車身高強(qiáng)板熱成形工藝探究

文／張蓉順·東風(fēng)商用車有限公司車身廠

隨著世界汽車保有量的增加及汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，能源危機(jī)及環(huán)保壓力逐漸成為各大主機(jī)廠面臨的問題，節(jié)能減排勢(shì)在必行。對(duì)白車身來講，減重——輕量化意味著節(jié)能。眾所周知，汽車的燃油消耗與汽車自身重量成正比，汽車重量每減輕1%，燃油消耗就降低0.6%～1%。相關(guān)研究表明，若80%的車身零件采用高強(qiáng)度或超高強(qiáng)度鋼板，可使車身總重量減少20%。汽車重量每減輕100kg，每百公里至少可以節(jié)省1.6L燃油。雖然汽車制造中鋁合金、鎂合金、塑料及復(fù)合材料的用量不斷增加，但高強(qiáng)度鋼以其具有的高減重潛力、高碰撞吸收能、高疲勞強(qiáng)度、高成形性及低平面各向異性等優(yōu)勢(shì)，已成為汽車工業(yè)輕量化的主要材料。但同時(shí)因其具有較高的屈服應(yīng)力和抗拉強(qiáng)度以及較低的硬化指數(shù)、厚向異性系數(shù)與延伸率，使其成形性能較差，成形困難。若采用冷沖壓成形，其變形范圍窄，所需成形力大，容易出現(xiàn)破裂和回彈嚴(yán)重等缺陷，熱沖壓技術(shù)的運(yùn)用可克服高強(qiáng)度鋼成形難、缺陷多等問題。此外，還可獲得厚度小、強(qiáng)度高的零件，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)車身質(zhì)量減輕和碰撞性能的提高。

高強(qiáng)度鋼熱成形技術(shù)

鋼板按照抗拉強(qiáng)度的不同，其抗拉強(qiáng)度低于210MPa的稱為普通鋼，抗拉強(qiáng)度在210～550MPa之間的稱為高強(qiáng)度鋼，抗拉強(qiáng)度超過550MPa的稱為超高強(qiáng)度鋼。

對(duì)于抗拉強(qiáng)度較低的普通鋼板采用冷沖壓成形方法，而對(duì)于高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度鋼材，采用冷沖壓成形方法時(shí)，其在成形過程中會(huì)伴隨開裂、過量回彈等現(xiàn)象的出現(xiàn)，影響車輛后續(xù)的裝配。為避免此類不利因素，熱壓成形技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。熱成形工藝的優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

熱成形高強(qiáng)鋼在車身上的應(yīng)用

目前熱成形沖壓件在車身上的應(yīng)用主要集中在A柱、B柱、C柱、門防撞板、前/后保險(xiǎn)杠橫梁、中通道中梁、門檻儀表板橫梁等，其中以B柱應(yīng)用最為廣泛，零件分布如圖1所示。

高強(qiáng)度鋼板熱成形工藝

高強(qiáng)度鋼板熱沖壓成形工藝是將常溫下抗拉強(qiáng)度為500～600MPa的硼合金鋼板加熱到880～950℃，使之均勻奧氏體化，然后送到內(nèi)部帶有冷卻系統(tǒng)的模具內(nèi)沖壓成形，最后快速冷卻，將奧氏體轉(zhuǎn)化為馬氏體，使沖壓件得到硬化，大幅度提高制件的強(qiáng)度。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，熱成形沖壓工藝又分為直接工藝和間接工藝，如圖2所示。直接工藝即下料后直接將鋼板加熱后沖壓成形，主要應(yīng)用于形狀簡單且變形程度相對(duì)較小的零件。對(duì)于形狀復(fù)雜或拉深深度較大的零件，則需要采用間接工藝，即先將落料后的鋼板進(jìn)行預(yù)成形，然后再加熱實(shí)施熱沖壓工藝，間接工藝的特征是使用一個(gè)接近完整的預(yù)成形冷模，這僅用于淬火和奧氏體化后沖壓工藝的標(biāo)準(zhǔn)使用。材料中完全馬氏體化轉(zhuǎn)變引起應(yīng)力強(qiáng)度達(dá)到1500MPa以上。

表1 熱成形工藝優(yōu)缺點(diǎn)

圖1 熱成形零件車身分布圖

圖2 熱成形工藝基礎(chǔ)

與傳統(tǒng)的冷成形工藝相比，熱成形工藝的特點(diǎn)是在板料上存在一個(gè)不斷變化的溫度場。在溫度場的影響下，板料的基體組織和力學(xué)性能發(fā)生變化，導(dǎo)致板料的應(yīng)力場也發(fā)生變化，同時(shí)板料的應(yīng)力場變化又反作用于溫度場，所以熱成形工藝就是在板料內(nèi)部溫度場與應(yīng)力場共存且相互耦合的變化過程，這就要求熱成形用鋼板的成分要適應(yīng)熱成形過程中的熱循環(huán)。

熱成形鋼材料的選擇

目前，熱成形用鋼均選用硼鋼，是因?yàn)槲⒘康呐鹂捎行岣咪摰拇阃感?，使零件在模具中以適當(dāng)?shù)睦鋮s速度獲得所需的馬氏體組織，從而保證零件的高強(qiáng)度水平。而且硼合金鋼板的強(qiáng)度可達(dá)到1500MPa，是普通鋼板強(qiáng)度的3～4倍。鋼板的熱成形性主要包括深沖成形性、脹形成形性、延伸凸緣成形性及彎曲成形性等。通常深沖成形性取決于鋼板的r值，脹形成形性取決于鋼板的延性(均勻延伸性和加工硬化指數(shù)），延伸凸緣成形性和彎曲成形性則取決于鋼板的局部變形能和顯微組織均勻性，硼在延伸凸緣成形性及彎曲成形性的顯微組織均勻化方面起到了重要作用，其中22MnB5鋼的材料性能，就屬于典型的熱沖壓高強(qiáng)度鋼。國內(nèi)寶鋼和蒂森克虜伯工廠是成熟的裸板熱沖壓鋼供應(yīng)商，寶鋼分為冷軋鋼B1500HS和熱軋鋼BR1500HS，蒂森克虜伯為MBW1500裸板。

