嚴(yán)治國(guó) 沈超明

鋼板熱沖壓成形是實(shí)現(xiàn)車身輕量化的重要工藝途徑。為了提升零件服役性能，提高熱沖壓生產(chǎn)節(jié)拍，結(jié)合激光拼焊板（TWB）技術(shù)，開展了熱沖壓一體式門環(huán)的成形模具與工藝技術(shù)研究，最終制作成功合格的熱沖壓門環(huán)零件?？偨Y(jié)了熱沖壓整體式門環(huán)的技術(shù)特點(diǎn)、難點(diǎn)及其解決方案。為推廣高性能整體式門環(huán)熱沖壓技術(shù)的應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。

熱沖壓;整體式門環(huán);力學(xué)性能

0 前言

鋼板熱沖壓成形原理是在常溫下將強(qiáng)度500～600 MPa的高強(qiáng)度硼合金鋼板加熱到930 ℃，使之完全奧氏體化，之后送入內(nèi)部帶有冷卻系統(tǒng)的模具內(nèi)沖壓成形，然后保壓快速冷卻淬火。在此過(guò)程中，奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體，成形件因此得到組織強(qiáng)化，強(qiáng)度能夠大幅度提高。該項(xiàng)技術(shù)又被稱為“沖壓硬化”技術(shù)，成形后的沖壓件抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到1 500 MPa以上[1]。熱沖壓零件由于具有強(qiáng)度高、硬度高、成形性好、回彈小等優(yōu)點(diǎn)，在保證車身碰撞安全性的同時(shí)，可大幅減輕車身質(zhì)量，因而被廣泛應(yīng)用于整車A柱、B柱、保險(xiǎn)杠、車頂橫梁等復(fù)雜車身安全構(gòu)件[2]。

為了提高零件服役性能，加快熱沖壓生產(chǎn)節(jié)拍，本文結(jié)合激光拼焊板（TWB）技術(shù)，開展了熱沖壓一體式門環(huán)的成形模具與工藝技術(shù)的研究。最終制作成功合格的熱沖壓門環(huán)零件。本文總結(jié)了熱沖壓門環(huán)的技術(shù)特點(diǎn)、難點(diǎn)及其解決方案。與常規(guī)分體式門環(huán)相比，采用激光拼焊的整體式熱沖壓門環(huán)具有輕量化、結(jié)構(gòu)性能好的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。熱沖壓門環(huán)零件尺寸大、尺寸控制難度高，是近年來(lái)熱沖壓行業(yè)的最新研究熱點(diǎn)。

1 熱沖壓門環(huán)

整體式熱沖壓門環(huán)是通過(guò)激光焊接方式，預(yù)先將多片不同強(qiáng)度、不同厚度的硼鋼材料相連接，根據(jù)多種工況對(duì)車身該門環(huán)局部區(qū)域的要求，進(jìn)行不同區(qū)域的強(qiáng)度和厚度的適應(yīng)性設(shè)計(jì)，并通過(guò)熱沖壓工藝進(jìn)行加熱、成形、保壓、淬火冷卻等處理過(guò)程，最終獲得超高強(qiáng)度整體式門環(huán)零件產(chǎn)品。

整體式門環(huán)采用鋁硅涂層熱沖壓鋼材料，零件各區(qū)域所用材料規(guī)格參數(shù)見表1所示。整體式門環(huán)的激光拼焊方案如圖1所示。該零件寬度為1 475 mm，高度為1 270 mm，厚度為280 mm。圖中，1號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)共5處區(qū)域的板料通過(guò)激光拼焊形成整體板材，再與2號(hào)區(qū)域的補(bǔ)丁板通過(guò)點(diǎn)焊連接，然后進(jìn)行整體熱沖壓成形。最終，6個(gè)板材合成1個(gè)零件，通過(guò)一次熱沖壓獲得超高強(qiáng)度熱沖壓門環(huán)。

2 沖壓板材

如圖2所示，熱沖壓門環(huán)沖壓板材由6張板料通過(guò)激光拼焊和點(diǎn)焊焊接方式制作而成。其中，2號(hào)區(qū)域板料為補(bǔ)丁板，在激光拼焊完成后，再用點(diǎn)焊的方式完成補(bǔ)丁板的制作。

常規(guī)激光拼焊板一般為2塊或者3塊板料拼焊而成，拼焊位置多為水平或者豎直方向，但此熱沖壓門環(huán)板料為5種型號(hào)材料拼焊而成，難度極大，對(duì)激光拼焊設(shè)備精度要求很高。為解決此難點(diǎn)問題，在門環(huán)制作過(guò)程中，針對(duì)料片激光拼焊，技術(shù)人員開發(fā)了專用的焊接夾具，并制定了合理的拼焊順序方案。如圖2所示，此料片有A、B、C、D、E共5處焊縫，其中最難保證拼焊成功的是E處的焊縫。此處焊縫具有一定的角度，最后焊接有可能出現(xiàn)焊縫縫隙較大，而無(wú)法完成焊接的情況。所以，在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，應(yīng)優(yōu)先焊接E處的焊縫，最后焊接A、B、C、D處的焊縫。

