文/李儉·東風(fēng)商用車(chē)有限公司車(chē)身廠(chǎng)

熱沖壓成形工藝探討

文/李儉·東風(fēng)商用車(chē)有限公司車(chē)身廠(chǎng)

熱沖壓成形工藝是汽車(chē)行業(yè)近年來(lái)比較具有影響力的一項(xiàng)專(zhuān)門(mén)用于生產(chǎn)汽車(chē)超高強(qiáng)度鋼板沖壓件的先進(jìn)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(xiàn)的特點(diǎn)，同時(shí)與冷沖壓成形工藝做了相關(guān)的對(duì)比說(shuō)明，以便讀者對(duì)熱沖壓成形工藝形成一個(gè)比較完整的了解。

節(jié)油減排是當(dāng)前汽車(chē)行業(yè)降低汽車(chē)使用成本提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)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(chē)輕量化的效果最為明顯，車(chē)重減輕10%，可節(jié)約油耗3%～7%，因此，塑料、鋁合金、碳纖維、高強(qiáng)度鋼板等各種替用材料開(kāi)始在汽車(chē)制造中使用。其中，采用高強(qiáng)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(chē)重減輕，在實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化和提高汽車(chē)的安全性能方面比其他材料有明顯的優(yōu)勢(shì)，可以同時(shí)滿(mǎn)足汽車(chē)輕量化和提高安全性能的要求。因此，高強(qiáng)度鋼板在汽車(chē)領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

熱成形技術(shù)是專(zhuān)門(mén)應(yīng)用于成形超高強(qiáng)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(shí)在模具內(nèi)冷卻淬火，可以成形強(qiáng)度高達(dá)1500MPa的沖壓件，目前廣泛應(yīng)用于轎車(chē)的車(chē)門(mén)防撞梁、前后保險(xiǎn)杠等保安件以及A柱、B柱、C柱、中通道等車(chē)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(qiáng)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(shí)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(qiáng)化。成形前硼合金坯料強(qiáng)度一般在500～600MPa，成形后的沖壓件強(qiáng)度可以達(dá)到1500MPa，強(qiáng)度提高250%以上，零件硬度達(dá)到50HRC，但是伸長(zhǎng)率下降比較大，成形前硼合金鋼板伸長(zhǎng)率24%以上，成形后伸長(zhǎng)率只有8%左右，所以熱沖壓成形技術(shù)也被稱(chēng)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(chē)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(shí)間后直接放到具有冷卻系統(tǒng)的模具里進(jìn)行成形及淬火，其優(yōu)點(diǎn)如下。

①坯料在一套模具中進(jìn)行成形及淬火，節(jié)省了預(yù)成形模具費(fèi)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(jìn)行加熱。

熱沖壓成形直接成形工藝的缺點(diǎn)是復(fù)雜的車(chē)門(mén)內(nèi)零部件成形困難，且模具冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(guò)冷沖壓進(jìn)行預(yù)成形，然后加熱到奧氏體溫度，保溫一段時(shí)間后放到具有冷卻系統(tǒng)的模具里進(jìn)行最終成形及淬火，其優(yōu)點(diǎn)如下。

①可以成形具有復(fù)雜形狀的車(chē)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(guò)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(jìn)行修邊、翻邊、沖孔等工藝加工，避免淬火硬化后加工困難問(wèn)題，例如板料淬火后須用激光切割設(shè)備修邊，這會(huì)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(duì)比

零件質(zhì)量

熱沖壓成形零件的特點(diǎn)：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(guò)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(guò)程中零件不易起皺和破裂，基本沒(méi)有回彈，尺寸穩(wěn)定性比較好；⑷材料經(jīng)過(guò)加工變形和快冷，晶粒得到了細(xì)化，力學(xué)性能得到了很大的提高；⑸材料經(jīng)過(guò)變形和硬化后，強(qiáng)度提高，冷沖壓切邊沖孔已無(wú)法達(dá)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(diǎn)：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(guò)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(guò)程中產(chǎn)生了加工硬化。

生產(chǎn)線(xiàn)

熱沖壓生產(chǎn)線(xiàn)主要包括落料壓機(jī)、加熱爐、液壓機(jī)或伺服壓力機(jī)、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(jī)器人，熱沖壓成形用的液壓機(jī)或伺服壓力機(jī)噸位一般都較冷沖壓成形用的壓機(jī)噸位小，其生產(chǎn)線(xiàn)如圖2所示。

冷沖壓生產(chǎn)設(shè)備主要有開(kāi)卷線(xiàn)（圖3）、人工操作壓機(jī)生產(chǎn)線(xiàn)（圖4）或者自動(dòng)化壓機(jī)生產(chǎn)線(xiàn)（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?yuàn)A具等。

圖2 熱沖壓成形自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)

圖3 開(kāi)卷落料生產(chǎn)線(xiàn)

圖4 人工操作壓機(jī)生產(chǎn)線(xiàn)

圖5 自動(dòng)化壓機(jī)生產(chǎn)線(xiàn)

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(kāi)發(fā)流程圖

熱沖壓成形模具技術(shù)要點(diǎn)

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(duì)模具材料選擇、模具設(shè)計(jì)等方面提出了更加嚴(yán)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(shí)現(xiàn)良好的冷卻功能。模具材料還要具備良好的熱強(qiáng)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(guó)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(shí)，一般要根據(jù)具體的工作情況，參照熱鍛造模具鋼進(jìn)行選擇。

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

在冷卻機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，冷卻系統(tǒng)必須保證模具對(duì)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(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在，也是熱沖壓成形模具設(shè)計(jì)的最重要技術(shù)之一。設(shè)計(jì)冷卻管道系統(tǒng)時(shí)，可以結(jié)合數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)各管道內(nèi)的冷卻介質(zhì)的流動(dòng)情況進(jìn)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(jì)開(kāi)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(jì)、冷卻管道加工、計(jì)算機(jī)仿真分析技術(shù)、傳熱模擬等技術(shù)的集成，最終達(dá)到成形、冷卻、組織性能優(yōu)良的完美結(jié)合，其開(kāi)發(fā)流程如圖8所示。

結(jié)束語(yǔ)

實(shí)現(xiàn)車(chē)身輕量化是一個(gè)系統(tǒng)的工程，需要全面考慮材料、設(shè)計(jì)、制造工藝技術(shù)等各方面的問(wèn)題；新材料的應(yīng)用離不開(kāi)新成形制造技術(shù)的發(fā)展，超高強(qiáng)度鋼板的應(yīng)用，促進(jìn)了熱沖壓成形技術(shù)的誕生和發(fā)展，反過(guò)來(lái)熱沖壓成形技術(shù)的發(fā)展也會(huì)促進(jìn)超高強(qiáng)度鋼板材料的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)更高層次的汽車(chē)車(chē)身輕量化，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)行業(yè)節(jié)油減排，提高安全性能的根本目標(biāo)。