性比較好；⑷材料經(jīng)過加工變形和快冷，晶粒得到了細化，力學(xué)性能得到了很大的提高；⑸材料經(jīng)過變形和硬化后，強度提高，冷沖壓切邊沖孔已無法達到工藝和零件精度的要求，需要利用激光或等離子切割設(shè)備完成。

冷沖壓成形零件的特點：⑴由于是在室溫下成形和采用冷軋板，零件表面光滑；⑵由于材料的塑性有限，在成形過程中零件易起皺和破裂，易回彈，尺寸穩(wěn)定性比較差；⑶材料在加工過程中產(chǎn)生了加工硬化。

生產(chǎn)線

熱沖壓生產(chǎn)線主要包括落料壓機、加熱爐、液壓機或伺服壓力機、水循環(huán)裝置、激光切割設(shè)備或等離子切割、去氧化皮設(shè)備以及零件傳送機器人，熱沖壓成形用的液壓機或伺服壓力機噸位一般都較冷沖壓成形用的壓機噸位小，其生產(chǎn)線如圖2所示。

冷沖壓生產(chǎn)設(shè)備主要有開卷線（圖3）、人工操作壓機生產(chǎn)線（圖4）或者自動化壓機生產(chǎn)線（圖5），適合各種沖壓零件多工序、大批量流水生產(chǎn)。

生產(chǎn)工裝

熱沖壓工藝工裝包括落料模、切斷模和預(yù)成形模（直接熱沖壓成形工藝不需要預(yù)成形模），坯料加熱定位夾具、熱沖壓成形模具（在模具結(jié)構(gòu)中設(shè)置冷卻循環(huán)回路系統(tǒng)，如圖6所示），去氧化皮夾具、激光切割、等離子切割夾具等。

圖2 熱沖壓成形自動化生產(chǎn)線

圖3 開卷落料生產(chǎn)線

圖4 人工操作壓機生產(chǎn)線

圖5 自動化壓機生產(chǎn)線

冷沖壓模具工裝包括落料模、切斷模和冷沖壓各工序系列模具，圖7是冷沖壓成形模具圖，冷沖壓拉延成形模具不需要冷卻循環(huán)回路系統(tǒng)。

圖6 熱沖壓成形模具

圖7 冷沖壓成形模具

圖8 熱沖壓成形模具開發(fā)流程圖

熱沖壓成形模具技術(shù)要點

冷沖壓模具僅用于零件的成形，而熱沖壓模具不但用于成形，還要用于給零件冷卻淬火，因此其模具更加復(fù)雜，對模具材料選擇、模具設(shè)計等方面提出了更加嚴格的要求。

在模具材料選擇方面，熱沖壓模具材料首先要有良好熱傳導(dǎo)系數(shù)，確保鋼板與模具表面之間的快速傳熱，實現(xiàn)良好的冷卻功能。模具材料還要具備良好的熱強度、熱硬度、高的耐磨性和熱疲勞性，保證模具內(nèi)板冷卻管道不被冷卻介質(zhì)銹蝕堵塞，因此國外一些熱沖壓模具材料中都含有較高的Ni和Cr。在模具材料選擇時，一般要根據(jù)具體的工作情況，參照熱鍛造模具鋼進行選擇。

在模具凸凹模設(shè)計方面，不能照搬冷沖壓模具的設(shè)計方法，因為熱沖壓工藝回彈很小，幾乎無須考慮回彈對零件形狀的影響，另外還需考慮熱脹冷縮對零件最終尺寸和形狀的影響，并以此為基礎(chǔ)設(shè)計凸凹模具的關(guān)鍵尺寸。

在冷卻機構(gòu)設(shè)計方面，冷卻系統(tǒng)必須保證模具對零件的快速、均勻冷卻，冷卻管道的總體布局、形狀、直徑、冷卻管與模具工作表面、非工作表面以及冷卻管之間的距離、冷卻系統(tǒng)密封等都是冷卻機構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵所在，也是熱沖壓成形模具設(shè)計的最重要技術(shù)之一。設(shè)計冷卻管道系統(tǒng)時，可以結(jié)合數(shù)值模擬技術(shù)對各管道內(nèi)的冷卻介質(zhì)的流動情況進行模擬分析，使各管道都具有相同的冷卻效率，保證冷卻的均勻性。

熱沖壓成形模具設(shè)計開發(fā)是熱成形關(guān)鍵技術(shù)，它不同于傳統(tǒng)的冷沖壓成形模具，它是冷卻協(xié)調(diào)優(yōu)化設(shè)計、冷卻管道加工、計算機仿真分析技術(shù)、傳熱模擬等技術(shù)的集成，最終達到成形、冷卻、組織性能優(yōu)良的完美結(jié)合，其開發(fā)流程如圖8所示。

結(jié)束語

實現(xiàn)車身輕量化是一個系統(tǒng)的工程，需要全面考慮材料、設(shè)計、制造工藝技術(shù)等各方面的問題；新材料的應(yīng)用離不開新成形制造技術(shù)的發(fā)展，超高強度鋼板的應(yīng)用，促進了熱沖壓成形技術(shù)的誕生和發(fā)展，反過來熱沖壓成形技術(shù)的發(fā)展也會促進超高強度鋼板材料的應(yīng)用，實現(xiàn)更高層次的汽車車身輕量化，實現(xiàn)汽車行業(yè)節(jié)油減排，提高安全性能的根本目標。