徐振海, 單德彬

(1.金屬精密熱加工國家級重點實驗室(哈爾濱工業(yè)大學(xué))，哈爾濱 150001；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150001)

近年來，隨著能源和環(huán)境問題的日益嚴(yán)峻，作為能源消耗和污染物排放主要來源的汽車在降低能耗、減少排放和提高燃油效率方面受到愈發(fā)嚴(yán)苛的要求，新一輪的汽車節(jié)能減排標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)、政策措施制定和加嚴(yán)活動正在全球范圍內(nèi)展開[1].節(jié)能減排目標(biāo)僅依靠傳統(tǒng)燃油動力系統(tǒng)的優(yōu)化難以實現(xiàn)，鑒于汽車整車質(zhì)量每減輕10%油耗可降低1.9%～8.2%的研究結(jié)果[2]，輕量化成為另一重要舉措,而采用非常規(guī)燃油作為動力源則是汽車發(fā)展的必然趨勢[3].新能源汽車為了達(dá)到更長的續(xù)駛里程，增加電池等以儲備更多電能是必不可少的，因此，其輕量化的需求比傳統(tǒng)燃油車更為突出.

汽車輕量化主要通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、輕量化材料應(yīng)用和先進(jìn)制造技術(shù)來實現(xiàn).當(dāng)前，用以代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼材的輕量化材料主要有超高強(qiáng)鋼、鋁合金、鎂合金和纖維增強(qiáng)塑料，表1表明鋁合金在技術(shù)成熟度、價格、減重能力和汽車制造商采用的方便性等方面綜合指標(biāo)較高[4]，并且95%可回收再生，成為當(dāng)前首選的輕量化材料.鋁合金易于鑄造，目前已廣泛應(yīng)用于發(fā)動機(jī)氣缸體、活塞和車輪等鑄件.但受限于板材成形的困難，采用高成本、低效率的板材成形技術(shù)實現(xiàn)的全鋁車身主要應(yīng)用在低量產(chǎn)的高端跑車、運動賽車和豪華轎車上，例如本田NSX、奧迪A8、捷豹XE和特斯拉Model S等；而福特2015款皮卡F-150依靠高量產(chǎn)緩解成形技術(shù)升級的投資，開創(chuàng)了全鋁車身在低端車輛中應(yīng)用的先河.與此同時，部分汽車制造商不再追求車身使用單一材料，而是不同部位選用不同的材料以實現(xiàn)燃油經(jīng)濟(jì)性、成本和性能的綜合最優(yōu)化.這種設(shè)計演變推動了鋁合金板在汽車車身的更大市場的滲透.

表1 輕量化材料的比較[4]

說明：符號 + 的多少表示制造商采用的方便性程度.

為了滿足汽車行業(yè)的巨大需求，幾乎全世界的大型鋁材生產(chǎn)商都改擴(kuò)建和新建汽車車身鋁合金板生產(chǎn)線，1998—2017年間國外投產(chǎn)項目達(dá)22個,國內(nèi)2個，我國另有7個生產(chǎn)線在建，產(chǎn)能預(yù)計可以滿足汽車工業(yè)2027年以前對車身鋁合金板的需求[5].另一方面，鋁合金板在車身中的廣泛應(yīng)用迫切需要板材高效、低成本成形技術(shù)的支撐.沖壓技術(shù)具有生產(chǎn)效率高、材料利用率高、成形件精度較高、大批量生產(chǎn)時成本低的優(yōu)點，在汽車車身構(gòu)件規(guī)模生產(chǎn)中具有巨大優(yōu)勢.

