車用高強(qiáng)鋼熱沖壓技術(shù)的發(fā)展與自主研發(fā)

左喜順·北京汽車股份有限公司

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熱沖壓技術(shù)背景

隨著國內(nèi)、外汽車制造的各種新法規(guī)的推出，節(jié)能、環(huán)保、安全和舒適等性能要求不斷提高，已經(jīng)對汽車車身的開發(fā)提出了更高的要求。其中，汽車輕量化是現(xiàn)代汽車設(shè)計制造的主流。車身輕量化對減輕汽車整車自重、提高整車燃油經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能環(huán)保至關(guān)重要。研究表明，汽車重量每減輕100kg，每百公里至少可節(jié)約1.6L燃油。既能保證安全性又能實現(xiàn)輕量化，同時實現(xiàn)成本和效益最優(yōu)化是汽車制造業(yè)極為關(guān)注的目標(biāo)。

汽車輕量化主要有兩種途徑：一是優(yōu)化汽車結(jié)構(gòu)，縮小零部件尺寸，最大限度地降低零部件的重量；二是采用輕量化材料，如采用超高強(qiáng)度鋼板、鋁合金、鎂合金、復(fù)合材料以及夾層板材等輕質(zhì)材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼鐵材料。比較而言，采用輕量化材料更容易滿足不同的需求，發(fā)展?jié)摿σ哺蟆Ｓ捎阡X鎂合金性價比低，其關(guān)鍵力學(xué)性能與鋼鐵相比也無明顯優(yōu)勢，因此高強(qiáng)度鋼板熱沖壓生產(chǎn)技術(shù)的應(yīng)用開始蓬勃發(fā)展，成為實現(xiàn)輕量化和提高碰撞安全性的最好途徑。熱沖壓技術(shù)不僅有高強(qiáng)度比的優(yōu)點，且在高溫下材料成形性好，能消除回彈影響，零件成形精度高、質(zhì)量好。

鋼鐵生產(chǎn)廠商Arcelor-mittal、Robert Bosch GmbH與咨詢公司Arthur D.Little研究發(fā)現(xiàn)：僅僅減輕車身重量就能節(jié)省約5％的燃油，只需在每輛車上增加212歐元（約為280美元）的成本以購買高強(qiáng)度鋼材，比加裝任何形式的混合動力系統(tǒng)的油耗表現(xiàn)都要更低。如圖1所示，大眾PASSAT B6駕駛艙的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件采用了熱沖壓件，從而車身的重量顯著降低25kg，其B柱較傳統(tǒng)制造方案成本更低，且B6在E-NCAP碰撞測試中獲得5星，可以看出熱沖壓新工藝具有顯著的輕量化效果、有著巨大的經(jīng)濟(jì)效益，在汽車行業(yè)有著廣闊的市場前景。

圖1 大眾PASSAT B6熱沖壓關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件

熱沖壓工藝簡介

板材熱沖壓工藝就是利用金屬在高溫狀態(tài)下其塑性和延展性會迅速增加，屈服強(qiáng)度迅速下降，成形性大幅提高的特點，使板材沖壓成所需零部件的工藝，主要針對一些強(qiáng)度高、塑性差，以及形狀復(fù)雜等難成形的金屬板料。在熱沖壓成形過程中，將坯料加熱到再結(jié)晶溫度以上的某個適當(dāng)溫度，使板料在奧氏體狀態(tài)時進(jìn)行成形，降低板料成形時的流動應(yīng)力，從而大大提高板料的成形性。

熱沖壓成形相對常見的冷沖壓成形而言，為了克服高強(qiáng)度鋼板冷成形的困難，需將鋼板加熱實現(xiàn)相變，再沖壓成形并進(jìn)行淬火，從而獲得更高的強(qiáng)度、抗變形性與硬度，成形零部件的抗拉強(qiáng)度高達(dá)1600～2000MPa，可組焊成高強(qiáng)度駕乘單元，承受5t以上的靜壓而不損壞。采用這種相對于AHSS、UHSS（Advanced/Ultra High Strength Steel）更高強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)件，可明顯提高汽車的碰撞安全性，同時通過減小壁厚或截面、減少汽車裝配環(huán)節(jié)中零部件的數(shù)量尺寸以實現(xiàn)輕量化（達(dá)18％～35％）。正因為熱沖壓的技術(shù)優(yōu)勢，才使得高強(qiáng)度鋼的熱沖壓技術(shù)正受到全球汽車廠商和鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)的青睞和極大關(guān)注。如圖2所示，是典型熱沖壓過程中不同階段的溫度變化示意圖。