3 沖壓工藝方案

如圖3所示，熱沖壓門環(huán)成形工藝的路線為：加熱-傳輸-成形-冷卻-激光切邊。根據(jù)工藝要求，需要將料片加熱到930 ℃，然后傳輸?shù)侥＞呱线M(jìn)行熱沖壓成形。熱沖壓成形溫度為750 ℃，需要嚴(yán)格控制料片成形溫度，以保證得到良好的力學(xué)性能。在料片成形時(shí)，如果上件時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，容易造成成形溫度過(guò)低，導(dǎo)致力學(xué)性能惡化。整個(gè)生產(chǎn)節(jié)拍應(yīng)控制在23 s左右。

熱沖壓門環(huán)采用局部壓料成形的工藝方案，下模設(shè)計(jì)有3處壓邊圈。3處壓邊圈均設(shè)計(jì)在產(chǎn)品變形復(fù)雜區(qū)域，以便更好地抑制起皺缺陷。壓邊圈布置方案如圖4 所示。

為了使零件在沖壓成形時(shí)能夠精確定位及平穩(wěn)沖壓，上模共設(shè)計(jì)有4處小壓料芯，如圖5所示。由于上下模均設(shè)計(jì)有壓料芯，在試制模具階段，下模氮?dú)飧仔枰B接管路系統(tǒng)，以避免沖壓后的零件變形。

4 模具制作

根據(jù)樣模模具質(zhì)量和使用壽命等指標(biāo)要求，技術(shù)人員對(duì)熱沖壓門環(huán)樣模毛坯材質(zhì)進(jìn)行了挑選。樣模模座的毛坯采用HT300鑄件，而模腔本體采用分體鑄造的結(jié)構(gòu)形式。考慮到熱沖壓工藝的特殊性，技術(shù)人員需要選取較高的強(qiáng)度、剛度、耐磨度，以及良好切削加工性的材料。凹模、凸模模腔可選用MOCR鑄鐵，并進(jìn)行后續(xù)熱處理，以保證關(guān)鍵部位的硬度達(dá)到HRC50以上。

在熱沖壓門環(huán)樣模鑄造完成后，技術(shù)人員根據(jù)設(shè)計(jì)模型及加工圖紙，需要對(duì)模座和模腔進(jìn)行粗加工、熱處理和精加工。模具模腔是沖壓成形的接觸面，是三維特征的自由曲面，形狀非常復(fù)雜，需要采用三維數(shù)控加工。樣模型面的數(shù)控加工需要根據(jù)模具鑲塊坯料的特點(diǎn)，制定適合的數(shù)控加工工藝和工序，然后對(duì)各數(shù)控加工工序進(jìn)行編程。為了保證編程的合理性，檢查可能存在的不足及錯(cuò)誤等，技術(shù)人員需要對(duì)加工程序進(jìn)行刀具軌跡仿真。刀具的運(yùn)動(dòng)軌跡對(duì)加工質(zhì)量有重要影響，對(duì)于一些形狀變化劇烈的局部區(qū)域還要采用特殊加工方法，并判斷分析加工中可能出現(xiàn)的干涉、根切等問題，然后對(duì)刀具運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行優(yōu)化。最后，技術(shù)人員需要優(yōu)化數(shù)控編程，并進(jìn)行最終的數(shù)控加工及熱處理。此外，在熱沖壓樣件的試制過(guò)程中，由于鋼板處于高溫狀態(tài)，不能自由移動(dòng)鋼板，因此在冷沖壓樣件試制時(shí)常用的一些手段無(wú)法被使用，技術(shù)人員需要確保板料的精確定位。

在熱沖壓樣模模座、沖頭及非標(biāo)件加工完成后，鉗工將進(jìn)行模具的總裝配。圖6為裝配完成后的熱沖壓門環(huán)樣模模具。

5 樣模檢測(cè)及沖壓調(diào)試

在熱沖壓門環(huán)樣模加工及模具裝配完成后，技術(shù)人員按照常規(guī)工藝流程進(jìn)行沖壓調(diào)試前的動(dòng)靜態(tài)檢查。在檢查完成后，技術(shù)人員根據(jù)試沖件狀態(tài)及紅丹情況進(jìn)行配模和合模;在紅丹研合率達(dá)到要求后，利用樣模進(jìn)行樣件的制作。在模具上機(jī)后，技術(shù)人員進(jìn)行了動(dòng)態(tài)檢查，檢查模具運(yùn)動(dòng)是否順暢，有無(wú)運(yùn)動(dòng)干涉，是否符合樣模結(jié)構(gòu)的要求，以達(dá)到?jīng)_壓試模的條件。