1 冷沖壓和特種成形技術(shù)

目前，應(yīng)用于汽車車身的鋁合金板主要有不可熱處理的5000系(Al-Mg)和可熱處理的6000系(Al-Mg-Si)、7000系(Al-Zn-Mg-Cu).5000系鋁合金具有相對較好的成形性和耐蝕性，但表面質(zhì)量難以控制，主要用于車身內(nèi)板；6000系鋁合金具有良好的綜合性能，主要用于車身外板；7000系鋁合金價格更高，但更高的強(qiáng)度可使應(yīng)用的板材更薄而進(jìn)一步減重，并且其有用作車身高負(fù)載結(jié)構(gòu)件的潛力.室溫下鋁合金的延伸率普遍低于30%，部分牌號7000系高強(qiáng)鋁合金的延伸率不足10%，其板材室溫成形性較差，利用傳統(tǒng)的鋼板冷沖壓技術(shù)僅能成形出形狀簡單、變形量不大的鋁合金零件，而形狀復(fù)雜的只能采用分別沖壓后再連接的方法實現(xiàn)，導(dǎo)致生產(chǎn)效率降低和成本增加.此外，成形件回彈較大.合金元素的添加和熱處理工藝的優(yōu)化對這些問題的緩解已達(dá)極限，研究重點轉(zhuǎn)移到將不同的制造技術(shù)引入到鋁合金板的成形中，已取得了不同程度的研究進(jìn)展和工業(yè)應(yīng)用.

板材液壓成形采用液體介質(zhì)代替剛性模具傳遞載荷，使板材貼靠凸?；虬寄＃ㄟ^控制液體介質(zhì)的壓力和壓邊力使板材成形為所需形狀的曲面零件(圖1(a)).板材變形時特定的應(yīng)力狀態(tài)和邊界條件提高了其成形極限，已應(yīng)用于鋁合金車身覆蓋件的成形，但該方法需要配合液體補充等輔助工序，生產(chǎn)效率較低[6].

圖1 板材液壓成形(a)和超塑性成形(b)的原理圖

Fig.1 Schematics of the sheet hydroforming (a) and superplastic forming (b)

超塑性成形利用金屬在特定條件下塑性顯著提高的特點，在熱環(huán)境中對板材的一側(cè)施加一定壓力的氣體，吹脹使板材貼靠凹模(圖1(b)).超塑性成形能夠成形各種具有復(fù)雜特征的大截面零件，載荷小，模具材料強(qiáng)度要求低，凸模簡化為平板，設(shè)備和模具投入成本低.然而，超塑性成形要求鋁合金具有均勻的微細(xì)等軸晶粒(通常小于10 μm)，且變形時不易長大；變形溫度大于0.5Tm(Tm為熔點溫度)，且保持恒定；應(yīng)變速率為10-4～10-3s-1.嚴(yán)苛的微觀組織要求限定了可用的板材主要是特殊工藝制備的5000系鋁合金板，成本甚高；同時，極低的應(yīng)變速率制約了生產(chǎn)速度，盡管通過一模多件和與沖壓預(yù)成形復(fù)合等措施緩解了該問題，但不足以扭轉(zhuǎn)熱脹成形僅適用于高檔汽車零件的小批量量產(chǎn)的境況[7].為此，通用汽車公司改進(jìn)了傳統(tǒng)的超塑性成形工藝，以提高設(shè)備和模具成本為代價降低成形溫度、提升成形的應(yīng)變速率(10-3～10-1s-1)，成形板材可選用改進(jìn)的低成本5083鋁合金，已在車身覆蓋件中得到較大規(guī)模的應(yīng)用[8].盡管如此，超塑性成形要求坯料有冗余來保證充氣密封，成形后需要額外的切邊工序，這些缺點制約著降低成本和提高生產(chǎn)效率的空間.

電水成形實驗表明,應(yīng)變速率達(dá)到103s-1量級時,6022-T4和7075-T6鋁合金的室溫可成形性分別提高70%和100%[9].但電水成形放電時易產(chǎn)生泄漏和飛濺，難于生產(chǎn)應(yīng)用.電磁成形則是更易于實施的高速成形方法，但該過程中僅有小部分能量轉(zhuǎn)化為變形能，因此僅適于較小的零件成形[10].

綜上所述，冷沖壓受限于鋁合金較低的室溫成形性，在車身構(gòu)件成形中應(yīng)用范圍有限；電水成形和電磁成形雖通過高應(yīng)變速率顯著提高了鋁合金的室溫成形性，但當(dāng)前的技術(shù)水平還不適于工業(yè)化應(yīng)用；設(shè)備和模具投入成本較低的板材液壓成形和超塑性成形生產(chǎn)效率低，適于較低量產(chǎn).鑒于沖壓件成本隨著量產(chǎn)增加而降低的特性，汽車行業(yè)大批量生產(chǎn)的需求促使對沖壓技術(shù)的改進(jìn)成為必然，其中，將熱處理集成到?jīng)_壓中形成的熱處理-沖壓一體化技術(shù)成為重要發(fā)展方向.

