王樂平，董 兵，張懷良，藺文峰，張 春

(1.東風(fēng)商用車有限公司車身廠，湖北 十堰 442040；2.湖北汽車工業(yè)學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 十堰 442002)

熱沖壓成形是將板材加熱到再結(jié)晶溫度以上的某一適當(dāng)溫度后，根據(jù)材料在高溫下變形抗力降低、塑性增加的特點進(jìn)行沖壓的成形方式.[1]采用熱沖壓成形技術(shù)可顯著提高金屬板材成形后的強度，改善金屬表面硬度、抗凹性和剛度.與傳統(tǒng)的冷沖壓技術(shù)相比，它具有提高材料在成形階段的成形性、降低沖壓設(shè)備的噸位要求、可以消除零件回彈成形尺寸精度較好、能夠簡化成形模具設(shè)計工作、在同等強度要求下板材更薄易于實現(xiàn)輕量化等諸多有點.近年來隨著人們對汽車整體輕量化、外觀個性化需求的不管提高，熱沖壓技術(shù)在汽車中的應(yīng)用也具有更為廣闊的應(yīng)用前景.

1 熱沖壓成形技術(shù)及其特點

1.1 熱沖壓成形技術(shù)原理與設(shè)備

熱沖壓成形技術(shù)是利用金屬在高溫下具有良好塑性的特點，使常溫下成形性較差的金屬能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜形狀零件的沖壓成形加工.同時在沖壓模具中配有冷卻裝置，通過冷卻裝置使模具中的零件淬火冷卻，最終得到高強度的沖壓件.

熱沖壓成形的主要工藝設(shè)備包括：加熱裝置、運輸設(shè)備、沖壓成形設(shè)備、熱處理設(shè)備等.其中加熱設(shè)備是熱沖壓的重要工作設(shè)備，保證了金屬板材能夠快速加熱到再結(jié)晶溫度以上適當(dāng)?shù)臏囟?運輸設(shè)備是熱沖壓的關(guān)鍵設(shè)備，保證了零件能夠快速轉(zhuǎn)移到?jīng)_壓成形設(shè)備上，減少轉(zhuǎn)運過程中的熱量損失以及高溫物體運輸?shù)陌踩?沖壓成形設(shè)備是熱沖壓的核心設(shè)備，其中壓力機提供使材料塑性變形的能量、成形后的合模壓力以及保壓時間.模具起到重要的淬火作用，是材料降溫能否達(dá)到臨界冷卻速率形成過飽和固溶體得到需要組織的關(guān)鍵部件.熱處理設(shè)備是熱沖壓必要設(shè)備，熱處理將過飽和固溶體通過時效處理提高零件的整體性能，使之達(dá)到產(chǎn)品所需要求.

1.2 熱沖壓成形工藝與材料

1.2.1熱沖壓成形工藝

根據(jù)實際零件的復(fù)雜程度，目前熱沖壓成形工藝流程主要分為兩種：直接熱沖壓成形與間接熱沖壓成形.[2]如圖1所示：

(a)直接熱沖壓成形

(b)間接熱沖壓成形圖1 熱沖壓成形工藝流程

如圖1 (a)所示的直接熱沖壓成形，適用于結(jié)構(gòu)簡單的零部件，直接對切割好的坯料進(jìn)行加熱沖壓，較間接熱沖壓成形少了一步工序因此減少了一套模具，節(jié)約了設(shè)備費用以及人工費用，同時提高了生產(chǎn)效率.

如圖1(b)所示的間接熱沖壓成形，當(dāng)零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一次成形難以實現(xiàn)時，一般需要進(jìn)行預(yù)成形，然后再按直接熱沖壓成形的方式?jīng)_壓成所需形狀.間接熱沖壓成形工序較為復(fù)雜，因此用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件.

1.2.2熱沖壓成形材料

熱沖壓成形后零件的性能由板材組織結(jié)構(gòu)決定，而板材的組織結(jié)構(gòu)由熱沖壓工藝與板材本身決定，因此板材是影響成形零件使用性能的關(guān)鍵因素.熱沖壓成形板材目前有：熱沖壓高強鋼板，熱沖壓鋁板.