之后，技術(shù)人員需要對(duì)模具間隙進(jìn)行檢測(cè)，并要求紅丹粉檢測(cè)模具間隙是否均勻，研合率須達(dá)90%以上，如圖7所示。在滿足上述技術(shù)要求后，方可進(jìn)行試模。

由于熱沖壓門環(huán)模具尺寸較大，為了保證模具成形的充分性，滿足計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAE）分析的成形力要求，沖壓調(diào)試采用的壓機(jī)應(yīng)盡量保證壓機(jī)噸位在1 200 t以上。熱沖壓樣件坯料采用廂式電阻爐方式加熱，無(wú)鍍層鋼板在加熱時(shí)可充入氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣體，氮?dú)庥芍频獧C(jī)直接充入加熱爐內(nèi)。熱沖壓門環(huán)零件尺寸較大，成形難點(diǎn)主要集中在A柱上端和下端，以及B柱下端位置，特別是A柱上端，開裂、疊料會(huì)同時(shí)存在。如圖8所示，在熱沖壓門環(huán)零件調(diào)試過(guò)程中，通過(guò)坯料線改善，沖壓速度優(yōu)化，壓邊行程及壓邊力調(diào)整，可解決該處疊料嚴(yán)重的問題。

6 零件尺寸與力學(xué)性能檢測(cè)

在完成沖壓、涂裝后的熱沖壓門環(huán)零件實(shí)物如圖9所示。技術(shù)人員需要對(duì)零件尺寸及力學(xué)性能進(jìn)行檢測(cè)，以判斷零件狀態(tài)是否能夠滿足技術(shù)要求及裝車要求。技術(shù)人員針對(duì)熱沖壓門環(huán)的零件尺寸檢測(cè)，開發(fā)了專用檢具。如圖10所示，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)三坐標(biāo)測(cè)量，零件尺寸偏差均在±1 mm以內(nèi)，滿足零件的裝車要求。

技術(shù)人員對(duì)零件取樣進(jìn)行了力學(xué)性能的測(cè)試。如圖11所示，試片標(biāo)距采用A50標(biāo)距，共取樣12處位置，其中5處主要用于力學(xué)拉伸試驗(yàn)，其余位置主要用于金相分析及硬度檢測(cè)。

熱沖壓力學(xué)檢測(cè)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)如下：抗拉強(qiáng)度1 300～1 650 MPa，屈服強(qiáng)度950～1 250 MPa，延伸率≥5%，硬度為400～520 HV10。委托第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行的檢測(cè)結(jié)果如表2所示。所有試片抗拉值、屈服值、延伸率、硬度均符合技術(shù)要求，零件完全滿足白車身裝車要求。

評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)為：抗拉強(qiáng)度1 300～1 650 MPa，屈服強(qiáng)度950～1 250 MPa，延伸率≥5%，硬度400～520 HV10。

7 結(jié)論

熱沖壓門環(huán)是1款由多種材料厚度的高強(qiáng)鋼拼焊板組成，經(jīng)熱沖壓成形的高難度零件。該工藝是對(duì)零件設(shè)計(jì)及制作方案的1次創(chuàng)新。采用新的工藝方案生產(chǎn)的零件達(dá)到了輕量化和安全性的要求。

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，熱沖壓門環(huán)可以達(dá)到良好的尺寸精度及力學(xué)性能，完全可以運(yùn)用到白車身設(shè)計(jì)開發(fā)過(guò)程中。一體式門環(huán)可以極大提高白車身的強(qiáng)度，特別是乘員艙的側(cè)面碰撞性能，可有效增強(qiáng)抵御25%偏置碰撞的能力。提升白車身靜態(tài)剛度及噪聲-振動(dòng)-平順性（NVH）性能指標(biāo)，可實(shí)現(xiàn)15%～20%的輕量化目標(biāo)，同時(shí)將5個(gè)零件合成整體式門環(huán)進(jìn)行開發(fā)，也可以大幅降低模具的投入成本。隨著車身設(shè)計(jì)的不斷完善及發(fā)展，整體式門環(huán)工藝會(huì)越來(lái)越多的運(yùn)用到車身設(shè)計(jì)中。

[1]張宜生，王子健，王梁.高強(qiáng)鋼熱沖壓成形工藝及裝備進(jìn)展[J].塑性工程學(xué)報(bào)，2018，25（5）：11-23.

[2]KARBASIAN H， TEKKAYA A E. A review on hot stamping[J]. Materials Processing Technology， 2010， 210（15）： 2103-2118.