熱沖壓成形工藝及模具技術(shù)要點(diǎn)探討

文/李儉·東風(fēng)商用車有限公司車身廠

熱沖壓成形工藝及模具技術(shù)要點(diǎn)探討

文/李儉·東風(fēng)商用車有限公司車身廠

熱沖壓成形工藝是汽車行業(yè)近年來比較具有影響力的一項(xiàng)專門用于生產(chǎn)汽車超高強(qiáng)度鋼板沖壓件的先進(jìn)技術(shù)，本文主要對(duì)該技術(shù)工藝及模具技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行探討，以期與同行進(jìn)行交流。

節(jié)油減排是當(dāng)前汽車行業(yè)降低汽車使用成本提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力、減少排氣污染提高企業(yè)形象的重要方略，而在節(jié)油減排措施中，汽車輕量化的效果最為明顯，汽車重量每降低100公斤，每百公里可節(jié)約大概1.6升燃油。因此，塑料、鋁合金、碳纖維、高強(qiáng)度鋼板等各種替用材料開始在汽車制造中采用。其中，采用高強(qiáng)度鋼板可以減少零件料厚、減小零件截面尺寸使零件重量減輕?；驕p少零件數(shù)量使車重減輕，這些替用材料在實(shí)現(xiàn)汽車輕量化和提高汽車的安全性能方面比其他材料有明顯的優(yōu)勢(shì)，可以同時(shí)滿足汽車輕量化和提高安全性能的要求。因此，高強(qiáng)度鋼板在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。

熱成形技術(shù)是專門應(yīng)用于成形超高強(qiáng)度鋼板沖壓件的成形技術(shù)，該技術(shù)以板料在高溫狀態(tài)下沖壓成形并同時(shí)在模具內(nèi)冷卻淬火，可以成形強(qiáng)度高達(dá)1500MPa的沖壓件。目前廣泛應(yīng)用于轎車的車門防撞梁、前后保險(xiǎn)杠等保安件以及A柱、B柱、中通道等車體結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)，如圖1所示。

圖1 熱沖壓成形應(yīng)用零件

熱沖壓成形工藝

熱沖壓成形原理及流程

熱沖壓成形技術(shù)原理是把特殊的超高強(qiáng)度硼合金鋼板加熱到880～930℃，使坯料奧氏體化，隨后將坯料送到帶冷卻系統(tǒng)的模具內(nèi)沖壓成形，在成形同時(shí)由模具表面將坯料冷卻、淬火，使之發(fā)生相變，將奧氏體轉(zhuǎn)化為馬氏體，成形件因而得到強(qiáng)化。成形前硼合金坯料強(qiáng)度一般在500～600MPa，成形后的沖壓件強(qiáng)度可以達(dá)到1500MPa，強(qiáng)度提高250%以上，零件硬度達(dá)到50HRC，但是伸長(zhǎng)率下降比較大，成形前硼合金鋼板伸長(zhǎng)率可達(dá)24%以上，成形后伸長(zhǎng)率只有8%左右，所以熱沖壓成形技術(shù)也被稱為“沖壓硬化技術(shù)”。其工藝流程如圖2所示。

圖2 熱沖壓成形工藝流程

熱沖壓成形工藝選材

目前，熱成形用鋼均選用硼合金鋼，因微量的硼可有效提高鋼的淬透性，使零件在模具中以適當(dāng)?shù)睦鋮s速度獲得所需要的馬氏體組織，從而保證零件的高強(qiáng)度。目前熱沖壓成形用鋼有4種：Mn-B系列、Mn-O-B系列、Mn-Cr-B系列、Mn-W-Ti-B系列。其中，汽車覆蓋件熱沖壓成形鋼板一般分為帶涂層鋼板以及不帶涂層鋼板。

其中，無鍍層鋼板成本低、焊接性能好，但其加熱、沖壓過程中有氧化皮產(chǎn)生需要進(jìn)行噴丸處理，零件存儲(chǔ)過程易生銹，耐腐蝕性能較差。22MnB5鋼是典型的熱沖壓高強(qiáng)度無鍍層鋼板。22MnB5在不同加熱溫度下，抗拉強(qiáng)度隨溫度而變化(如圖3)。從圖3中可以看出，隨溫度的增加，板料抗拉強(qiáng)度在900℃時(shí)出現(xiàn)最大值，溫度繼續(xù)增加，抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。板料在加熱溫度為900℃時(shí)，表現(xiàn)出的力學(xué)性能較佳。板料要達(dá)到抗拉強(qiáng)度為1500MPa，溫度在930℃左右即可，強(qiáng)度是普通鋼板強(qiáng)度的3～4倍。

