鍛造與沖壓：汽車輕量化之路，原來還能在這個方面發(fā)力！汽車熱沖壓成形(Hot Stamping)的技術(shù)要點解析！
汽車熱沖壓成形(Hot Stamping)的技術(shù)要點解析！
大排量、大馬力的快只是直路上的快，而輕量化的快則是無時無刻的快。隨著各國對于汽車排放、污染、環(huán)保等話題的深入，走大排量發(fā)動機的路線顯然是難上加難。因此，輕量化成為眾多車企選擇的路徑。因此我們說汽車輕量化是汽車重要的發(fā)展方向，也是世界各國實現(xiàn)節(jié)能、減排、降耗的重大舉措。
汽車行業(yè)雖可望扭轉(zhuǎn)產(chǎn)量下降的趨勢,并獲得新的發(fā)展,但面對激烈的國際競爭,如何進一步降低成本、制造適應消費者需求的汽車,形勢依然嚴峻。另外,還有諸如強化安全對策、以保護地球環(huán)境為目的并且針對溫室效應的節(jié)省資源、能源的降低油耗、減少公害等方面的對汽車生產(chǎn)提出更高的要求。也許是改裝文化的深入，讓不少對汽車有一定興趣的群體，提及到輕量化第一時間想到的就是“快、性能、飆車”這些字眼。的確，輕1公斤真的是比增加10馬力還要快，但快其實只是結(jié)果之一，包括燃油經(jīng)濟性、排放等也是輕量化的正面效果。
超高強鋼熱沖壓構(gòu)件的應用能夠在減輕汽車整車重量的同時，保證車身強度及安全性，是實現(xiàn)汽車輕量化的重要途徑。汽車輕量化之路，原來還能在這個方面發(fā)力！
本文主要介紹作者所在的研究團隊圍繞超高強鋼汽車構(gòu)件熱沖壓成形技術(shù)及裝備所做的部分研究工作。
汽車輕量化是汽車重要的發(fā)展方向，也是國家重大科技需求。燃油車整車重量每降低10%，燃油效率提升6%～8%，排放下降4%;純電動車、混合動力車等新能源汽車對重量更加敏感，整車每減重10%，續(xù)航里程增加10%～15%。
高強度輕量化材料在汽車上的應用能有效地推進輕量化進程?！吨袊圃?/span>2025》提出要提升輕量化材料等核心技術(shù)的工程化和產(chǎn)業(yè)化能力，同時推動自主品牌節(jié)能與新能源汽車同國際先進水平接軌。然而隨著鋼板強度的提升，傳統(tǒng)冷沖壓成形中往往存在開裂、回彈、起皺等缺陷，同時成形力明顯增加又對壓力機和模具壽命提出更高的要求。為解決這些問題，一種能夠降低成形力和成形難度，且成形后所得構(gòu)件兼具超高強度和高精度的先進材料加工技術(shù)——熱沖壓技術(shù)應運而生。時至今日，熱沖壓成形技術(shù)已廣泛用于汽車車身及底盤結(jié)構(gòu)件成形制造中(圖1)。
熱沖壓成形技術(shù)的概念與特點
熱沖壓成形（Hot stamping）是國際上近幾年來出現(xiàn)的一項專門用于成形超高強度鋼板沖壓件的先進制造技術(shù)，也是汽車沖壓件制造領(lǐng)域內(nèi)的較為先進的技術(shù)。熱沖壓成形技術(shù)包括直接熱沖壓和間接熱沖壓兩種形式。以最常用的直接熱沖壓成形為例，其工藝流程如圖2所示，首先將高強度硼鋼板坯料加熱到奧氏體化溫度以上，并保溫一定時間使其充分奧氏體化(通常為900～950℃)，隨后將加熱的坯料迅速轉(zhuǎn)移至帶有冷卻系統(tǒng)的模具內(nèi)沖壓成形，同時保壓淬火，使構(gòu)件材料發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。與傳統(tǒng)的冷沖壓相比，鋼板在高溫時成形性好，可一次成形復雜形狀的構(gòu)件，并且構(gòu)件強度可達1500MPa甚至更高。此外，熱沖壓工藝的構(gòu)件回彈小、精度高、變形抗力約為冷沖壓的三分之一、設(shè)備噸位小。