熱沖壓高強鋼板的優(yōu)點是在滿足車身碰撞安全性的前提下減薄鋼板的厚度，進(jìn)而減輕車身整體質(zhì)量.目前主要在汽車A柱；B柱；地板；門檻等關(guān)鍵性結(jié)構(gòu)件應(yīng)用.

國際上目前熱沖壓用高強鋼板從材料上分主要可以分為Mn-B、Mn-Mo-B、Mn-Cr-B、Mn-Cr和Mn-W-Ti-B系列.其中Mn-B系列的技術(shù)最成熟，我國目前處于初級應(yīng)用階段也以該系列為主，因此應(yīng)用最為廣泛，用量最大.[3]經(jīng)過熱沖壓成形后的高強鋼板硬度可達(dá)450-500 HV；抗拉強度能從原500-700 MPa達(dá)到1300-1700 MPa；屈服強度能從原350-550 MPa達(dá)到高于950 MPa.[4]

作為輕金屬的鋁，密度只有鋼的1/3且吸收沖擊能力是鋼材的兩倍，易形成致密的氧化膜，具有優(yōu)良的抗腐蝕能力.[5]是汽車輕量化的理想材料之一，鋁合金也逐漸從實驗室走向工業(yè)應(yīng)用中，并在汽車中占比逐漸增高.馬自達(dá)、奧迪等國外的廠家已研發(fā)出全鋁車身，同時在汽車工業(yè)中加工鋁合金所需要的設(shè)備投資較小，因此鋁合金展現(xiàn)出了取代鋼板的趨勢.

但鋁板頸縮量小，一般小于5%，因此一旦到達(dá)抗拉強度就容易開裂，在常溫下成形性較差，在成形過程中容易發(fā)生開裂、回彈、起皺、疊料等缺陷.通過加熱能較好的改善成形性能減少成形過程中缺陷的產(chǎn)生.[6]目前熱沖壓用鋁合金板主要是Al-Cu(2系)、Al-Mg-Si(6系)、Al-Zn-Mg(7系)，經(jīng)過熱沖壓及熱處理后屈服強度可以達(dá)500MPa，可以一定程度上取代汽車的骨架件以及表面覆蓋件.[7]

此外隨著輕量化的要求不斷提升，等厚熱成形技術(shù)已不能滿足設(shè)計需求，因此變截面鋼板(TRB)、激光拼焊板(TWB)、補丁板(Patch)等高端熱成形工藝應(yīng)用的越來越多.

1.3 熱沖壓成形技術(shù)特點

熱沖壓成形技術(shù)與傳統(tǒng)冷沖壓成形相比有如下特點：1)能夠顯著減少設(shè)備噸位要求，降低設(shè)備購置及維修成本.2)金屬板材經(jīng)過加熱后成形性更好易于加工更復(fù)雜的零件.3)對模具設(shè)計要求相對較低，降低加工成本減少模具設(shè)計工作.4)經(jīng)過熱沖壓成形后的零件能顯著增強材料性能，易于實現(xiàn)輕量化.因此熱沖壓成形技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景.

2 熱沖壓成形技術(shù)在汽車中的應(yīng)用

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展以及人們對汽車要求的逐步提升，個性化定制、輕量化以及安全環(huán)保等要求日益顯著.熱沖壓成形技術(shù)能夠有效提高沖壓過程中板材的流動性，增加成形過程中的材料的塑性并且能夠有效提高零件的強度保障安全性，實現(xiàn)整車輕量化.因此熱沖壓成形技術(shù)在汽車制造中得到了廣泛的運用.對于白車身而言，汽車骨架主要可以分為：汽車結(jié)構(gòu)件、汽車加強件、汽車表面覆蓋件.