圖2 熱沖壓板料溫度變化示意圖

圖3 直接（一次）熱沖壓工序

圖4 二次熱沖壓工序

根據(jù)實際零部件形狀復(fù)雜程度，熱成形工序會有所不同，因此熱沖壓工藝分為一次成形和二次成形。直接（一次）沖壓工藝是指高強(qiáng)度鋼板板料加熱到奧氏體化溫度并保溫一段時間后，直接放入具有冷卻系統(tǒng)的模具里進(jìn)行沖壓成形及淬火，主要工序見圖3。一次成形主要用于成形形狀較簡單的零部件，但需要增加價格昂貴的光纖激光切割設(shè)備，其主要優(yōu)點為：

⑴板料在一套模具中進(jìn)行沖壓成形及淬火，節(jié)省了預(yù)沖壓成形模具費用并加快了生產(chǎn)節(jié)奏。

⑵材料被加熱前為平板料，這樣不僅減小了加熱區(qū)面積進(jìn)而節(jié)省能源，而且可以選取多種加熱方式，如采用感應(yīng)和輻射加熱爐進(jìn)行奧氏體化加熱。

二次成形需要先對板料進(jìn)行預(yù)成形，然后將預(yù)成形并切邊的零件再進(jìn)行加熱→定形→淬火，最終可獲得減少激光切邊成本的高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)件，最主要的優(yōu)點是可進(jìn)行更復(fù)雜形狀的車體結(jié)構(gòu)件沖壓成形。板料預(yù)沖壓成形后，后續(xù)熱沖壓成形工藝不需要過多考慮板料高溫沖壓成形性能，確保板料充分淬火得到所需要的馬氏體組織。板料預(yù)沖壓成形后可以進(jìn)行修邊、翻邊、沖孔等加工，避免板料淬火硬化后加工困難問題。但由于增加了二次模具冷卻，其不可避免地增加了制造過程中的模具成本。二次成形的主要工序見圖4。

熱沖壓技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀(jì)中期，Norrbottens Jernverk和SSAB首先開發(fā)出熱軋和冷軋熱沖壓鋼板，1973年 Norrbottens Jernverk率先開發(fā)出熱沖壓工藝，1975年Volvo在其車型上開展熱沖壓零件適用性研發(fā)，1984年SAAB成為率先使用熱沖壓零件的汽車廠，并于1991年率先應(yīng)用熱沖壓的前保險杠。Arcelor于20世紀(jì)90年代開展熱沖壓技術(shù)研究，攻克相關(guān)核心技術(shù)，開發(fā)了全球聞名的鍍層熱沖壓用鋼USIBOR1500。如今熱沖壓技術(shù)已在全球普遍應(yīng)用，全球已有140多條熱沖壓生產(chǎn)線，但熱沖壓生產(chǎn)線關(guān)鍵裝備和核心技術(shù)專利仍被幾家國際公司技術(shù)封鎖和壟斷，設(shè)備價格十分昂貴（一套裝備近億元）。以汽車行業(yè)為例：德國本特勒（BENTELER）擁有28條生產(chǎn)線全部以生產(chǎn)熱沖壓零部件為主，大眾集團(tuán)6條熱沖壓生產(chǎn)線為新款帕薩特轎車生產(chǎn)側(cè)圍外板和橫梁；日本以SUMITOMO、NSC為代表的鋼鐵制造商，以及AISIN主要為豐田Solara生產(chǎn)A柱等汽車零部件；韓國以Hysco、Posco、新永為代表。目前國內(nèi)現(xiàn)有的5條熱沖壓生產(chǎn)線，分別為長春BENTLER、昆山GESTAMP、上海BENTLER、上海COSMA和上海寶鋼熱沖壓零部件有限公司，但這五條生產(chǎn)線全部為高價進(jìn)口的國外生產(chǎn)線，主要用于國產(chǎn)速騰、奧迪等幾款轎車核心零部件生產(chǎn)（如A柱、B柱、前后保險杠等），耗資巨大，國內(nèi)汽車廠家成本負(fù)擔(dān)加大，國內(nèi)眾多汽車公司正迫切尋求用國產(chǎn)熱沖壓線來制造汽車結(jié)構(gòu)件。