2 熱處理-沖壓一體化技術(shù)

對于熱處理-沖壓一體化技術(shù)，不僅要考慮回復(fù)和再結(jié)晶對鋁合金組織和力學(xué)性能的影響，更要關(guān)注引入的熱處理對合金狀態(tài)的改變.此外，在汽車制造工藝中，成形件經(jīng)歷大約一周的室溫停放和組裝后將進(jìn)入涂裝環(huán)節(jié)，涂裝包括一系列油(水)漆烘烤固化過程，依次為180～190 ℃、10～20 min的電泳烘烤，160～170 ℃、15～20 min的中涂層烘烤和130～140 ℃、15～25 min的面漆烘烤，一般將其模擬為170～180 ℃、20～30 min的人工時效處理[11].因此，熱處理-沖壓一體化工藝還應(yīng)注意與該烘烤時效的協(xié)調(diào)匹配，使構(gòu)件性能最優(yōu)，實現(xiàn)控形與控性.

2.1 中間退火-沖壓一體化技術(shù)

2004年通用汽車公司發(fā)明了圖2(a)所示的中間退火-沖壓一體化技術(shù)：預(yù)測零件一次冷沖壓時最大變形處達(dá)到材料應(yīng)變極限的沖壓量→按該沖壓量冷沖壓預(yù)成形→中間退火→二次冷沖壓[12].中間退火使鋁合金發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶，消除了預(yù)沖壓引起的硬化和內(nèi)應(yīng)力，塑性得以恢復(fù)，進(jìn)而可提高合金的總變形量.預(yù)沖壓和二次沖壓可在同一套模具中進(jìn)行，只需控制凸模不同行程；亦可在兩套模具中依次完成，有助于提高生產(chǎn)效率.圖2(b)是采用該技術(shù)成形出的5182-O鋁合金門內(nèi)板[13]，中間退火需將預(yù)成形件轉(zhuǎn)移到模外加熱爐內(nèi)加熱20 min，生產(chǎn)周期長，不適于工業(yè)大批量生產(chǎn).鑒于沖壓時零件變形不均勻，預(yù)成形后僅局部區(qū)域的變形量接近板材的應(yīng)變極限，可采用感應(yīng)線圈局部加熱使之回復(fù)和再結(jié)晶.5182-O鋁合金提升式后端車門內(nèi)板的成形實驗表明局部感應(yīng)加熱將退火時間由20 min減小到15 s，而且，加熱時將預(yù)成形件保留在模具內(nèi)，避免了零件的轉(zhuǎn)移操作而省時省力；但感應(yīng)加熱較大區(qū)域時，溫度場的均勻性有待提高[14].

圖2中間退火-沖壓一體化技術(shù)的工藝流程(a)和成形出的5182-O鋁合金門內(nèi)板(b)[13]

Fig.2 Technological process of the intermediate annealing-stamping integrated method (a) and the formed 5182-O aluminium alloy door inner panel (b)[13]

Golovashchenko和Krause[15]將爐內(nèi)整體中間退火→冷沖壓這一工序重復(fù)多次，成形出6111-T4鋁合金杯凸件，將鋁合金的延伸率由原始板材的25%提高到45%.同時，拉伸實驗表明250 ℃、30 s的退火對烘烤時效影響不大.然而，Wang等[16]針對6000系T4鋁合金的實驗表明，425 ℃、10 s的退火在提高塑性的同時顯著降低了烘烤時效后的強(qiáng)度.可行的解決方案是，僅對零件的局部高應(yīng)變區(qū)退火以消除加工硬化利于再次冷沖壓，然后利用后續(xù)變形所引起的該區(qū)的加工硬化補償烘烤時效時強(qiáng)度提升的不足.