2.1 熱沖壓成形技術(shù)在汽車結(jié)構(gòu)件中的應(yīng)用

汽車結(jié)構(gòu)件主要指的是汽車的框架，如圖2所示.是汽車中承載或受力的部分與汽車安全性強相關(guān).結(jié)構(gòu)件通常具有大尺寸、板料厚度薄、零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、力學(xué)性能要求高等特征，一般韌性相關(guān)的結(jié)構(gòu)件一般要求抗拉強度≥180 MPa，伸長率≥10%；強度相關(guān)的結(jié)構(gòu)件，一般要求抗拉強度≥210 MPa，伸長率≥7%.[8]

圖2 汽車結(jié)構(gòu)件示意圖

奇瑞新能源汽車為滿足全鋁車身碰撞安全的可行性.[9]對B柱外板與加強板采用熱成型鋼，運用熱沖壓成形技術(shù)，成功的提高B柱整體剛度，減小B柱及前后車門碰撞后入侵量.蘇州普熱斯勒先進(jìn)成型技術(shù)有限公司將A柱、B柱、門檻梁和車頂邊梁設(shè)計成一個封閉的整體式零件，通過熱沖壓技術(shù)將門環(huán)整體減輕17%.[10]薛飛等人利用通過改變22MnB5的加熱方式，改變板材受熱區(qū)域?qū)崿F(xiàn)變強度熱沖壓成形，使B柱硬化區(qū)抗拉強度超過1500MPa能夠較好抵御沖擊，軟化區(qū)延伸率大于23%使之能夠較好的吸收受沖擊時的能量.[11]寶山鋼鐵股份有限公司證實了補丁板運用熱沖壓成形技術(shù)可以實現(xiàn)零件性能要求.[12]東風(fēng)技術(shù)中心自主研發(fā)了無水道熱沖壓模具，驗證了連續(xù)沖壓11次冷卻速率能夠達(dá)到工藝需求熱影響區(qū)主要集中在B柱大端頭及連接處，為后續(xù)模具冷卻系統(tǒng)設(shè)計提供支持.[13]

王敏等人對縱梁進(jìn)行熱沖壓實驗研究，結(jié)果表明涂層雖然可以改善氧化脫碳現(xiàn)象但是更容易在熱沖壓成形過程中產(chǎn)生破裂.運用水基石墨潤滑不能消除破裂產(chǎn)生而玻璃潤滑可以有效避免破裂.[14]李兵等人針對上述現(xiàn)象進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)熱沖壓件的成形性受潤滑條件影響較大，玻璃潤滑劑有利于改善模具摩擦系數(shù), 同時增強熱沖壓過程中的抗氧化性.潤滑條件對熱沖壓成形后零件力學(xué)性能影響不大.[15-16]

2.2 熱沖壓成形技術(shù)在汽車加強件中的應(yīng)用

汽車的加強件是汽車的強化保護結(jié)構(gòu)，車輛在收到?jīng)_擊時一般由加強件首先對沖擊瞬間產(chǎn)生的能量進(jìn)行緩沖吸能.因此加強件的性能直接決定了車輛的安全性.如圖3所示：

圖3 汽車加強件示意圖

林浩波等人對汽車的防撞梁進(jìn)行了熱沖壓工藝優(yōu)化，以最小厚度、開裂距離、胚料到模具的最大距離為質(zhì)量目標(biāo)，對熱沖壓成形的壓邊力以及沖壓速度進(jìn)行優(yōu)化.運用拉丁超立方法、響應(yīng)面法、遺傳算法NSGA-II、Pareto最優(yōu)解的方法得到了最優(yōu)工藝組合.通過試驗，產(chǎn)品沒有起皺、拉裂、厚度變化小，優(yōu)化后的產(chǎn)品更加優(yōu)良.[17]

呂萌萌等人研究了熱沖壓成形不同階段超高強度防撞梁的溫度、厚度、微觀組織和性能的變化規(guī)律以及沖壓速度和壓邊力等工藝參數(shù)對超高強鋼熱成形的影響規(guī)律.[18]實驗結(jié)果表明厚度變化發(fā)生在告訴沖壓階段，組織性能的變化發(fā)生在淬火階段，沖壓速度過大過小鈞易使板料減薄嚴(yán)重，使用壓邊圈會大幅降低材料流動性易導(dǎo)致拉裂.對該熱沖壓成形件，不設(shè)置壓邊圈、最佳工藝參數(shù)是:初始成形溫度為800℃、沖壓速度為100 mm/s.王敏等人對U形梁為研究對象，研究了淬火時間對熱沖壓的作用，表明淬火時間延長馬氏體轉(zhuǎn)化增加分布越均勻，但超過22 s后馬氏體轉(zhuǎn)化就不再發(fā)生.[19]

