超高強度鋼熱沖壓成形研究進展（下）

馬鳴圖 張宜生 宋磊峰 吳娥梅 王義林 路洪洲

四、熱沖壓成形零件的后續(xù)加工

1.零件的激光切割技術(shù)

激光切割是熱沖壓成形零件最后加工成形的工藝技術(shù)，激光切割的工藝參數(shù)將影響切割面的質(zhì)量和加工精度，切割加工面臨靠近熱影響區(qū)的組織，激光切割輸入能量的大小還會影響到切割面附近的工件的變形，因此應(yīng)對激光切割技術(shù)和裝備應(yīng)進行合理的制定和選擇。文獻[33]曾對相硬化零件激光切割的周期性條紋和顯微組織進行模擬，計算了激光切割時的橫截面的溫度場，表面形貌以及相關(guān)的影響因素。圖6示出了3種類型的數(shù)字表面預(yù)測形貌，根據(jù)預(yù)測和試驗結(jié)果，對激光切割工藝參數(shù)的制定提出了建議。文獻[34]曾進行了3D光纖激光切割機器人對熱沖壓成形門防撞桿的切割加工工藝的優(yōu)化研究，在激光切割中通過引入攝影測量技術(shù)，得到了尚未切割的3D模型，從而推出了離線程序的創(chuàng)新方法，通過事先避免交界面干涉，選擇合適的介入點，調(diào)整法向常數(shù)和合適的工藝參數(shù)，改進了切割質(zhì)量和切割效率。

2.不同的加熱技術(shù)

目前熱沖壓成形的加熱方式主要有輥道式爐子加熱，多層箱式爐加熱。為了提高生產(chǎn)率，進行了直接通電加熱和感應(yīng)加熱的研究[35]。結(jié)果表明，雖然通電加熱可以提高加熱效率，但是對不同形貌的構(gòu)件要保證其溫度均勻性，尚有難度；感應(yīng)加熱也需要考慮不同形狀板坯加熱的困難。就目前來講，通電加熱和感應(yīng)加熱的應(yīng)用還受到限制，重慶新材料工程中心曾對鍍鋅板和鋁硅鍍層板進行了直接通電加熱和感應(yīng)加熱試驗，發(fā)現(xiàn)2種加熱方式對鍍層板的質(zhì)量和鍍層微裂紋產(chǎn)生都有明顯的不良影響。因此關(guān)于這方面的技術(shù)尚需進一步探討。

3.熱沖壓超高強度板的點焊技術(shù)

文獻[36]對連接技術(shù)——電阻點焊進行了研究，所用試樣為1 500MPa的熱沖壓成形鋼，板厚是1.8mm，研究了焊接電流、焊接時間、電極壓力對最大剪切力的影響以及對熔核直徑的影響，有關(guān)試驗結(jié)果見圖7。目前正在探討點焊沖擊狀態(tài)下的失效模式和焊核直徑、板材厚度、沖擊功之間的關(guān)系。

4.熱沖壓成形質(zhì)量的檢測和構(gòu)件功能的檢測

對熱成形零件應(yīng)進行力學(xué)性能、顯微組織、尺寸精度、剛度及動態(tài)性能檢測，文獻[37]曾基于磁性巴克豪森噪聲法（Magnetic Barkhausen Noise，MBN）開發(fā)了熱沖壓成形零件硬度的非破壞檢測裝置，為熱沖壓成形零件的質(zhì)量快速檢測提供了有前景的檢測手段。熱沖壓成形零件多用于汽車的安全件，它又是輕量化的零件，因此必須進行剛度和碰撞吸能等方面的檢測。

五、熱沖壓成形的模具設(shè)計和制造

熱沖壓成形模具設(shè)計和制造是熱沖壓成形的關(guān)鍵技術(shù)之一，和冷沖壓模具不同，冷沖壓模具只是沖壓成形問題，而熱沖壓模具不僅要在熱狀態(tài)下進行成形，而且還要經(jīng)過成形后的零件能夠淬火使其成為超高強度的構(gòu)件。在沖壓成形過程中，模具應(yīng)具有高的耐磨性、耐熱性、熱疲勞性能和高的導(dǎo)熱性。