2.2 W態(tài)下沖壓技術(shù)

可熱處理的6000和7000系鋁合金固溶處理淬火后處于W態(tài)，強(qiáng)度顯著降低而易于變形，同時表現(xiàn)出更強(qiáng)的應(yīng)變強(qiáng)化能力而易于拉深，因此，其W態(tài)下沖壓可成形出比傳統(tǒng)冷沖壓更為復(fù)雜的構(gòu)件；但合金淬火后即開始自然時效而進(jìn)入T4態(tài)，所以要求固溶處理淬火后即沖壓.圖3對比表明，對于無法直接冷沖壓的7075-T6鋁合金板，固溶處理淬火后W態(tài)下可冷沖壓出無缺陷的B柱[17].

圖3 7075鋁合金板T6態(tài)和W態(tài)下冷沖壓出的B柱[17]

Fig.3 B-pillar parts cold-stamped using the 7075 aluminium alloy sheets at T6-temper and W-temper[17]

W態(tài)下沖壓在冷沖壓工藝流程中增加沖壓前的固溶處理即可實現(xiàn)，但需要添加額外的變形后熱處理使成形件獲得高強(qiáng)度.此外，對板材成形性的提高有限，淬火和沖壓工步分別進(jìn)行，生產(chǎn)周期長.

2.3 溫沖壓技術(shù)

1946年Finch等研究發(fā)現(xiàn)，鋁合金板在200 ℃下的拉深極限可大幅提高；1976年克萊斯勒公司發(fā)明了溫沖壓熱處理或冷加工強(qiáng)化后的高強(qiáng)鋁合金板的方法[18]，并在100～350 ℃內(nèi)沖壓出幾種車用鋁合金件；1978年通用汽車公司在大約180 ℃下沖壓出5082-O鋁合金油底殼[19].然而，由于當(dāng)時溫沖壓過程溫度控制的困難和生產(chǎn)效率的低下，同時，汽車空氣動力學(xué)設(shè)計和發(fā)動機(jī)效率的提高大大增強(qiáng)了汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性，從而減弱了輕量化的需求，最終導(dǎo)致了20世紀(jì)后期車用鋁合金板溫成形技術(shù)研發(fā)的停滯.近年汽車輕量化的緊迫需求使鋁合金板溫成形技術(shù)再次回到人們的視野，2004年肯聯(lián)鋁業(yè)提出了針對0.5～5 mm厚5000系鋁合金板在100～350 ℃內(nèi)沖壓成形的方法[20].

隨著溫度的提高，鋁合金應(yīng)變強(qiáng)化作用減弱，但應(yīng)變速率敏感因子由室溫下的零或較小的負(fù)數(shù)增大為正數(shù)，使得應(yīng)變速率強(qiáng)化作用增強(qiáng)，有利于成形性的提高.文獻(xiàn)[21-22]綜述了溫度、應(yīng)變速率、壓邊力、拉深筋和潤滑等對鋁合金板溫成形的作用，并列舉了在鋁合金板溫成形的加熱方法和數(shù)值模擬方面的研究進(jìn)展.5000系鋁合金在溫成形溫度區(qū)間成形性提高顯著，其板材溫沖壓研究廣泛，而對于6000和7000系鋁合金，成形溫度和時間的控制要求更為嚴(yán)苛，否則合金的T6態(tài)將有可能被不可逆轉(zhuǎn)地破壞，引起合金強(qiáng)度的下降，從而失去采用高強(qiáng)鋁合金的意義.

生產(chǎn)工藝中，一般為了避免板材變形前溫度的降低，凹模和壓邊圈需要加熱，而為了提高沖壓件傳力側(cè)壁的強(qiáng)度，沖頭一般保持在相對較低的溫度，即合理控制板材溫度梯度可實現(xiàn)較好的溫沖壓效果[21-22].而福特汽車公司等則提出了采用室溫模具的非等溫溫沖壓技術(shù)，250 ℃板材溫度下試制出圖4(a)所示冷沖壓無法實現(xiàn)的5182-O鋁合金門內(nèi)板[23-24].凹模中復(fù)雜的加熱設(shè)備、凸模中冷卻設(shè)備和相應(yīng)的溫度控制系統(tǒng)的舍棄顯著降低了成本，模具溫度控制過程的簡化大大提高了生產(chǎn)效率.圖4(b)顯示了捷豹路虎公司采用溫沖壓技術(shù)量產(chǎn)的5182-O鋁合金門內(nèi)板，其拉伸深度高達(dá)165 mm，但具體工藝未見報道[24].圖4(c)是7075-T6鋁合金板材200 ℃下溫沖壓出的側(cè)面防撞梁，已量產(chǎn)裝配在寶馬i8車型上[25].

