文/方孝安，楊慶志，汪文奇·奇瑞汽車股份有限公司規(guī)劃設(shè)計一院沖壓部

汽車沖壓成形新技術(shù)

文/方孝安，楊慶志，汪文奇·奇瑞汽車股份有限公司規(guī)劃設(shè)計一院沖壓部

隨著安全性和燃料經(jīng)濟性需求的增長，汽車工業(yè)對高強、輕質(zhì)材料的需求加速了材料研發(fā)、工程設(shè)計、生產(chǎn)制造這三個領(lǐng)域的研發(fā)速度。在材料、設(shè)計及工藝專家的通力合作下，高強、輕質(zhì)材料的可成形性及其成形系統(tǒng)的柔性正在不斷提高。

越來越嚴格的安全法規(guī)，使得汽車制造商必須提高車身的剛性以保證其駕駛的安全性。但油價的不斷攀升，卻要求汽車制造商減輕車身的重量以提高燃油的經(jīng)濟性。高強、輕質(zhì)的要求刺激了研發(fā)的迅猛發(fā)展，這讓材料研發(fā)、工程設(shè)計、生產(chǎn)制造三個領(lǐng)域聯(lián)起手來，致力于降低車身重量的同時提高其碰撞性能。為了實現(xiàn)這一目標，優(yōu)質(zhì)鋼材的研發(fā)、成形工藝的革新以及新的沖壓構(gòu)思集成在了一起。目前，本文主要論述汽車沖壓領(lǐng)域的新工藝、新技術(shù)。

新材料的研發(fā)

在現(xiàn)代汽車工業(yè)中，高強度鋼材對于企業(yè)的生存至關(guān)重要。為了能夠成功地應(yīng)對安全、結(jié)構(gòu)和底盤部件批量生產(chǎn)的挑戰(zhàn)，一直以來，鋼材供應(yīng)商在材料的開發(fā)方面都非?；钴S。通常這樣理解，要得到高強度就必須以犧牲材料的成形性為代價，超高強度鋼材中馬氏體相鋼，很小的變形就會導致其失效。相反的是，較低強度的鋼材在失效前能夠表現(xiàn)出高的可延展性。對于汽車車身而言，這種關(guān)系在優(yōu)化材料的選擇上起著重要作用。

汽車車身部件使用的典型材料

⑴復合相和馬氏體相鋼。用于加工與碰撞安全相關(guān)的主要部件，如梁、B柱、保險杠。

⑵高抗拉強度鋼。用于加工帶平滑弧線的拉深件，如車門、罩、頂蓋。

⑶無間隙原子鋼（IF）。用于加工帶有拉伸和深壓延應(yīng)力的非常難壓延的部件，如內(nèi)門板、側(cè)板、翼子板。

⑷雙相鋼。用于加工難加工的結(jié)構(gòu)件，如車頂縱梁、輪子，以及帶有特殊抗凹性的車身外覆蓋件，如車門、前蓋、行李箱蓋。

⑸烘烤硬化和磷化合金鋼。用于加工難拉深板，如車門、前蓋、頂蓋。

⑹殘余奧氏體鋼（TRIP）。用于加工強吸能特性的結(jié)構(gòu)件，如梁、頂蓋橫梁。

新型的孿晶誘導塑性高強度鋼板

目前，各大鋼廠開發(fā)了孿晶誘導塑性鋼TWIP(twining induced plasticity)鋼（圖1、2），TWIP鋼是以Fe、Mn為主的單一奧氏體碳鋼，采用Mn可以擴大奧氏體相區(qū)，添加C不僅可以穩(wěn)定奧氏體，而且可以利用C的固溶強化奧氏體。通過控制Mn（17%～24%）和C（0.5%～0.7%）的含量，可以得到最好的力學性能。該鋼種具有極高的塑性指標(60%～80%)、強度(600～800MPa)和應(yīng)變硬化率，對沖擊能量的吸收程度是現(xiàn)有高強鋼的2倍，因此可大大減輕車體重量，增強車體抵抗撞擊能力，減小車身鋼板的變形程度，提高汽車運行的安全性，特別適合新一代汽車使用。另外，TWIP鋼的塑性變形的主要機制是位錯滑移，在變形過程中，非常細的孿晶在晶內(nèi)發(fā)生，孿晶界和晶粒邊界均成為位錯滑移的壁壘，可導致非常劇烈的加工硬化，其瞬時硬化率能保持較高的水平（大于0.45），會抑制頸縮的發(fā)生，從而導致TWIP鋼非常強的加工硬化能力和非常大的延伸率，因而可以沖制各種形狀復雜的零件，強度卻要高出2～5倍，其抗拉強度與熱處理鋼相當，延展性卻比熱處理鋼強10倍。該鋼板良好的延展性使鋼板具有復合深拉深和變形加工的特性，可以在室溫下加工成復雜外形零件；而且輕質(zhì)、高強塑性的鋼板能夠減輕汽車車身重量，提高其抗撞擊能力，增強汽車的安全性能。