設(shè)計熱沖壓成形模具首先應(yīng)進行模面設(shè)計，并根據(jù)零件形狀和成形性模擬的要求，對模面進行修改和完善。由于沖壓零件在高溫狀態(tài)，故模具材料要求高的耐熱性。在沖壓成形完成之后，零件應(yīng)在模具中進行淬火，故為使模具具有強的冷卻能力，以保證連續(xù)熱沖壓時溫度不能升高，模具中應(yīng)該通有水道冷卻。水道的設(shè)計、加工都是難點。為保證水道的分布合理，必須對水道和冷卻系統(tǒng)進行計算機模擬，以控制水的流速、水的流量、水的溫度。模具的設(shè)計和制造涉及到材料學(xué)、金相學(xué)、傳熱學(xué)、流體力學(xué)等多學(xué)科知識的集成。

六、熱沖壓成形裝備

熱沖壓成形從2000年以后開始在中國發(fā)展，這一技術(shù)在中國應(yīng)用的伊始，其生產(chǎn)線的裝備多半從國外引進。2010年以后，中國的高校如華中科技大學(xué)建立了自主的熱沖壓成形的試驗線，該線采用箱式爐加熱，機器人傳遞工件，電伺服壓機作為熱成形沖壓設(shè)備，同時哈爾濱工業(yè)大學(xué)威海分校、東北大學(xué)與山東大王金泰集團有限公司合作建立了一條以輥道式爐子為加熱裝置，機械手傳遞工件，快速油壓機做熱沖壓設(shè)備的小批試產(chǎn)線，進行了試運行。其壓機、爐子以及工件傳遞的可靠性和匹配、壽命有待進一步的試驗。大連理工大學(xué)和合肥鍛壓機床股份有限公司結(jié)合工業(yè)信息化部的04專項試制了高速液壓機，并建立了一條熱沖壓生產(chǎn)線。該生產(chǎn)線采用旋轉(zhuǎn)式加熱爐，機器人上料，目前也在試驗中。中國汽車工程研究院股份有限公司（簡稱“中汽院”）、華中科技大學(xué)和湖北永喆熱沖壓零部件有限公司，在引進線中采納了多層箱式爐的加熱方法，采用快速機械手傳遞工件，快速液壓機進行熱沖壓；該線的加熱爐由3個模塊，每個模塊7層加熱爐組成，年生產(chǎn)量可達100萬沖次以上，目前運行良好。

華中科技大學(xué)和中汽院等基于原來對壓機和自動化的研發(fā)成果，和東莞豪斯特?zé)釠_壓技術(shù)有限公司合作，新建了一條具有自主知識產(chǎn)權(quán)的熱沖壓成形生產(chǎn)線，該生產(chǎn)線具有高效節(jié)能、柔性智能的特點，并首次采用電伺服壓機，具有良好的節(jié)能減排效果，動作的精度、準(zhǔn)確性比液壓機高。所采用的加熱爐為多層箱式爐，其制造工藝水平和結(jié)構(gòu)優(yōu)于國外的先進水平；工件傳遞采用快速機械手，在多次進行計算機模擬和修改機械手結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，優(yōu)化了設(shè)計，保證了工件傳遞的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。這條生產(chǎn)線具有節(jié)能減排的特點，同時各種性能水平代表了目前熱沖壓成形的趨勢和我國自主研發(fā)的生產(chǎn)設(shè)備的水平，具有占地面積小、投資小、性價比高的特點，有廣闊的推廣應(yīng)用前景。文獻[38]也報道了用機械伺服壓機，改進熱沖壓成形時的生產(chǎn)率和能源消耗。

七、熱沖壓成形的應(yīng)用

2008-2010年之間，國外大約有110條熱沖壓生產(chǎn)線，主要分布在美國、德國、日本、以及法國、西班牙、瑞典等國家。中國僅5條生產(chǎn)線，分別是長春本特勒（BENTLER）、上海昆山海斯坦普（GESTAMP），上海本特勒、上海嘉定卡斯馬（COSMA）及上海寶鋼集團公司熱沖壓零部件有限公司。熱沖壓生產(chǎn)線大多由瑞典APT公司及德國舒樂（Shuler）公司提供，2家公司幾乎壟斷了全球所有的熱沖壓成形生產(chǎn)線市場。隨著熱沖壓成形技術(shù)的不斷發(fā)展，國內(nèi)熱沖壓生產(chǎn)線的數(shù)量也不斷上升，主要分布在東北、華北和華東地區(qū)。除此之外西南、東南、華中等地區(qū)也有熱成形生產(chǎn)線建設(shè)計劃，2015年，中國將有超過40條熱沖壓成形生產(chǎn)線，主要分布在中國的東北、華北、華東、華中及東南等地。隨著中國汽車工業(yè)對輕量化認(rèn)識的深入，中國油耗和安全法規(guī)的提升，人們對輕量化的興趣進一步提升，計劃投資建設(shè)的熱沖壓成形生產(chǎn)線還有10余條。全世界熱沖壓成形生產(chǎn)線的總數(shù)已超過180條，歐洲2013年汽車產(chǎn)量將近1 000萬輛，具有60條熱沖壓成形生產(chǎn)線，而中國2014年汽車產(chǎn)量為2 372萬輛。以此推算，熱沖壓成形生產(chǎn)線還有很大的發(fā)展空間。