2.4 熱沖壓技術(shù)

帝國理工林建國教授等2005年開始研究將W態(tài)下沖壓的淬火和沖壓結(jié)合起來的可行性，即淬火的同時進(jìn)行高溫沖壓[26]；2007年提出了針對可熱處理鋁合金板的熱沖壓技術(shù)，即固溶處理-成形-冷模內(nèi)淬火(solution heat treatment, forming and cold-die quenching, HFQ)技術(shù)[27]，也常被稱作熱成形-淬火一體化[28]，其過程如圖5所示.首先將鋁合金板加熱到固溶溫度，完全固溶后快速轉(zhuǎn)移到冷模具上沖壓成形，然后在冷模具內(nèi)保壓淬火.熱成形使鋁合金板的成形性大幅提高，可一次成形具有復(fù)雜形狀的零件；同時回彈小，模內(nèi)淬火可有效避免熱畸變.

圖4試制和量產(chǎn)的鋁合金溫沖壓件[23-25]:(a)福特汽車公司等采用冷沖壓和溫沖壓技術(shù)試制的5182-O鋁合金門內(nèi)板對比；(b)捷豹路虎公司量產(chǎn)的5182-O鋁合金門內(nèi)板；(c)應(yīng)用于寶馬i8的7075-T6鋁合金側(cè)防撞梁

Fig.4 Warm-stamped aluminium alloy parts in the trial production condition or in the mass production condition[23-25]: (a) the comparison of the door inner panel of 5182-O aluminium alloy formed by cold stamping and that formed by warm stamping by Ford Motor Company; (b) the door inner panel of 5182-O aluminium alloy by Jaguar Land Rover Limited; (c) the side impact protection of 7075-T6 aluminium alloy used in the BMW i8 model

圖5 鋁合金板HFQ工藝流程[29]

Fig.5 The technological process of HFQ of aluminium alloy sheets[29]

圖6是幾種可熱處理鋁合金的溫度-時間-性能(TTP)曲線[30]，可見不同的鋁合金表現(xiàn)出不同的淬火敏感性，要求每種鋁合金板熱沖壓過程中的淬火冷卻速率必須大于各自的臨界冷卻速率，以防止在淬火敏感溫度區(qū)間析出第二相而影響時效強(qiáng)化效果.例如，對于7075鋁合金，冷卻速率要大于圖中曲線1對應(yīng)的數(shù)值.在研究鋁合金淬火敏感性的基礎(chǔ)上，揭示模具與板材界面?zhèn)鳠釞C(jī)制和計算界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)是優(yōu)化模具設(shè)計和工藝參數(shù)從而實現(xiàn)合理淬火冷卻速率的關(guān)鍵.Liu等[31]和Ying等[32]揭示了接觸壓強(qiáng)、表面粗糙度和潤滑條件等對界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)(IHTC)的作用，并計算了不同實驗條件下的IHTC值.但這些求解IHTC的實驗方法均為非標(biāo)準(zhǔn)的，不利于其他學(xué)者借鑒和工業(yè)應(yīng)用，熱沖壓條件下求解IHTC的標(biāo)準(zhǔn)方法亟待建立.

圖6 幾種鋁合金的TTP曲線(95%拉伸強(qiáng)度)[30]

Fig.6 TTP curves of several aluminium alloys (at 95% of maximum tensile stress)[30]

鋁合金的熱傳導(dǎo)率大，加熱后的板材在轉(zhuǎn)移和合模前停留過程中易散熱，一方面，可能導(dǎo)致成形溫度錯過最佳溫度；另一方面，圖6還表明鋁合金的淬火敏感溫度區(qū)間接近其固溶溫度，易導(dǎo)致成形溫度進(jìn)入淬火敏感溫度區(qū)間，或者增大淬火時的臨界冷卻速率，如圖中冷卻曲線2所示.因此，熱沖壓過程要求縮短上述散熱過程，對加熱、板材轉(zhuǎn)移和成形等設(shè)備提出了更高的要求.苑世劍等[33]提出了上模冷態(tài)、下模熱態(tài)的冷熱復(fù)合模成形方法，來減小成形前板材溫度的降低，成形后成形件隨冷態(tài)上模一起上移并完成淬火過程，開辟了新的熱成形工藝.