圖1熱沖壓構(gòu)件在汽車上的應用
圖2熱沖壓工藝流程
目前熱沖壓成形材料主要用22MnB5，包括鋁硅(Al-10Si)鍍層、GI/GA鍍層、鋅鎳(Zn-10Ni)鍍層、復合鍍層及其他涂層和裸板。作為典型的第三代先進高強度鋼，將中錳鋼加熱至750℃即可獲得全奧氏體組織，擴大了熱成形工藝窗口。
熱沖壓成形技術(shù)與裝備研究進展
熱沖壓成形中所使用的鋼板是一種特殊的硼合金鋼板，這種鋼板不同于傳統(tǒng)的冷成形超高強鋼?，F(xiàn)在應用比較廣泛的雙相鋼、復相鋼等冷成形高強度鋼板一般是在常溫下通過冷沖壓的方法成形，成形前后零件的顯微組織和機械強度基本不發(fā)生改變。而熱沖壓成形中所使用的鋼板在常溫下強度不很高，抗拉強度僅有400~600MPa，具有良好的塑性與可成形性；它是通過熱沖壓成形工藝進行成形和淬火后，零件的顯微組織由原來的鐵素體和珠光體轉(zhuǎn)變成均勻的馬氏體，抗拉強度可以達到1500MPa以上，硬度可以達到50HRC，而且基本沒有回彈，具有很高的尺寸精度。在鋼板中添加了硼，其目的在于提高鋼板的淬火性能，使板料的組織轉(zhuǎn)變順利進行。此外，為了提高材料的強度以及其它力學性能，還添加了Ti、Cr、Mo、Cu、Ni等多種合金微量元素。本研究團隊在中國汽車產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展聯(lián)合基金(編號：U1564202)、湖北省技術(shù)創(chuàng)新專項重大項目(編號：2016AAA053)等資助下，圍繞超高強度硼鋼熱沖壓成形機理、技術(shù)及裝備開展了相關(guān)研究。
高強鋼熱沖壓成形過程中不僅包含塑性變形過程，還包含溫度變化及組織演變過程，是一個典型的熱-力-相變耦合的過程。為準確實現(xiàn)熱沖壓變形規(guī)律預測和缺陷控制，建立了耦合位錯密度和損傷演化的材料本構(gòu)模型和成形極限模型。圖3所示為耦合位錯密度的熱沖壓硼鋼高溫本構(gòu)模型。
熱沖壓汽車構(gòu)件組織性能協(xié)同控制技術(shù)
研究團隊提出了基于急動度的伺服熱沖壓工藝設(shè)計方法，能夠有效地控制沖壓速度和成形溫度，提升成形效果;研發(fā)了低溫熱沖壓專利技術(shù)，降低連續(xù)生產(chǎn)時的模具溫度、縮短保溫時間、節(jié)約成本;研發(fā)了熱沖壓汽車構(gòu)件組織性能協(xié)同控制技術(shù)，以改善高強度鋼板熱沖壓件綜合性能和精度;建立了A柱、B柱、C柱、前縱梁、保險杠等汽車安全結(jié)構(gòu)件熱沖壓全過程有限元模型，可以有效預測零件成形性、減薄率、馬氏體含量及抗拉強度的變化(圖4)。
圖3耦合位錯密度的熱沖壓硼鋼高溫本構(gòu)模型
圖4幾種不同汽車構(gòu)件的熱沖壓模擬結(jié)果