八、熱沖壓成形的認(rèn)識和熱點問題

1.關(guān)于熱沖壓成形的認(rèn)識

在中國，對熱沖壓成形的認(rèn)識有2種傾向。一種認(rèn)為熱沖壓成形工藝很簡單，就是把板材燒紅，然后在模具中熱沖壓成形即可。正是基于這種認(rèn)識，不少企業(yè)盲目上了一些簡單或改造的生產(chǎn)線，無法滿足熱沖壓成形嚴(yán)格的工藝要求，難以保證產(chǎn)品的質(zhì)量和性能的一致性，這種局面需要改進。另一種認(rèn)識是熱沖壓成形裝備、材料、工藝、檢測、評價等具有技術(shù)含量高、難度大，在目前條件下中國企業(yè)尚難以解決相關(guān)技術(shù)問題，因此相關(guān)裝備和技術(shù)必須引進國外，盲目崇拜國外，導(dǎo)致多條生產(chǎn)線重復(fù)引進。由于生產(chǎn)線的引進價格較高，包括今后的維修、配件成本都很高，因此，生產(chǎn)成本偏高導(dǎo)致企業(yè)負(fù)擔(dān)很重，難以拿出性價比高的熱沖壓成形零件使企業(yè)缺乏競爭能力，再加上國外的公司有意在配套的關(guān)系建立中以引進裝備為條件，影響了熱沖壓成形設(shè)備的國產(chǎn)化和熱沖壓成形技術(shù)的發(fā)展。

以上2種認(rèn)識都比較片面，需要深度討論。應(yīng)該說，熱沖壓成形技術(shù)、材料、裝備、工藝在國外發(fā)展多年，有了較多的積累，綜合技術(shù)和配套水平已確實處在較高水平，但這一技術(shù)絕非高不可攀。通過國內(nèi)產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合攻關(guān)，我國在熱沖壓成形相關(guān)的技術(shù)和裝備中的有關(guān)問題是完全有能力解決的，只要組織好國內(nèi)頂級團隊，將國內(nèi)高水平的設(shè)備制造廠家、自動化裝備的廠家、模具生產(chǎn)廠家、以及從事材料開發(fā)和工藝技術(shù)研發(fā)的高校、科研單位，組織起來聯(lián)合攻關(guān)，一定會開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的節(jié)能減排、高性價比的熱沖壓成形的裝備和相關(guān)技術(shù)，提高我國熱沖壓成形零部件的配套水平和競爭能力。東莞豪斯特的生產(chǎn)線，已經(jīng)展示了這樣一種趨勢。

2.關(guān)于熱沖壓成形的熱點問題

（1）熱沖壓成形的鋼板材料

熱沖壓成形的鋼板材料需要注意以下問題：加大工藝窗口，為工藝的實施和性能的穩(wěn)定性創(chuàng)造條件；提高表面抗氧化性，在無氮氣保護和無涂層的情況下使沖壓成形零件的表面質(zhì)量滿足設(shè)定的要求；提高熱沖壓成形用鋼材的性價比；在高強度下改善鋼材的強韌性和零件的延遲斷裂性能。

（2）熱沖壓成形的工藝技術(shù)

熱沖壓成形的工藝技術(shù)需要注意以下問題：提高熱沖壓過程中的生產(chǎn)率，在滿足工藝要求的前提下，降低工件的保壓時間；完善“一模多件”的模具設(shè)計和熱沖壓成形工藝；開展零件熱切邊的工藝技術(shù)，盡可能減少成形零件的激光加工量，降低工藝成本。

典型零件如門B柱等強度的柔性分布技術(shù)，包括鋼種的設(shè)計、局部加熱工藝、模具的冷卻系統(tǒng)，激光拼焊板的應(yīng)用；文獻[39-42]也從材料、工藝技術(shù)、激光拼焊對定制強度或強度柔性分布的熱沖壓成形零件進行了不同角度的探討，取得了一些進展。