圖1 孿晶誘導塑性鋼與其他鋼種性能的對比

圖2 孿晶誘導塑性鋼的應(yīng)用

鋁合金材料的材料屬性

目前，世界各國都在積極推進車身、車體主要部位的鋁材化。用于車身的鋁合金主要有Al-Cu-Mg系(2000系 )、Al-Mg系 (5000系)、Al-Mg-Si系(6000系)和Al-Mg-Zn-Cu系(7000系)。其中2000系和6000系是可熱處理強化的，而5000系是不可熱處理強化的。前者通過涂裝烘干工序后強度提高，主要用于外板等要求強度、剛性的部位；后者成形性優(yōu)良，用于內(nèi)板等形狀復雜的部位。經(jīng)過熱處理的鋁合金板材多用做汽車的外殼及車身框架材料，Audi A8轎車的整體車身用鋁合金制造，采用立體框架式結(jié)構(gòu)，扭蓋件用鋁合金板沖壓而成，與鋼制車身相比質(zhì)量減輕30%～50%，這些合金采用了連續(xù)退火工藝，純度、強度和工藝穩(wěn)定性很高，但生產(chǎn)成本較高。就鋁板，扭蓋件的發(fā)展趨勢來看，強度高、成形性能好、表面質(zhì)量優(yōu)良的鋁板將取代鋼板。日本汽車公司大多采用5000系、2000系、6000系鋁合金作為汽車車身的板材料。近幾年，采用6000系和7000系高強度鋁合金開發(fā)了“口”、‘舊”、“目”、“田”字形狀的薄壁和中空型材，不僅質(zhì)量輕、強度高、抗沖擊性好，而且擠壓成形性能好，在汽車上得到廣泛使用。

鋁合金被用于生產(chǎn)汽車懸掛零件，有效減輕相應(yīng)零部件的重量，大大提高了汽車行駛的平順性、穩(wěn)定性。如盤式制動器卡爪采用鍛鋁件(6061)、鋁擠壓鑄造件(AC4C，AC4CH)等，重量比鋼件輕40%～50%，鋁制熱交換器的重量，比銅質(zhì)的熱交換器下降37%～45%。其中，日本和美國的汽車空調(diào)器已完全采用鋁材。如圖3所示為奧迪A8的全鋁車身結(jié)構(gòu)，如圖4所示為寶馬5系的鋼制車身和鋁制車首。

圖3 奧迪A8的全鋁車身結(jié)構(gòu)

圖4 寶馬5系的鋼制車身和鋁制車首

沖壓領(lǐng)域的新工藝

高強度鋼板的沖壓成形新工藝

高強度的零部件對加工裝備提出了更高的技術(shù)要求。通常情況下，傳統(tǒng)的設(shè)備和生產(chǎn)線已經(jīng)無法滿足最新的超高強度材料的加工需求。

在沖壓車間的實際生產(chǎn)中，經(jīng)過驗證行之有效的方法包括：

⑴高強度鋼成形：多滑塊多工位壓力機的冷成形或混合生產(chǎn)線，其中第一臺為液壓機，其余為機械壓力機。

⑵通過加壓淬火在成形過程中形成高強度鋼。

如何選擇最佳的生產(chǎn)方式，功能、重量和成本是必須要考慮的因素。每種情況都有與眾不同的特點，所以材料、車身設(shè)計、部件的幾何形狀及尺寸、計劃生產(chǎn)批量都是確定生產(chǎn)方式時需要考慮的。

高強度鋼的成形

對高強度和超強度鋼進行冷成形的優(yōu)點是能夠明顯縮短周期。然而，對于復雜件的局限性是使用冷成形時存在著“回彈”現(xiàn)象。另外，該工藝要求壓力機噸位高（相比于低碳鋼要高2～4倍），而且需要昂貴材料制造的剛性模具以減少磨損。