通過伺服熱沖壓及組織性能協(xié)同調(diào)控技術(shù)，對B柱等樣件進行了試制(圖5)。對不同部位進行力學性能檢測，結(jié)果表明不同區(qū)域的試樣抗拉強度基本在1500～1600MPa，延伸率范圍為8%～13%(目前文獻資料中多數(shù)報道為5%～8%)，其微觀組織的主要成分為馬氏體，夾雜有少量殘余奧氏體。此外還對零件的成形精度進行了檢測分析，產(chǎn)品關(guān)鍵點尺寸誤差不超過±0.21mm(圖6)。試驗結(jié)果表明，相關(guān)樣件已實現(xiàn)了組織強韌性和精度的協(xié)同控制，完全滿足裝車要求。目前此項技術(shù)已實現(xiàn)了技術(shù)轉(zhuǎn)化和產(chǎn)業(yè)化。
圖5 B柱熱沖壓樣件及關(guān)鍵區(qū)域的馬氏體組織形貌
圖6 B柱熱沖壓樣件精度檢測結(jié)果
梯度力學性能熱沖壓構(gòu)件設(shè)計制造一體化技術(shù)
傳統(tǒng)的熱沖壓成形工藝，板料的各個位置變形條件基本相同，所以得到的熱沖壓零件基本為全馬氏體組織，抗拉強度達1500MPa甚至更高。但是延伸率相對較低，造成零件塑性或韌性急劇降低、冷彎性能差。一旦發(fā)生碰撞，熱沖壓結(jié)構(gòu)件的碰撞吸能效果大大降低。
為進一步提升熱沖壓構(gòu)件的碰撞吸能性能，采用側(cè)碰吸能分析方法對其進行了梯度力學性能優(yōu)化設(shè)計(圖7)，得到了具有合理梯度力學性能分布的B柱構(gòu)件，相關(guān)梯度力學性能設(shè)計方案如圖8所示。結(jié)果表明，應用梯度力學性能，B柱可以簡化B柱總成結(jié)構(gòu)，達到減重12.1%的輕量化目的，且能夠很好地兼顧強度與碰撞吸能性能。陶瓷熱障涂層專利技術(shù)制造的梯度力學性能樣件如圖9所示。
圖7整車側(cè)面碰撞有限元模型
圖8 B柱梯度力學性能區(qū)域位置設(shè)計方案
圖9梯度力學性能熱沖壓B柱樣件
具有隨形冷卻水道的超高強度鋼熱沖壓模具
與冷沖壓模具不同，熱沖壓模具除了具有成形功能外，還具有冷卻淬火功能。為了保證其冷卻效果，在其內(nèi)部設(shè)有冷卻管道，模具結(jié)構(gòu)更加復雜，對模具材料的選擇及結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面要求更為嚴格。
熱沖壓成形模具冷卻系統(tǒng)的設(shè)計需要考慮加工方式、冷卻均勻性等方面，因此冷卻管直徑、冷卻管間距、冷卻管距模具型面距離等參數(shù)都是設(shè)計的關(guān)鍵，筆者所在的研究團隊對熱沖壓B柱加強板采用鑲塊式模具結(jié)構(gòu)。為實現(xiàn)構(gòu)件冷卻效果并保證模具的強度，采用與模具型面相近的隨形冷卻水道。模芯鑲塊內(nèi)部與鑲塊之間冷卻水管道采用直徑φ10mm的孔，相鄰冷卻水管道中心距約為17～20mm，冷卻水管道中心距最近型面距離為15～20mm。每個鑲塊都配給相對獨立的進出水冷卻系統(tǒng)，相鄰鑲塊之間冷卻水道不連通。采用ANSYS CFX進行流固耦合數(shù)值模擬，并對凸凹模的冷卻水流速及溫度均勻性進行分析。第六個工藝循環(huán)模具冷卻水熱傳遞系數(shù)云圖如圖10所示，圖中冷卻水流速快的中央部位HTC值最高，大部分位置HTC均大于10000W/(m2·K)，說明冷卻效果較好，可以滿足連續(xù)生產(chǎn)所需的冷卻效果。圖11為加工制造完成后的模具實物圖
熱沖壓成形由以下幾個工序組成：
1.落料：
是熱沖壓成形中的第一道工序，把板材沖壓出所需外輪廓坯料。
2.奧氏體化：