此外，由于熱成形過程中涉及復(fù)雜的熱─力─相變多物理場耦合和多尺度問題，以及熱邊界非線性摩擦力學(xué)問題，大量熱成形參數(shù)對成形零部件幾何性能和機(jī)械性能的影響都有待研究，熱成形的計算機(jī)仿真還處于探索階段。

大連理工大學(xué)汽車工程學(xué)院胡平教授團(tuán)隊在獨立開發(fā)出的集成化沖壓件成形性仿真CAE軟件系統(tǒng)KMAS（King-Mesh Analysis System）的基礎(chǔ)上，結(jié)合大量的實際實驗論證，成功地開發(fā)出高強(qiáng)度鋼板熱沖壓成形數(shù)值模擬CAE軟件KMAS/HF。

熱沖壓技術(shù)的自主研發(fā)

目前，國內(nèi)以吉林偉孚特汽車零部件有限公司（VAFT）為代表的高科技企業(yè)，開展了產(chǎn)學(xué)研全面合作，已打破國外公司的技術(shù)壟斷，建立了熱沖壓高強(qiáng)度鋼板在成形過程中的熱─力─相變多物理場耦合本構(gòu)理論和動力顯式彈塑性大變形有限元算法。成功研制出具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的節(jié)能型高強(qiáng)度鋼板熱沖壓成套技術(shù)、仿真軟件和批量的自動化生產(chǎn)裝備線，突破了制造工藝中的各種關(guān)鍵技術(shù)，已能夠為國內(nèi)汽車主機(jī)廠（奇瑞、一汽等）提供小批量生產(chǎn)熱成形件，具有一定的市場優(yōu)勢，目前正在開展其他車身熱成形零件的模具設(shè)計和生產(chǎn)準(zhǔn)備。

連續(xù)加熱爐

熱沖壓成形的技術(shù)指標(biāo)，決定了熱沖壓連續(xù)加熱爐與其他加熱爐相比具有獨特的核心技術(shù)：

⑴防氧化功能。對于沒有氧化保護(hù)涂層的鋼板，在高溫下氧化脫碳非常嚴(yán)重，需要加熱爐采取嚴(yán)格的氣體保護(hù)。

⑵加熱爐內(nèi)的溫度分布在整個生產(chǎn)過程中須根據(jù)成形要求實現(xiàn)連續(xù)、多級、分區(qū)段加熱功能，實現(xiàn)爐內(nèi)溫度控制和監(jiān)測，以保證板料溫度的均衡性。

⑶加熱爐部件均在高溫下（超過900℃）長期連續(xù)運行，必須考慮部件的膨脹性能、高溫?zé)崞谀途眯?、故障率等問題且具有斷電保護(hù)功能等等。

⑷熱沖壓生產(chǎn)線需要滿足設(shè)定的生產(chǎn)節(jié)拍，所以需要適合高溫工作要求的進(jìn)出料裝置同時還需要有穩(wěn)定的自動控制系統(tǒng)。

圖5 VAFT完全自主產(chǎn)權(quán)的國內(nèi)第一條熱沖壓生產(chǎn)線

由于上述原因及國外企業(yè)的技術(shù)壟斷與封鎖，國內(nèi)長期不具備開發(fā)熱沖壓成形連續(xù)加熱爐的能力。吉林偉孚特汽車零部件有限公司和大連理工大學(xué)合作，經(jīng)過數(shù)年的持續(xù)科技攻關(guān)，在國內(nèi)率先開發(fā)出具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的節(jié)能型加熱爐系統(tǒng)。與國外生產(chǎn)線常用的隧道爐不同，該加熱爐占地面積只是國外隧道爐的1/4。從降低散熱能量消耗和開機(jī)、關(guān)機(jī)的電能消耗考慮，比國外技術(shù)產(chǎn)品節(jié)能將近30％，配以國產(chǎn)伺服控制裝置，能夠確保加熱爐的長期穩(wěn)定運行和爐中加熱料片梯度升溫奧氏體化的穩(wěn)定性。如圖5所示，為VAFT完全自主產(chǎn)權(quán)的國內(nèi)第一條熱沖壓生產(chǎn)線，它主要由高速壓機(jī)、工業(yè)連續(xù)加熱爐、水冷模具、轉(zhuǎn)運機(jī)構(gòu)、高速機(jī)械手和自動化控制系統(tǒng)等組成。