熱沖壓鍍層鋼板按鍍層成分體系劃分，可分為鋁硅（Al-10Si）鍍層、電鍍鋅鎳（Zn-10Si）鍍層、熱鍍純鋅（GI）層和合金花鋅鐵（GA）鍍層，相比無鍍層板材，其優(yōu)勢(shì)為：加熱爐在生產(chǎn)過程中無需保護(hù)氣體;熱沖壓件在加熱、沖壓過程中無氧化皮產(chǎn)生，無需噴丸處理，對(duì)模具無影響;零件在儲(chǔ)存過程中不生銹，耐腐蝕性能好。其缺點(diǎn)為：目前比較成熟的汽車覆蓋件用熱沖壓鍍層鋼板只可從國外采購，成本相當(dāng)高;當(dāng)板料加熱到一定溫度時(shí)，鍍層易和加熱爐陶瓷輥粘結(jié)，需定期更換陶瓷輥，年維護(hù)成本較高。

圖3 抗拉強(qiáng)度隨溫度變化曲線圖

熱沖壓成形生產(chǎn)工藝

熱沖壓成形直接成形生產(chǎn)工藝

熱沖壓成形直接成形工藝是指板料加熱到奧氏體化溫度保溫一段時(shí)間后直接放到具有冷卻系統(tǒng)的模具里進(jìn)行成形及淬火，如圖4所示，其優(yōu)點(diǎn)如下：

(1)坯料在一套模具中進(jìn)行成形及淬火，節(jié)省了預(yù)成形模具費(fèi)用并加快了生產(chǎn)節(jié)奏；

(2)坯料加熱前為平板料，這樣不僅節(jié)省了加熱區(qū)面積，節(jié)省能源，而且可以選取多種加熱方式，例如可以采用感應(yīng)加熱爐進(jìn)行加熱。

熱沖壓成形直接成形工藝缺點(diǎn)是復(fù)雜的車門內(nèi)零部件成形困難，且模具冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更加復(fù)雜，需要增加激光切割設(shè)備等。

圖4 熱沖壓成形直接成形工藝圖

熱沖壓成形間接成形生產(chǎn)工藝

熱沖壓成形間接成形工藝是指板料先經(jīng)過冷沖壓進(jìn)行預(yù)成形，然后加熱到奧氏體溫度，保溫一段時(shí)間后放到具有冷卻系統(tǒng)的模具里進(jìn)行最終成形及淬火，如圖5所示，其優(yōu)點(diǎn)是：

圖5 熱沖壓成形間接成形工藝圖

(1)可以成形具有復(fù)雜形狀的車內(nèi)零部件，幾乎可以獲得目前所有的沖壓承載件；

(2)坯料預(yù)成形后，后續(xù)熱成形工藝不需要過多考慮板料高溫成形性能，就可以確保板料完全淬火得到所需要的馬氏體組織；

(3)坯料預(yù)成形后可以進(jìn)行修邊、翻邊、沖孔等工藝加工，避免淬火硬化后加工困難問題，例如板料淬火后修邊須用激光切割設(shè)備修邊，這會(huì)大大增加加工成本。

局部熱沖壓成形生產(chǎn)工藝

為了提高高強(qiáng)度鋼板沖壓零件吸收碰撞能量與阻止入侵等性能，國外一些發(fā)達(dá)的汽車企業(yè)已經(jīng)研制出局部加熱形式，即對(duì)同一個(gè)料片差別加熱，使料片體現(xiàn)不同的特性，即局部強(qiáng)化。局部加熱方式有兩種：模具局部加熱(圖6)與料片局部加熱(圖7)。

圖6 模具局部加熱方式（控制冷卻速度）

圖7 料片局部加熱方式

局部加熱熱沖壓成品件低強(qiáng)度部位強(qiáng)度約為800MPa,加熱部位強(qiáng)度約為1500MPa，這樣既滿足了車體吸收碰撞能量強(qiáng)度要求也滿足了阻止入侵的強(qiáng)度要求。

熱沖壓成形及冷沖壓成形工藝零件質(zhì)量對(duì)比

熱沖壓成形零件特點(diǎn)

(1)由于選擇在高溫下成形，不帶涂層沖壓零件表面存在氧化，表面質(zhì)量不佳；

(2)零件在冷卻過程中由于溫度分布不均勻，易產(chǎn)生熱應(yīng)力和熱應(yīng)變；

(3)由于材料的高塑性，在成形過程中零件不易起皺和破裂，基本沒有回彈，尺寸穩(wěn)定性比較好；

(4)材料經(jīng)過加工變形和快冷，晶粒得到了細(xì)化，力學(xué)性能得到了很大的提高；

(5)材料經(jīng)過變形和硬化后，強(qiáng)度提高，冷沖壓切邊沖孔已無法達(dá)到工藝和零件精度的要求，需要利用激光或等離子切割設(shè)備完成。

冷沖壓成形零件特點(diǎn)

(1)由于是在室溫下成形和采用冷軋板，零件表面光滑；

(2)由于材料的塑性有限，在成形過程中零件易起皺和破裂，易回彈，尺寸穩(wěn)定性比較差；

(3)材料在加工過程中產(chǎn)生了加工硬化。

熱沖壓成形模具技術(shù)要點(diǎn)

相對(duì)于常規(guī)的冷沖壓模具僅用于零件的成形，熱沖壓模具不但用于成形，還要用于給零件冷卻淬火，因此其模具更加復(fù)雜，對(duì)模具材料選擇、模具設(shè)計(jì)等方面提出了更加嚴(yán)格的要求，如圖8所示。