包括加熱和保溫兩個階段。這一工序的目的在于將鋼板加熱到一個合適的溫度，使鋼板完全奧氏體化，并且具有良好的塑性。加熱所使用的設(shè)備為專用的連續(xù)加熱爐，鋼板在加熱到再結(jié)晶溫度以上之后，表面很容易氧化，生成氧化皮，這層氧化皮會對后續(xù)的加工造成不利的影響。為了避免或減少鋼板在加熱爐中的氧化，一般在加熱爐內(nèi)設(shè)置惰性氣體保護機制，或者對板料進行表面防氧化處理。
3.轉(zhuǎn)移：
指的是將加熱后的鋼板從加熱爐中取出放進熱成形模具中去。在這一道工序中，必須保證鋼板被盡可能快地轉(zhuǎn)移到模具中，一方面是為了防止高溫下的鋼板氧化，另一方面是為了確保鋼板在成形時仍然處在較高的溫度下，以具有良好的塑性。
4.沖壓和淬火：
在將鋼板放進模具之后，要立即對鋼板進行沖壓成形，以免溫度下降過多影響鋼板的成形性能。成形以后模具要合模保壓一段時間，一方面是為了控制零件的形狀，另一方面是利用模具中設(shè)置的冷卻裝置對鋼板進行淬火，使零件形成均勻的馬氏體組織，獲得良好的尺寸精度和機械性能。研究表明，就目前常用的熱沖壓鋼材而言，實現(xiàn)奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變的最小冷卻速率為27~30℃/s，因此要保證模具對板料的冷卻速度大于此臨界值。
5.后續(xù)處理：
在成形件從模具中取出以后，還需要對其進行一些后續(xù)的處理，如利用酸洗或噴丸的方式去除零件表面的氧化皮，以及對零件進行切邊和鉆孔。熱沖壓件由于強度太高，不能用傳統(tǒng)的手段對其進行切邊及鉆孔加工，而必須用激光技術(shù)來完成。
熱沖壓模具設(shè)計是熱沖壓成形工藝的核心技術(shù)，它不僅要滿足零件的成形需要，而且還要具有優(yōu)異的冷卻能力，以保證零件獲得良好的機械性能和尺寸精度。
熱沖壓成型的優(yōu)缺點：
先進熱沖壓生產(chǎn)示范線的建立
先進的輕量化車身結(jié)構(gòu)件伺服熱沖壓成形示范線，主要裝備包含高速伺服壓力機、數(shù)控加熱爐、熱沖壓模具、低自由度桁架機器人、激光切割機和噴丸裝備等主要裝備(圖12)。通過運用工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)裝備平臺的互聯(lián)互鎖，可以完成滿足工業(yè)生產(chǎn)節(jié)拍需求的加熱、成形-保壓淬火和上、下料全過程各項功能及安全防護要求，形成了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的伺服熱沖壓成形生產(chǎn)線的設(shè)計方法。
圖10第六個工藝循環(huán)模具冷卻水熱傳遞系數(shù)云圖
圖11 B柱加強板熱沖壓模具實物圖
圖12熱沖壓生產(chǎn)示范線
結(jié)束語
作為汽車輕量化的重要途徑，超高強度鋼板熱沖壓成形技術(shù)正在被世界各國企業(yè)和學者廣泛關(guān)注。系統(tǒng)地、深層次地開展相關(guān)研究，形成具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的熱沖壓成形工藝及裝備關(guān)鍵技術(shù)，對我國汽車行業(yè)的發(fā)展具有十分重要的現(xiàn)實意義。
——來源：《鍛造與沖壓》2018年第22期
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