沖壓─淬火一體化水冷模具

鋼板經(jīng)加熱爐加熱后，要按預(yù)期的形狀沖壓成形同時實現(xiàn)強(qiáng)化硬化，需要依賴于有復(fù)雜冷卻水道的熱沖壓模具，針對不同零部件水冷模具的冷卻水道設(shè)計也是其核心技術(shù)之一。包括以下幾方面：

⑴為滿足板料馬氏體轉(zhuǎn)變及組織分布的均勻性要求，進(jìn)行不同模面下的水冷管道回路布局、孔徑尺寸、位置分布、水流流動方式等諸多因素下的優(yōu)化設(shè)計，以保證板料在設(shè)定的冷卻速率下按照成形要求成形。

⑵熱沖壓成形模具在高低溫連續(xù)變化的環(huán)境下工作，這就需要考慮模具的膨脹性及使用壽命來選擇模具材料及加工工藝。

⑶對于有、無氧化保護(hù)涂層的鋼板熱沖壓成形，均需要考慮模具的加速磨損，因為模具會在帶有氧化層或涂層的環(huán)境下工作。

全球范圍內(nèi)能成功設(shè)計、制造熱沖壓模具的廠家不超過20家，而且實行嚴(yán)格的技術(shù)保護(hù)。國內(nèi)長期不具備開發(fā)水冷模具的能力。經(jīng)過多年的科技攻關(guān)，吉林偉孚特汽車零部件有限公司和大連理工大學(xué)結(jié)合計算機(jī)仿真優(yōu)化技術(shù)，已經(jīng)掌握水冷模具設(shè)計的能力并擁有數(shù)項相關(guān)專利。

中央智能控制自動化集成系統(tǒng)

熱沖壓生產(chǎn)線中由于進(jìn)行高溫加熱，板料在紅熱狀態(tài)下極易變形，且處于高溫狀態(tài)等諸多因素決定了上下料裝置應(yīng)采用特殊抓拾器，通過機(jī)械手臂實現(xiàn)板料的上下料動作。抓拾器不僅要考慮到鋼板高溫狀態(tài)下的膨脹效應(yīng)，還要保證平穩(wěn)，接觸紅熱板料的接觸點要盡可能降低局部冷卻。為盡量減少鋼板表面的氧化，上料時間要盡可能短。采用復(fù)合運動結(jié)構(gòu)的機(jī)械手臂和計算機(jī)交流變頻控制、液壓緩沖加電氣制動復(fù)合定位處理，以此實現(xiàn)高速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定定位和節(jié)拍同步可控。此外，上下料裝置還應(yīng)附帶溫度監(jiān)測裝置，如紅外測溫、探傷等，便于根據(jù)實際生產(chǎn)過程中數(shù)據(jù)進(jìn)行工藝優(yōu)化、性能檢測、疲勞性能預(yù)測、工序故障自鎖等功能，實現(xiàn)系統(tǒng)閉環(huán)控制。

基于TOP-DOWN系統(tǒng)設(shè)計及產(chǎn)業(yè)化集成思路，構(gòu)建整體靈活、節(jié)能高效、穩(wěn)定可靠的可集成控制熱沖壓生產(chǎn)線是實現(xiàn)裝備國產(chǎn)化之路的重中之重。集成系統(tǒng)首先應(yīng)做好頂層設(shè)計，層層分解（Top設(shè)計），保證各功能部件滿足統(tǒng)一的系統(tǒng)精度和可靠性要求，實現(xiàn)中央可控的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)線集成系統(tǒng)。控制系統(tǒng)應(yīng)采用高可靠、穩(wěn)定的PLC現(xiàn)場總線工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，組成三級控制系統(tǒng)（企業(yè)級、工藝級、設(shè)備級），對外關(guān)聯(lián)設(shè)備均通過總線控制協(xié)議進(jìn)行控制與連鎖。在解決各大功能部件共性關(guān)鍵技術(shù)問題中，將加熱爐、高速壓機(jī)、送料設(shè)備高速輸送裝置等按照生產(chǎn)節(jié)拍預(yù)先設(shè)定，實現(xiàn)同步聯(lián)動和系統(tǒng)集成，保證國產(chǎn)化熱沖壓生產(chǎn)線的可靠性和穩(wěn)定性，其中央控制網(wǎng)絡(luò)如圖6所示。