使用雙滑塊多工位壓力機的冷成形

某汽車生產(chǎn)商對成形系統(tǒng)的柔性、可靠性和速度有著嚴格的要求。對它來說，投資大噸位多工位壓力機用于加工高強度和超強度鋼是其邁向未來的重要一步。該公司購進了一臺帶獨立成形工位（第一工位）的雙滑塊六工位壓力機。在第一循環(huán)中，該成形工位可進行高強度板的精拉伸。

組合式冷成形

在現(xiàn)有的機械式壓力機生產(chǎn)線上進行改造，將首臺壓力機更換成液壓機便可實現(xiàn)對高強度鋼的加工。最近幾年，由于諸如動力缸的模態(tài)轉(zhuǎn)換和環(huán)閥技術(shù)促進了驅(qū)動技術(shù)的進步，液壓拉伸壓力機的生產(chǎn)效率有了很大的提高。

運用這種方法，現(xiàn)有的設(shè)備仍能繼續(xù)使用并能提高整條生產(chǎn)線的生產(chǎn)能力。即使在小底座表面也能夠提供更高的沖壓力。不僅如此，液壓機技術(shù)簡化了復雜的深拉深動作，并在行程的任何位置都能得到滿沖壓力，在行程、裝?？臻g和沖壓力方面擁有更大的柔性，沖壓線上可使用模具的數(shù)量增加。

多件沖壓的成形新工藝

隨著中高級轎車車身整體側(cè)圍沖壓技術(shù)的推廣以及壓力機臺面的增大，沖壓工藝也得到了快速發(fā)展。其中，車門、翼子板等沖壓件從過去的一模單件發(fā)展為雙槽模生產(chǎn)（圖5），生產(chǎn)效率成倍提高，最新已發(fā)展到車門內(nèi)外板采用四型槽沖模生產(chǎn)（圖6），生產(chǎn)效率又翻了一番。產(chǎn)量較大時采用多件同時沖壓，可使模具費、材料費和加工費都得到降低，對成形工藝來說，也有利于材料應(yīng)力、應(yīng)變對稱均勻，還提高了生產(chǎn)效率，降低了能源消耗。雙件生產(chǎn)的最新發(fā)展趨勢是內(nèi)外板同時生產(chǎn)，優(yōu)點是生產(chǎn)數(shù)量匹配，還可同時送焊裝線及時壓合，物流順暢、便捷。

圖5 雙槽沖壓成形技術(shù)

圖6 一模四件沖壓成形技術(shù)

級進沖壓的成形新工藝

級進組合沖壓模具（圖7）已在發(fā)達國家汽車工業(yè)中普遍應(yīng)用，其優(yōu)點是生產(chǎn)率高、模具成本低、不需要板料剪切。與多工位壓力機上使用的階梯模相比，級進模可節(jié)約30%的成本，但其應(yīng)用受拉伸深度、導向和傳輸?shù)膸Р倪吘壊牧媳砻嬗不南拗?，主要用于拉伸深度比較淺的簡單零件，如圖8所示。

圖7 級進沖壓模具

圖8 級進沖壓生產(chǎn)樣件

熱沖壓的成形新工藝

熱沖壓成形是指將坯料加熱到再結(jié)晶溫度以上某一適當溫度，使板料在奧氏體狀態(tài)下進行成形，降低板料成形時的流動應(yīng)力，提高板料的成形性。如圖9、10所示為熱沖壓成形的工藝流程和裝備。

圖9 熱沖壓成形的工藝流程

內(nèi)高壓成形新工藝

為了提高車身的碰撞安全性同時達到節(jié)能降耗的目的，奇瑞公司目前必須要考慮在副車架、排氣系統(tǒng)等方面逐步嘗試并推廣應(yīng)用內(nèi)高壓成形件。在理論研究方面，哈工大苑世劍教授帶領(lǐng)的團隊從事液壓成形技術(shù)研究和開發(fā)工作二十余年，開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的內(nèi)高壓成形設(shè)備，研究成果已經(jīng)在國產(chǎn)轎車關(guān)鍵零件上批量應(yīng)用，形成了比較系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)。在行業(yè)發(fā)展方面，國內(nèi)寶鋼已經(jīng)建成投產(chǎn)了一條內(nèi)高壓成形線。同時，國內(nèi)其他企業(yè)如天津順噠，舜江等都在介入這個產(chǎn)業(yè)，所以液壓成形件的應(yīng)用也在逐漸得到普遍應(yīng)用。液壓成形（Hydroforming）是指利用液體作為傳力介質(zhì)或模具使工件成形的一種塑性加工技術(shù)，也稱液力成形，按照使用的液體介質(zhì)分為水壓成形和油壓成形，如圖11、12所示為內(nèi)高壓成形的原理和主要設(shè)備。