鋁合金對鐵元素具有很強(qiáng)的親和力，造成其沖壓時易粘模，改善模具和板材間的潤滑狀態(tài)是熱沖壓實施的要求.Ghiotti等[34]揭示了不同潤滑劑在熱沖壓條件下的潤滑機(jī)制，Dong等[35]的研究表明模具表面涂層可大幅減少潤滑劑的使用量，Hu等[36]提出了交互摩擦模型，來預(yù)測鋁合金表面摩擦系數(shù)隨滑動和潤滑條件的演化，以及潤滑劑的有效壽命.摩擦問題是邊界條件高度非線性的復(fù)雜問題，熱沖壓過程中板材與模具間的摩擦系數(shù)是兩者表面狀態(tài)，潤滑劑種類、用量和分布，以及壓力、速率和溫度等工藝參數(shù)的多變量函數(shù)，其求解精度對沖壓件的成形質(zhì)量和成形過程穩(wěn)定性至關(guān)重要.此外，文獻(xiàn)[28]綜述了熱沖壓條件下鋁合金板的成形性和強(qiáng)化規(guī)律、熱沖壓數(shù)值模擬等方面的研究.

2010年HFQ技術(shù)首次應(yīng)用于圖7(a)所示真實的汽車構(gòu)件，冷沖壓6082-T6鋁合金板導(dǎo)致構(gòu)件拉斷，而采用HFQ技術(shù)則可獲得滿足尺寸精度的沖壓件[37].圖7(b)表明HFQ對于6082拼焊板成形具有很好的適應(yīng)性[38].福特汽車公司熱沖壓出圖7(c)所示的B柱，坯料為7075-T6鋁合金，固溶處理爐內(nèi)加熱30 min，成形周期為29 s，最后對成形件按照美國標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行120 ℃、24 h人工時效.與變形前T6態(tài)的坯料相比，熱沖壓件人工時效后其力學(xué)性能基本恢復(fù)到T6態(tài)，其晶粒尺寸和形狀沒有明顯變化[39].肯聯(lián)鋁業(yè)熱沖壓出圖7(d)所示的7000系鋁合金B(yǎng)柱，工藝參數(shù)為：固溶處理加熱8 min，成形周期大約為20 s[40].2013—2014年，HFQ技術(shù)開始應(yīng)用于量產(chǎn)車鋁合金構(gòu)件的成形，構(gòu)件包括圖7(e)所示阿斯頓·馬丁DB11的A柱和路特斯Evora 400R的腳踏板[38].

圖7試制和量產(chǎn)的鋁合金熱沖壓件[37-40]:(a)6082-T6鋁合金板熱沖壓件與冷沖壓件的對比；(b)6082鋁合金拼焊板內(nèi)門板；(c)7075鋁合金B(yǎng)柱；(d)7000系鋁合金B(yǎng)柱；(e)量產(chǎn)的6082鋁合金A柱

Fig.7 Hot-stamped aluminium alloy parts in the trial production condition or in the mass production condition[37-40]: (a) the comparison of the hot-stamped 6082-T6 aluminium alloy part and cold-stamped one; (b) the door inner panel of 6082 aluminium alloy by stamping the tailor-welded blank; (c) the B-pillar part of 7075 aluminium alloy; (d) the B-pillar part of 7000 aluminium alloy; (e) the apillar part of 6082 aluminium alloy

熱沖壓的缺點是高溫成形，鋁合金的強(qiáng)度較低，易在板材轉(zhuǎn)移和成形過程中形成表面劃痕而影響表面質(zhì)量,需要添加額外的熱處理使成形件獲得高強(qiáng)度.顯然，文獻(xiàn)[39]中所采用的標(biāo)準(zhǔn)熱處理所需時間過長，不適于沖壓件堆垛熱處理，需要開發(fā)與熱變形及烘烤時效匹配的快速強(qiáng)化熱處理工藝.

