熱沖壓成形零件質(zhì)量控制因素分析

張西強(qiáng)/陜西東風(fēng)車橋傳動(dòng)系統(tǒng)股份有限公司

熱沖壓成形零件質(zhì)量控制因素分析

張西強(qiáng)/陜西東風(fēng)車橋傳動(dòng)系統(tǒng)股份有限公司

針對(duì)當(dāng)前熱沖壓成型零部件的質(zhì)量控制進(jìn)行詳細(xì)分析，提出了相應(yīng)的熱沖壓在成形零部件制作中的應(yīng)用策略和工藝流程，同時(shí)對(duì)熱沖壓成形過程中，零部件的質(zhì)量控制以及影響因素進(jìn)行詳細(xì)分析，希望為廣大業(yè)內(nèi)人士提供一定的理論依據(jù)。

熱沖壓技術(shù)；成形零部件；質(zhì)量控制

基于熱沖壓零件的質(zhì)量控制形式的特殊性，在實(shí)踐過程中必須對(duì)其引起重視，掌握熱沖壓零件的形狀及尺寸精度高。熱沖壓的形成過程比較復(fù)雜，需要根據(jù)實(shí)際情況，選擇有效的處理方式，適應(yīng)質(zhì)量控制的要求。

1.熱沖壓成形工藝流程及應(yīng)用

超高強(qiáng)度鋼板的熱沖壓成形是將可淬火硼鋼板經(jīng)一次成形并淬火處理，完成最終外形。在整個(gè)生產(chǎn)過程中，在該技術(shù)方法的影響下，超高強(qiáng)度鋼板成型過程得到簡化，并且部件組織強(qiáng)度水平更高[1]。在生產(chǎn)過程中，超高強(qiáng)度鋼板的熱沖壓形成過程為：落料加熱至奧氏體狀態(tài)→放入模具沖壓成型→保持模具外形穩(wěn)定→處理鋼板氧化皮→沖孔、涂油等常規(guī)處理。

在生產(chǎn)過程中會(huì)發(fā)現(xiàn)，板料在加熱至奧氏體化溫度后，所采取的保溫措施有效保證了原材料組織的穩(wěn)定性，避免出現(xiàn)了組織成分不均勻現(xiàn)象；在將板料工件放入冷沖壓模具后對(duì)其進(jìn)行降溫，該過程中的成型溫度明顯高于馬氏體轉(zhuǎn)變溫度，只有這樣，才能保證原件成型后具有良好的塑性。而在沖壓階段結(jié)果后，需要對(duì)原材料進(jìn)行必要的淬火處理，使零件不僅具有良好的精度性，還具有高強(qiáng)度特征。當(dāng)前，可生產(chǎn)熱沖壓用鋼板的企業(yè)較少，主要集中在西方國家，我國寶鋼公司也是具有生產(chǎn)資質(zhì)的企業(yè)之一。而在技術(shù)應(yīng)用中，該鋼板早已被應(yīng)用在汽車生產(chǎn)中，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，汽車結(jié)構(gòu)中的防撞桿、保險(xiǎn)杠等部件都是由該鋼板構(gòu)成。

圖1 可應(yīng)用熱沖壓技術(shù)的部件

2.熱沖壓成形零件質(zhì)量影響因素

由于模具結(jié)構(gòu)本身存在一定的差異性，其影響因素比較多，包括設(shè)備性能、模具結(jié)構(gòu)及制作精度等，在實(shí)踐過程中必須對(duì)材料成分、沖壓結(jié)構(gòu)等有一定的了解，合理選擇相關(guān)的模具。最后要特別注意與傳熱及熱處理相關(guān)的模具和熱沖壓工藝參數(shù)兩個(gè)方面的因素。

2.1 模具設(shè)計(jì)

由于比較高強(qiáng)度的鋼板在沖壓過程中要經(jīng)過奧氏體化溫度以上再降到室溫這一復(fù)雜的溫度變化。模具在對(duì)板料的形成結(jié)構(gòu)有一定的要求，材料的選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式等都需要符合具體控制標(biāo)準(zhǔn)，適應(yīng)構(gòu)件性能的整體性需求。

2.1.1 模具的選擇

由于結(jié)構(gòu)材料和設(shè)計(jì)形式對(duì)工具的選擇而有一定的影響，需要根據(jù)模具形式的要求，滿足結(jié)構(gòu)鋼性和表面硬度的要求，合理選擇材料。此外要求成形模具具有足夠的結(jié)構(gòu)剛性、表面硬度與疲勞壽命,模具材料選擇不當(dāng)將導(dǎo)致模具開裂等問題,影響沖壓質(zhì)量。同時(shí)對(duì)模具的應(yīng)用強(qiáng)度有一定的要求，需要在穩(wěn)定的工作狀態(tài)下，結(jié)合冷熱交替條件的要求，降低溫度，抵抗高溫板料對(duì)模具產(chǎn)生的強(qiáng)力熱摩擦以及脫落的氧化層碎片及顆粒在高溫下對(duì)模具表面的磨粒磨損效應(yīng)。如果達(dá)不到理想的控制需求，則會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的質(zhì)量波動(dòng)情況，增加管理難度。工作人員需要了解加熱溫度的要求，根據(jù)實(shí)際情況，選擇模具材料。