2.3 熱沖壓成形技術(shù)在汽車覆蓋件中的應(yīng)用

汽車覆蓋件是指：汽車表面的蒙皮，比如車門、翼子板、機蓋、前后杠等，覆蓋件具有材料薄、形狀復(fù)雜、結(jié)構(gòu)尺寸大和表面質(zhì)量要求高等特點.如圖4所示：

圖4 汽車覆蓋件示意圖

蘇曦利用有限元軟件對汽車前內(nèi)蓋板高強度鋼進(jìn)行熱沖壓分析，分析了熱沖壓成形過程中溫度場的變化及造成變化的原因并控制成形工藝獲得無起皺、破裂的高強度覆蓋件產(chǎn)品.[20]北京機電研究所為解決鋁沖壓難成形的難題，針對鋁合金引擎罩利用熱沖壓的快速性和超塑性的良好成形性，將熱沖壓成形與超塑氣脹成形結(jié)合起來.調(diào)整工藝參數(shù)，成形溫度425℃、熱沖壓速度為20mm/s、熱沖壓后預(yù)留10mm余量進(jìn)行氣脹成形，成形出合格的引擎罩，為鋁制覆蓋件熱沖壓成形方式提供了可行方法.[21]

3 現(xiàn)階段的問題及展望

熱沖壓成形技術(shù)在歐洲等發(fā)達(dá)國家起步較早，技術(shù)相對成熟應(yīng)用較為廣泛，被認(rèn)為是實現(xiàn)輕量化，增加碰撞安全性和降低制造成本的有效方式.部分發(fā)達(dá)國家已經(jīng)開始向了先進(jìn)熱成形發(fā)展.國內(nèi)起步較晚，主要存在以下幾個問題：

(1)材料價格高.目前材料是仍是以22MB5等厚高強鋼熱沖壓為主，無鍍層保護使得零件的防腐以及表明質(zhì)量不好控制.國外AL-S鍍層板受專利保護，供應(yīng)商只有一家，導(dǎo)致價格高.

(2)分析能力有所欠缺.目前技術(shù)上主要依靠熱成形供應(yīng)商，主機廠設(shè)計能力以及CAE分析能力差，無法準(zhǔn)確分析差厚板變強度鋼板的組織性能.

(3)設(shè)計能力低.設(shè)計分析受制于熱成形供應(yīng)商，缺乏設(shè)計分析能力以及仿真模擬能力.

(4)標(biāo)準(zhǔn)尚未建立.由于熱沖壓成形屬于先進(jìn)熱成形技術(shù)，行業(yè)內(nèi)尚未形成包括組織、性能、成分等在內(nèi)的統(tǒng)一驗收標(biāo)準(zhǔn).

隨著行業(yè)的不斷發(fā)展，以及車輛質(zhì)量的提升，未來熱沖壓用材料會朝著更加個性化的方向發(fā)展，補丁板、拼焊板、變截面鋼板等材料會成為未來的熱沖壓用材料的發(fā)展方向.隨之帶來了生產(chǎn)設(shè)備以及控制系統(tǒng)及方式的柔性化的需求.

目前對先進(jìn)熱成形的CAE分析的準(zhǔn)確性不足，而CAE分析涉及二次開發(fā)以及對數(shù)學(xué)算法的深度理解，因此緊缺這方面的人員

熱沖壓很重要的一個方面是模具對成形件的換熱能力，所以對于模具設(shè)計以及仿真模擬的需求也會逐步增大.

結(jié) 語

汽車正向著安全性、輕量化、個性化的方向發(fā)展對零部件材料及其加工技術(shù)的要求越來越高.熱沖壓成形技術(shù)為作為一種新的成形技術(shù)為汽車板材的成形制造提供了新的技術(shù)支持.隨著該技術(shù)的不斷研究和完善，熱沖壓成形技術(shù)將在汽車的結(jié)構(gòu)件、加強件、覆蓋件中獲得更廣泛的應(yīng)用.