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)的技術要點解析！
汽車熱沖壓成形(Hot Stamping)的技術要點解析！
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，也是世界各國實現節(jié)能、減排、降耗的重大舉措。
汽車行業(yè)雖可望扭轉產量下降的趨勢,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，但快其實只是結果之一，包括燃油經濟性、排放等也是輕量化的正面效果。
超高強鋼熱沖壓構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件熱沖壓成形技術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。《中國制造2025》提出要提升輕量化材料等核心技術的工程化和產業(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，且成形后所得構件兼具超高強度和高精度的先進材料加工技術——熱沖壓技術應運而生。時至今日，熱沖壓成形技術已廣泛用于汽車車身及底盤結構件成形制造中(圖1)。
熱沖壓成形技術的概念與特點
熱沖壓成形（Hot stamping）是國際上近幾年來出現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，也是汽車沖壓件制造領域內的較為先進的技術。熱沖壓成形技術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移至帶有冷卻系統(tǒng)的模具內沖壓成形，同時保壓淬火，使構件材料發(fā)生馬氏體轉變。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件，并且構件強度可達1500MPa甚至更高。此外，熱沖壓工藝的構件回彈小、精度高、變形抗力約為冷沖壓的三分之一、設備噸位小。
圖1熱沖壓構件在汽車上的應用
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業(yè)創(chuàng)新發(fā)展聯合基金(編號：U1564202)、湖北省技術創(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、技術及裝備開展了相關研究。
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模型。
熱沖壓汽車構件組織性能協同控制技術
研究團隊提出了基于急動度的伺服熱沖壓工藝設計方法，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，降低連續(xù)生產時的模具溫度、縮短保溫時間、節(jié)約成本;研發(fā)了熱沖壓汽車構件組織性能協同控制技術，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構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模型
圖4幾種不同汽車構件的熱沖壓模擬結果
通過伺服熱沖壓及組織性能協同調控技術，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，產品關鍵點尺寸誤差不超過±0.21mm(圖6)。試驗結果表明，相關樣件已實現了組織強韌性和精度的協同控制，完全滿足裝車要求。目前此項技術已實現了技術轉化和產業(yè)化。
圖5 B柱熱沖壓樣件及關鍵區(qū)域的馬氏體組織形貌
圖6 B柱熱沖壓樣件精度檢測結果
梯度力學性能熱沖壓構件設計制造一體化技術
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，熱沖壓結構件的碰撞吸能效果大大降低。
為進一步提升熱沖壓構件的碰撞吸能性能，采用側碰吸能分析方法對其進行了梯度力學性能優(yōu)化設計(圖7)，得到了具有合理梯度力學性能分布的B柱構件，相關梯度力學性能設計方案如圖8所示。結果表明，應用梯度力學性能，B柱可以簡化B柱總成結構，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制造的梯度力學性能樣件如圖9所示。
圖7整車側面碰撞有限元模型
圖8 B柱梯度力學性能區(qū)域位置設計方案
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，在其內部設有冷卻管道，模具結構更加復雜，對模具材料的選擇及結構設計等方面要求更為嚴格。
熱沖壓成形模具冷卻系統(tǒng)的設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都是設計的關鍵，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構。為實現構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。加熱所使用的設備為專用的連續(xù)加熱爐，鋼板在加熱到再結晶溫度以上之后，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，一般在加熱爐內設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，實現奧氏體向馬氏體轉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，而必須用激光技術來完成。
熱沖壓模具設計是熱沖壓成形工藝的核心技術，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：
先進熱沖壓生產示范線的建立
先進的輕量化車身結構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)以太網技術實現裝備平臺的互聯互鎖，可以完成滿足工業(yè)生產節(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權的伺服熱沖壓成形生產線的設計方法。
圖10第六個工藝循環(huán)模具冷卻水熱傳遞系數云圖
圖11 B柱加強板熱沖壓模具實物圖
圖12熱沖壓生產示范線
結束語
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正在被世界各國企業(yè)和學者廣泛關注。系統(tǒng)地、深層次地開展相關研究，形成具有完全自主知識產權的熱沖壓成形工藝及裝備關鍵技術，對我國汽車行業(yè)的發(fā)展具有十分重要的現實意義。
——來源：《鍛造與沖壓》2018年第22期
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