2.1.2 模具冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

根據(jù)熱沖壓模具形式的要求，在后續(xù)干預(yù)過程中必須滿足零件控制結(jié)構(gòu)的要求，根據(jù)模具整體形勢(shì)的要求，確定溫度。如果不及時(shí)對(duì)模具進(jìn)行降溫處理，則無法達(dá)到理想的組織性能，進(jìn)而出現(xiàn)零件功能不足的情況，因此在實(shí)踐過程中需要滿足生產(chǎn)的要求，根據(jù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的要求，滿足熱沖壓模具設(shè)置的發(fā)展趨勢(shì)，適應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。冷卻控制系統(tǒng)的對(duì)零件的冷卻速度有一定的要求，如果棚內(nèi)溫度不斷升高，則必然會(huì)影響臨界冷卻溫度[2]。因此在實(shí)踐過程中，使奧氏體組織盡可能多地轉(zhuǎn)化成馬氏體組織,以保證零件的強(qiáng)度性能。同時(shí)通過有效的冷卻系統(tǒng)，能降低模具的溫度，保證模具表面溫度符合基礎(chǔ)控制形式的要求，進(jìn)而提升沖壓質(zhì)量。

2.2 熱沖壓工藝參數(shù)

在對(duì)鋼板進(jìn)行熱沖壓時(shí)，鋼板加熱過程中板料溫度會(huì)隨著時(shí)間的不斷推移而產(chǎn)生變化，具體情況如下圖2所示，板料通過合適的加熱速率加熱到奧氏體溫度狀態(tài)。在奧氏體溫度狀態(tài)下可以保持一段時(shí)間正常溫度，之后在模具中成型、在模具中降溫，當(dāng)成行結(jié)束之后在模具中通過保壓猝火的方式進(jìn)行處理。這一過程中奧氏體的溫度變化以及保溫時(shí)間、成型時(shí)間等都會(huì)對(duì)零件的最終質(zhì)量產(chǎn)生巨大的影響。

2.2.1 奧氏體溫度

在熱沖壓的全過程中，都是要先對(duì)板料進(jìn)行加熱的，將板料加熱到奧氏體狀態(tài)下某溫度后再放入到模具中成型，所以奧氏體溫度狀態(tài)下溫度高低會(huì)對(duì)最終模具成型溫度產(chǎn)生巨大的影響[3]。通常情況下，可以將金屬熱變形理論當(dāng)成最為基礎(chǔ)的理論來使用，如果成型溫度過高，則金屬原子動(dòng)能也會(huì)隨之增加，這種情況下很容易出現(xiàn)再結(jié)晶問題。如果在實(shí)際工作中產(chǎn)生再結(jié)晶，可以降低材料硬化幾率與金屬抗形變能力，全面提升金屬材料的塑性。該變化過程也可以減少成型所需壓力。如果奧氏體狀態(tài)溫度比較低，則后續(xù)形成材料均處在成型和低溫共同存在的狀態(tài)，導(dǎo)致材料產(chǎn)生相變，不能滿足性能需求。

圖2 熱沖壓過程板料溫度變化示意圖

2.2.2 保溫時(shí)間

通過各種保溫處理的方式來保證材料始終具有較為均勻的組織性能，才能保證最終零件的質(zhì)量。一旦因?yàn)楦鞣N內(nèi)部因素和外部因素的影響導(dǎo)致材料保溫時(shí)間不達(dá)標(biāo)，很容易使材料內(nèi)部晶體大小不一，影響后期成型。這種模式下即便是猝火，馬氏體組織也很難均勻，并且會(huì)對(duì)熱沖壓均勻性產(chǎn)生影響，導(dǎo)致零件質(zhì)量不達(dá)標(biāo)。

2.2.3 冷卻速度。

在冷卻工序中，工作人員要掌握熱沖壓的作用原理，然后明確淬火的目的，讓鋼板在形狀改變的過程中，可以在較短的時(shí)間內(nèi)冷卻。這個(gè)工序能夠獲取高強(qiáng)度的鋼構(gòu)件。但是如果沒有嚴(yán)格按照模具規(guī)范，或是介質(zhì)的不同，都可能降低該反應(yīng)發(fā)生的效率[4]。淬火介質(zhì)的錯(cuò)誤選擇，會(huì)導(dǎo)致鋼構(gòu)件的強(qiáng)度較差，在冷卻中得不到較好的處理。所以，針對(duì)板料熱沖壓成形的整體過程，要認(rèn)真分析不同流程達(dá)到的效果，重點(diǎn)提升零件的性能和質(zhì)量。

2.2.4 保壓時(shí)間。

在熱沖壓零件質(zhì)量的分析中，其優(yōu)勢(shì)是成形的零件形狀比較好，并具有較高的精準(zhǔn)度。在成形結(jié)束后，決定其質(zhì)量的主要因素是保壓淬火工藝。工作人員在工作中，要掌握作業(yè)先的節(jié)拍，然后重視最后的質(zhì)量，并分析這些過程的對(duì)應(yīng)關(guān)系。如果保壓時(shí)間長，那么零件的形狀和精準(zhǔn)度較高，沖壓作業(yè)節(jié)拍時(shí)間較長，整個(gè)過程的成本較高。反之，零配件的質(zhì)量和精準(zhǔn)度較差，沖壓時(shí)間較短，節(jié)約成本。在實(shí)際應(yīng)用中，要根據(jù)不同的需求，合理選取保壓時(shí)間，充分體現(xiàn)其在零件質(zhì)量控制中的重要性。

3.結(jié)束語

在長期的生產(chǎn)實(shí)踐過程中，對(duì)各種零部件的熱沖壓成形以及質(zhì)量進(jìn)行有效控制，可以很大的提高產(chǎn)品質(zhì)量。針對(duì)熱沖壓成形工藝流程及應(yīng)用方式進(jìn)行詳細(xì)分析，同時(shí)提出了熱沖壓成形技術(shù)影響零件質(zhì)量的幾點(diǎn)因素，對(duì)熱沖壓成形零件質(zhì)量控制具有一定意義。

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