2.5 不同熱處理-沖壓一體化技術(shù)的比較

可熱處理鋁合金車身構(gòu)件的綜合力學(xué)性能通過加工和相應(yīng)的熱處理工藝獲得特定的微觀組織，尤其是涂裝烘烤時人工時效析出的強(qiáng)化相來獲得.中間退火-沖壓一體化技術(shù)和溫沖壓的熱過程控制目標(biāo)分別是短時局部加熱和不產(chǎn)生回復(fù)和再結(jié)晶的低溫加熱，沖壓件的力學(xué)性能主要由變形前板材生產(chǎn)過程和最后的涂裝烘烤決定；而W態(tài)下沖壓和熱沖壓變形前都需對板材進(jìn)行固溶處理，板材生產(chǎn)獲得的調(diào)控性能被破壞，變形后直接涂裝烘烤時效不足以使沖壓件的力學(xué)性能達(dá)到最優(yōu)，需要額外的預(yù)時效熱處理與變形及烘烤時效協(xié)調(diào)匹配，從而使沖壓件的性能達(dá)到要求.因此，熱處理-沖壓一體化工藝的制定不應(yīng)孤立考慮某一制度，而應(yīng)綜合考察整個板材制備、變形加工和熱處理過程對其性能的影響，注意其間的協(xié)調(diào)匹配，從而制定出基于全生產(chǎn)鏈的最優(yōu)化的工藝制度，實現(xiàn)構(gòu)件的形狀和力學(xué)性能的協(xié)同控制.例如，Kumar和Ross[41]的研究表明，不同狀態(tài)的Al-Zn-Mg合金溫成形后，經(jīng)過不同的烘烤時效得到?jīng)_壓件的力學(xué)性能不同，通過比較可得使沖壓件力學(xué)性能最優(yōu)的工藝參數(shù).實現(xiàn)構(gòu)件控形控性目的本質(zhì)上要求揭示鋁合金在化學(xué)成分、沖壓加工和熱處理等多重因素作用下的力學(xué)響應(yīng)，尤其是力場-熱場對微觀組織演化和力學(xué)性能調(diào)控的耦合作用機(jī)制.

熱處理-沖壓一體化技術(shù)的基本理論和工藝研究開展的同時，全球各大設(shè)備制造商也正在加緊研制相應(yīng)的專用生產(chǎn)設(shè)備.Schuler公司已改進(jìn)其高強(qiáng)鋼的熱沖壓生產(chǎn)線以適用于鋁合金板的熱沖壓；而AP&T公司已經(jīng)研制出適于鋁合金板溫沖壓、W態(tài)下沖壓和熱沖壓的多功能沖壓生產(chǎn)線，其配備了新型低能耗、高速壓機(jī)，適于非磁性板料拾取的傳送裝置，快速升溫、高精度的新型多層箱式加熱爐(圖8(a))[42].與傳統(tǒng)的輥底式加熱爐(圖8(b))相比，多層箱式加熱爐逐漸表現(xiàn)出更多的優(yōu)勢：占地面積顯著減小；板材定位更精確；一個爐單元發(fā)生故障停機(jī)，其他單元仍可繼續(xù)照常使用；無爐內(nèi)運動機(jī)構(gòu)，板材與爐底無接觸摩擦，利于避免板材表面劃痕；整體運動部件少，維修保養(yǎng)成本低.但這兩種工業(yè)中應(yīng)用的加熱爐依靠熱輻射和對流來加熱，升溫速度有限，如能提高加熱速率則可縮短生產(chǎn)周期、節(jié)約生產(chǎn)成本并提高生產(chǎn)效率.將被加熱板材與電源連接構(gòu)成回路的自阻加熱，可獲得1×102～103℃/s的加熱速度，但非矩形板材在電極間電阻非均勻分布將導(dǎo)致溫度分布的不均勻[43].縱向磁通感應(yīng)加熱已在實驗室中實現(xiàn)硼鋼板的快速均勻加熱[44]，但與鋼材相比，鋁合金磁導(dǎo)率更低，且沒有磁滯發(fā)熱，使得加熱效率大大降低.橫向磁通感應(yīng)加熱依靠帶材相對感應(yīng)線圈的勻速運動實現(xiàn)均勻加熱[45]，其中帶材只有寬度方向有兩個平行自由邊，而沖壓板材通常具有優(yōu)化的非規(guī)則外形，亦難實現(xiàn)均勻加熱.快速加熱技術(shù)有待突破.