圖6 國產(chǎn)化熱沖壓生產(chǎn)線中央控制網(wǎng)絡(luò)示意圖

熱沖壓模擬及水道優(yōu)化設(shè)計CAE軟件

構(gòu)建穩(wěn)定、精確、可靠的工業(yè)級熱沖壓生產(chǎn)線離不開對產(chǎn)品進(jìn)行全方位、多層次的仿真優(yōu)化分析。實現(xiàn)和優(yōu)化熱沖壓工藝及水冷模具設(shè)計制造，需要開發(fā)相應(yīng)的數(shù)值模擬CAE軟件。目前國內(nèi)、外對高強(qiáng)鋼熱沖壓過程的CAE分析方法主要有：針對熱沖壓成形性預(yù)測的過程分析、預(yù)測零件組織性能的保壓淬火過程分析以及預(yù)測零件精成形精度的回彈分析三個方面，如ANSYS、DYNAFORM、ABAQUS等。但上述軟件只能進(jìn)行簡單的熱力過程分析，引入的相關(guān)參數(shù)僅為簡單的熱傳導(dǎo)下的受力情況分析，由于在實際熱沖壓過程中鋼板的微觀組織發(fā)生改變，涉及零件內(nèi)部組織由奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變，微觀組織變化規(guī)律帶來的零件力學(xué)性能的突變并未考慮其中，因此無法從微觀到宏觀尺度全面、準(zhǔn)確的進(jìn)行數(shù)值模擬仿真。

大連理工大學(xué)利用自主開發(fā)的熱沖壓及淬火過程仿真CAE軟件KMAS/HF（King Mesh Analysis system/Hot Forming），將多物理場和多尺度的熱—力—相變耦合本構(gòu)理論和有限元計算方法引入熱沖壓成形工藝的數(shù)值模擬，填補(bǔ)了國內(nèi)熱沖壓數(shù)值仿真的空白，如圖7所示，為KMAS/HF系統(tǒng)的主界面及其相關(guān)功能。

首先，準(zhǔn)確預(yù)測在設(shè)定的熱沖壓生產(chǎn)節(jié)拍下，冷卻水以流過模具冷卻回路時對高溫狀態(tài)鋼板產(chǎn)生的冷卻速率，得到優(yōu)化的熱—力邊界條件，引入板料在不同溫度下變化的熱力性能變化曲線，考慮從單晶到多晶織構(gòu)下熱沖壓板料的不同本構(gòu)關(guān)系，進(jìn)行復(fù)雜的熱—力—相變多物理場耦合分析，實現(xiàn)預(yù)測零件的組織和力學(xué)性能的準(zhǔn)確性。同時，從落料模具設(shè)計到板料快速展開，根據(jù)各個階段的熱邊界條件，能夠保證成形件各部位均勻淬火。目前該軟件已通過試驗并進(jìn)行了準(zhǔn)確性和有效性驗證，如圖8所示，展示了KMAS/HF對復(fù)雜車身結(jié)構(gòu)件防撞梁的熱沖壓數(shù)值模擬及其水冷模具的優(yōu)化設(shè)計。

圖7 熱沖壓數(shù)值模擬及水道優(yōu)化設(shè)計過程

圖8 KMAS/HF熱沖壓數(shù)值模擬及水道優(yōu)化設(shè)計過程

結(jié)束語

對于汽車沖壓件制造企業(yè)來說，盡管在汽車車身制造過程中采用新技術(shù)、新工藝存在著投資大、新技術(shù)不成熟等風(fēng)險，但只有掌握了新技術(shù)、新工藝，才有可能更大程度地降低成本和提高勞動生產(chǎn)率，在企業(yè)間殘酷的競爭中覓得先機(jī)，不斷地開發(fā)和采用新技術(shù)、新工藝代表著汽車制造業(yè)的發(fā)展方向和未來。而熱沖壓工藝以其巨大的經(jīng)濟(jì)效益和輕量化潛力，已然成為日趨成熟的汽車結(jié)構(gòu)件制造的先進(jìn)工藝。但與世界上汽車產(chǎn)業(yè)強(qiáng)國相比，我國的熱沖壓裝備生產(chǎn)線關(guān)鍵技術(shù)及成套裝備研究起步較晚，國內(nèi)的鋼鐵和汽車廠商要看到這一市場契機(jī)，加大研發(fā)力度，擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的專有技術(shù)，才是中國汽車工業(yè)及裝備制造業(yè)全方位發(fā)展的前途所在。

車用高強(qiáng)鋼熱沖壓技術(shù)的發(fā)展與自主研發(fā)

文/胡平，盈亮，郭潤清，韓小強(qiáng)·大連理工大學(xué)汽車工程學(xué)院