圖10 熱沖壓成形工藝裝備

圖11 管件內(nèi)高壓成形原理

圖12 內(nèi)高壓成形的主要設(shè)備

內(nèi)高壓成形特點是整體成形軸線為二維或三維曲線的異截面空心零件，從管材初始圓形截面可以成為矩形、梯形、橢圓形或其他異型形的封閉截面。內(nèi)高壓技術(shù)是適應(yīng)飛機和汽車等運輸工具結(jié)構(gòu)輕量化發(fā)展起來的先進制造技術(shù)。內(nèi)高壓成形件，具有的優(yōu)點是：減輕重量，節(jié)約材料；可以減少零件數(shù)量、后續(xù)機械加工量和組焊量；提高強度和剛度，尤其是疲勞強度；材料利用率提高，內(nèi)高壓成形利用率可達到95%～98%；降低生產(chǎn)成本，降低15%～20%，模具費用降低20%～30%；生產(chǎn)過程綠色環(huán)保。

TRB連續(xù)變截面板的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用

TRB連續(xù)變截面板的制造工藝

TRB（Tailor Rolling Blank）是一種新的軋制工藝──柔性軋制技術(shù)而獲得的連續(xù)變截面薄板。柔性軋制技術(shù)類似于傳統(tǒng)軋制加工方法中的縱軋工藝，其最大不同之處是在軋制過程中，軋輥的間距可以實時地調(diào)整變化，從而使軋制出的薄板在沿著軋制方向上具有預先定制的變截面形狀。在柔性軋制過程中，可以通過計算機對軋機的實時控制來自動和連續(xù)地調(diào)整軋輥的間距，從而實現(xiàn)由等厚度板卷到TRB板卷的軋制。這就要求在設(shè)計車身時必須預先考慮到后續(xù)成形加工中鋼板各個部位的實際受力和變形以及整個車身的承載情況，在軋制之前選定有利于后續(xù)加工的板料型面。TRB連續(xù)變化的截面提供了有利于后續(xù)成形加工的可能性。比如，事先運用有限元分析或數(shù)字模擬技術(shù)判斷車身覆蓋件在沖壓過程中可能出現(xiàn)拉裂或材料流動性較大的部位；那么，在車身設(shè)計階段就可以為某一部件的某個部位預先分配較大的板料厚度，從而有效地避免廢品的發(fā)生。

Mubea公司的TRB研究狀況

為降低生產(chǎn)應(yīng)用成本，Mubea公司與德國亞琛工業(yè)大學合作3年內(nèi)開發(fā)出一種新型控制系統(tǒng)，成功實現(xiàn)鋼板的連續(xù)軋制。目前，該技術(shù)為Mubea公司獨家擁有，開發(fā)的TRB板已經(jīng)廣泛應(yīng)用在多個高端品牌汽車沖壓件上。柔性軋制的部件與傳統(tǒng)的部件相比，具有的優(yōu)點是：單個零件減重大于20%；對高載荷區(qū)的局部加強可改善碰撞性能；通過零件的整合減少零件數(shù)量并降低生產(chǎn)成本；優(yōu)異的計算精度（±50μm）；連續(xù)厚度變化而具有杰出的加工性能；寬廣的材料范圍（從低碳鋼到熱成形材料）；嚴密的材料規(guī)范；適當?shù)某杀緦崿F(xiàn)輕量化。某車型橫梁、縱梁的TRB應(yīng)用情況如圖13、14所示。

圖13 某車型橫梁TRB應(yīng)用

圖14 某車型縱梁TRB應(yīng)用

結(jié)束語

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，汽車沖壓領(lǐng)域的新技術(shù)、新工藝層出不窮，沖壓領(lǐng)域的新技術(shù)、新工藝的應(yīng)用必將給汽車制造行業(yè)帶來革新。