此外，加熱爐保護氣氛的研究，開發(fā)抗氧化效果良好，價格更便宜的保護氣氛；減少板坯出爐到模具上工件的氧化、溫度降的工藝技術(shù)；零件加熱方式的研究，需要提高生產(chǎn)率、穩(wěn)定質(zhì)量、降低能耗，包括研究直接通電加熱，感應(yīng)加熱，箱式爐和輥道爐加熱以及多種加熱方式的復(fù)合。

（3）熱沖壓成形裝備

熱沖壓成形裝備主要圍繞高性價比、節(jié)能環(huán)保、又能滿足和穩(wěn)定零部件功能的要求裝備系統(tǒng)進行研發(fā)。

在壓機方面，多油缸、多儲能器液壓機的改進，使其自動化水平提升，工作溫度的適應(yīng)性強，成本降低；另一個方向是研發(fā)大功率的電伺服壓機，降低電伺服壓機的成本，研發(fā)熱沖壓成形零件的沖壓成形過程和保壓過程的壓機的工作曲線，為最合理的選擇壓機噸位提供參考和依據(jù)。

研究節(jié)能環(huán)保的加熱模式和加熱裝置，為確定合理的加熱方式，應(yīng)研究加熱方式對鍍層板鍍層微裂紋形成的影響，同時研究多層箱式爐、輥道爐及復(fù)合加熱模式如感應(yīng)加熱和輥道爐的復(fù)合對板坯加熱質(zhì)量的影響，比較不同加熱爐的能耗、爐子壽命、維修費用、造價、自動化水平等，全面評估不同加熱裝備的性價比，為用戶選擇提供強有力的支持。

模具的設(shè)計技術(shù)向著標(biāo)準(zhǔn)化、系列化方向發(fā)展，并建立熱沖壓成形模具的設(shè)計規(guī)范和熱沖壓成形模具設(shè)計、制造和使用維護的配件標(biāo)準(zhǔn)，開發(fā)新的熱沖壓成形模具用鋼，提高導(dǎo)熱性能、熱疲勞性能和耐磨性，建立熱沖壓成形模具的維修規(guī)范，完善其工藝技術(shù)，提升熱沖壓成形模具的使用壽命，降低其開發(fā)周期和加工成本。

九、結(jié)語

汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車產(chǎn)量和保有量的增多，在給人民帶來方便的同時，也產(chǎn)生了能耗、安全和排放3大問題，汽車工業(yè)節(jié)能減排刻不容緩。輕量化是在保證汽車安全和相關(guān)功能不變的情況下，汽車自重的減輕，它是汽車節(jié)能減排最直接最有效的手段。

既輕量化又保證安全就必然導(dǎo)致高強度、超高強度鋼的應(yīng)用；高強度鋼的應(yīng)用產(chǎn)生了模具的磨損，工件的回彈、成形困難等諸多問題。熱沖壓成形就此應(yīng)運而生。熱沖壓成形是獲得高性能超高強度汽車安全件的一個有效的工藝技術(shù)，其核心技術(shù)包括先進的工藝裝備（快速壓機、節(jié)能的爐子、工件的快速運輸及系統(tǒng)的總線控制）；帶冷卻系統(tǒng)的模具制造技術(shù)；工藝窗口寬、工件強韌性匹配好的熱沖壓成形材料等。中國汽車工業(yè)的發(fā)展為熱沖壓成形提供了廣闊的市場和應(yīng)用背景，故熱沖壓成形近幾年在中國快速發(fā)展，逐步形成了具有中國特色的熱沖壓成形材料、工模具、國產(chǎn)化的裝備系統(tǒng)以及專有的制造技術(shù)，這些將會進一步促進熱沖壓成形技術(shù)在中國的發(fā)展和應(yīng)用，為中國汽車工業(yè)和輕量化、安全技術(shù)的發(fā)展提供支撐。熱沖壓成形正圍繞著進一步的節(jié)能環(huán)保、零件強度的柔性分布、熱沖壓模具的延壽、熱沖壓零件生產(chǎn)效率的提升和質(zhì)量的穩(wěn)定性、一致性以及高性價比的熱沖壓成形零件的制造以及隨后應(yīng)用的連接技術(shù)等方面進行發(fā)展。中國有關(guān)科研單位、高校、生產(chǎn)應(yīng)用單位積極應(yīng)對、瞄準(zhǔn)國際先進水平進行相應(yīng)的研發(fā)工作，也愿意同國內(nèi)外同行共同合作，拓寬熱沖壓成形技術(shù)和裝備在中國的發(fā)展和應(yīng)用。

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