圖8 多層箱式加熱爐(a)和輥底式加熱爐(b)[42]

Fig.8 Multi-layer chamber heating furnace (a) and roller hearth heating furnace (b)[42]

表2比較了不同的熱處理-沖壓一體化技術(shù)，其中冷沖壓列于表中作為參考.可見，這些技術(shù)各具優(yōu)缺點，應(yīng)根據(jù)沖壓件的形狀、產(chǎn)量和性能要求等綜合考慮選擇合理的成形方法.

表2不同熱處理-沖壓一體化技術(shù)的優(yōu)缺點

Table 2 Advantages and disadvantages of different heat treatment-stamping integrated techniques

成形技術(shù)成形性生產(chǎn)周期成形件強(qiáng)度尺寸精度表面質(zhì)量冷沖壓o++o+++中間退火-沖壓+o-o+溫沖壓+++-oW態(tài)下沖壓+--++++o熱沖壓++-++++-

說明：符號 +、o、- 分別表示“優(yōu)”、“中”、“差”.

3 展 望

隨著能源、環(huán)保壓力的不斷增大，對汽車輕量化的需求愈發(fā)強(qiáng)烈，高比強(qiáng)度鋁合金板在車身中普及成為重要發(fā)展方向，但鋁合金室溫下較低的成形性限制了其應(yīng)用.超塑性成形等特種板材成形技術(shù)適于鋁合金板車身構(gòu)件的小批量生產(chǎn)，而沖壓技術(shù)具有生產(chǎn)效率高、材料利用率高、成形件精度較高、大批量生產(chǎn)時成本低的優(yōu)點，在構(gòu)件大批量生產(chǎn)中具有巨大優(yōu)勢.因此，各種熱處理-沖壓一體化技術(shù)應(yīng)運而生.盡管這些一體化技術(shù)特點各異，但是不同于冷沖壓，都需要額外關(guān)注如下幾點：

1)快速加熱技術(shù).變形前加熱是熱處理-沖壓一體化技術(shù)的先決工步，應(yīng)用快速加熱技術(shù)可縮短生產(chǎn)周期、節(jié)約生產(chǎn)成本并提高生產(chǎn)效率.

2)快速成形技術(shù).板材成形溫度區(qū)間較窄，要求盡量縮短板材從加熱設(shè)備到模具轉(zhuǎn)移的時間和隨后的合模時間，避免不必要的熱量損失，保證變形發(fā)生在最優(yōu)的溫度.

3) 專用鋁合金板材.一方面，開發(fā)適于熱處理-沖壓一體化工藝特點的低成本鋁合金板材，另一方面，開發(fā)性能全面的鋁合金板材，減少車用板材牌號的數(shù)量，利于分類回收.

4)鋁合金多物理場作用下力學(xué)響應(yīng)機(jī)制.揭示鋁合金在化學(xué)成分、沖壓加工和熱處理等多重因素作用下的力學(xué)響應(yīng)，尤其是力場-熱場對微觀組織演化和力學(xué)性能調(diào)控的耦合作用機(jī)制，為實現(xiàn)控形控性提供理論基礎(chǔ).

5)板材制備-成形-熱處理協(xié)調(diào)匹配.熱處理-沖壓一體化工藝的制定不應(yīng)孤立考慮某一制度，而應(yīng)綜合考察整個板材制備、變形加工和熱處理過程對其性能的影響，注意其間的協(xié)調(diào)匹配，從而制定出基于全生產(chǎn)鏈的最優(yōu)化的工藝制度，實現(xiàn)構(gòu)件的形狀和力學(xué)性能的協(xié)同控制.

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