圖8 熱沖壓成形模具

在模具材料選擇方面，熱沖壓模具材料首先要有良好熱傳導(dǎo)系數(shù)，確保鋼板與模具表面之間的快速傳熱，實(shí)現(xiàn)良好的冷卻功能。模具材料還要具備良好的熱強(qiáng)度、熱硬度、高的耐磨性和熱疲勞性，保證模具內(nèi)板冷卻管道不被冷卻介質(zhì)銹蝕堵塞，因此國外一些熱沖壓模具材料中都含有較高的Ni和Cr。在模具材料選擇時(shí)，一般要根據(jù)具體的工作情況，參照熱鍛造模具鋼進(jìn)行選擇。

在模具凸凹模設(shè)計(jì)方面，不能照搬冷沖壓模具的設(shè)計(jì)方法，因?yàn)闊釠_壓工藝回彈很小，幾乎無須考慮回彈對(duì)零件形狀的影響，另外還需考慮熱脹冷縮對(duì)零件最終尺寸和形狀的影響，并以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)凸凹模具的關(guān)鍵尺寸。

在冷卻機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，冷卻系統(tǒng)必須保證模具對(duì)零件的快速、均勻冷卻，冷卻管道的總體布局、形狀、直徑、冷卻管與模具工作表面、非工作表面以及冷卻管之間的距離、冷卻系統(tǒng)密封等都是冷卻機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在，也是熱沖壓成形模具設(shè)計(jì)的最重要技術(shù)之一。設(shè)計(jì)冷卻管道系統(tǒng)時(shí)，可以結(jié)合數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)各管道內(nèi)的冷卻介質(zhì)流動(dòng)情況進(jìn)行模擬分析，使各管道都具有相同的冷卻效率，保證冷卻的均勻性。

目前行業(yè)比較成熟的冷卻水道計(jì)算公式及布置標(biāo)準(zhǔn)如下（冷卻水道的計(jì)算公式）：

式中，mw為單位時(shí)間內(nèi)流過模具的水的質(zhì)量(kg/ h);n為管道數(shù)目;qw為單個(gè)管道冷卻水流量(m3/ h);ρw為冷卻水在一定溫度下的密度(kg/m3)，取1000kg/m3;d為冷卻水孔直徑(m); v為冷卻水流動(dòng)速度(m/s); tu為單位時(shí)間，1h=3600s。

式中，Re為雷諾數(shù); w為運(yùn)動(dòng)粘度(m2/s)，10℃ 時(shí)，w=1.3077×10-6m2/s。20℃ 時(shí)，w= 0.805×10-6m2/s；管道雷諾數(shù)Re<2300為層流狀態(tài)，Re>4000為紊流狀態(tài)，2300≤Re≤4000為過渡狀態(tài)。

冷卻水道布置

冷卻管道直徑10～14mm;相鄰管道中心距為17～20mm;管道中心距形面最小距離大于15mm。每個(gè)鑲塊的冷卻系統(tǒng)相互獨(dú)立，相鄰鑲塊之間冷卻水道互不連通。一般來說，模具凸起區(qū)域不利于熱量向模具傳遞，凹形區(qū)域熱量易向周圍傳遞，在連續(xù)生產(chǎn)中，需在模具凸起區(qū)域設(shè)置冷卻管道；在圓角過渡區(qū)容易產(chǎn)生熱量集中，使零件該位置硬度較低。在連續(xù)生產(chǎn)中，需在模具圓角過渡區(qū)開設(shè)冷卻管道。

熱沖壓成形模具設(shè)計(jì)開發(fā)是熱成形關(guān)鍵技術(shù)，它不同于傳統(tǒng)的冷沖壓成形模具，它是冷卻協(xié)調(diào)優(yōu)化設(shè)計(jì)、冷卻管道加工、計(jì)算機(jī)仿真分析技術(shù)、傳熱模擬等技術(shù)的集成，最終達(dá)到成形、冷卻、組織性能優(yōu)良的完美結(jié)合，其開發(fā)流程如圖9所示。

圖9 熱沖壓成形模具開發(fā)流程圖

結(jié)束語

實(shí)現(xiàn)車身輕量化是一個(gè)系統(tǒng)的工程，需要全面考慮材料、設(shè)計(jì)、制造工藝技術(shù)等各方面的問題；新材料的應(yīng)用離不開新成形制造技術(shù)的發(fā)展。隨著汽車行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)和社會(huì)發(fā)展對(duì)汽車提出的更高要求，促使了超高強(qiáng)度鋼板在汽車上的應(yīng)用，從而促進(jìn)了熱沖壓成形技術(shù)的誕生和發(fā)展，反過來熱沖壓成形技術(shù)的應(yīng)用推廣和需求也會(huì)不斷促進(jìn)超高強(qiáng)度鋼板材料更進(jìn)一步的開發(fā)和性能提升，實(shí)現(xiàn)更高層次的汽車車身輕量化，實(shí)現(xiàn)社會(huì)發(fā)展對(duì)汽車行業(yè)節(jié)油減排，提高汽車安全性能的更高要求。