在熱成形過程中，鋼板在高溫下暴露于空氣中會(huì)引起表面氧化而形成氧化鐵皮，氧化鐵皮不僅影響車身焊接質(zhì)量，還影響油漆附著力，進(jìn)而影響整車耐腐蝕性，因此熱成形后的零件需要經(jīng)過噴丸或酸洗去掉鋼板表面的氧化鐵皮，這將會(huì)增加生產(chǎn)成本。為了解決以上問題，Al-Si鍍層鋼板被開發(fā)出來。在加熱過程中，鍍層中的Al和Fe會(huì)形成Fe-Al合金，起到保護(hù)層作用，同常規(guī)的冷成形用鍍層鋼板不同，熱沖壓用鋼板的鍍層需要具備抗高溫、耐腐蝕的特點(diǎn)。目前國內(nèi)合資品牌主機(jī)廠大都使用的是Al-Si鍍層板料，神龍公司目前已開發(fā)了兩個(gè)牌號(hào)的Al-Si鍍層熱成形板材，應(yīng)用效果良好，分別為阿賽洛鋼鐵公司的USIBOR1500AS23/23和新日鐵公司的NSSQAS1500AS120。Al-Si鍍層鋼板在綜合性能上優(yōu)于裸板，但是生產(chǎn)成本高，選用何種鋼板，還需要根據(jù)整車開發(fā)各環(huán)節(jié)的工藝要求，以及零件質(zhì)量、生產(chǎn)運(yùn)營成本、設(shè)備投資等進(jìn)行綜合評(píng)估。比如高溫高濕區(qū)，優(yōu)先選用Al-Si鍍層鋼板，而腔體非高溫高濕區(qū)域，建議用裸板降低成本。裸板與Al-Si鍍層板的主要區(qū)別如表2所示。

表2 裸板與Al-Si鍍層板的主要區(qū)別

熱成形工藝的影響因素

作為剛興起的先進(jìn)的高強(qiáng)度鋼板制造技術(shù)，熱成形技術(shù)需要選擇適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)，有效降低乃至消除零部件厚度分布差異過大、起皺和開裂等成形缺陷，保證生產(chǎn)線產(chǎn)品質(zhì)量的合格率及穩(wěn)定性，同時(shí)需要持續(xù)的降低生產(chǎn)成本，以保證其競爭力。板料熱成形工藝參數(shù)主要包括：⑴加熱保溫時(shí)間，板料加熱到奧氏體化溫度后，需要設(shè)置一定的保溫時(shí)間，以保證奧氏體組織均勻細(xì)化。⑵傳遞時(shí)間，即板料從加熱爐到模具之間的傳遞時(shí)間。⑶初始成形溫度，根據(jù)零部件的形狀特征，需要選擇合適的初始成形溫度，以避免成形過程中出現(xiàn)開裂、起皺等缺陷。⑷熱沖壓速率，由于成形與淬火同時(shí)進(jìn)行，熱成形技術(shù)要求具有足夠的沖壓速率，避免板料成形前過快冷卻，同時(shí)避免沖壓速度過快，引起零件撕裂。⑸冷卻速率，在熱成形過程中，板料冷卻速率是控制沖壓最終產(chǎn)品組織結(jié)構(gòu)的直接決定因素。

熱成形設(shè)備

國內(nèi)絕大部分主機(jī)廠都不會(huì)配備自己的熱成形沖壓線，熱成形成套裝備主要由以下幾部分組成：加熱爐上料裝置、加熱爐、定位機(jī)構(gòu)、壓力機(jī)上料機(jī)器人、壓力機(jī)、模具及冷卻裝置、壓力機(jī)下料機(jī)器人、后續(xù)加工設(shè)備。目前國內(nèi)還沒有完全掌握制造熱成形設(shè)備的技術(shù)，大部分設(shè)備還得依賴進(jìn)口。

加熱爐上料裝置

加熱爐上料裝置采用三軸機(jī)器人就可以滿足生產(chǎn)需要，用于將板料抓起，放置在加熱爐輥道上。上料裝置中的垛料小車需要具備步進(jìn)上升功能，以保證機(jī)器手每次下降相同高度就可以抓取板料。端拾器的結(jié)構(gòu)也要特殊考慮，結(jié)構(gòu)要滿足不同工件的造型，可以采用吸盤式或手指式。因?yàn)楹罄m(xù)機(jī)器人在抓料時(shí)，工件溫度比較高，不能采用吸盤式的，需要考慮夾鉗式或其他方式。

為提高生產(chǎn)效率，垛料小車需要配備兩臺(tái)可以移動(dòng)的小車，可以用叉車或者天車為垛料小車上料，兩臺(tái)小車同時(shí)垛料可以提高生產(chǎn)效率。對(duì)于左右件成雙或者雙槽成形，還要考慮端拾器結(jié)構(gòu)的特殊設(shè)計(jì)。

加熱爐

目前的熱成形線均采用氣密式的輥底加熱爐，加熱爐采用電阻加熱方式。為使得工件在加熱過程中免于被氧化，整個(gè)爐腔內(nèi)采用氮?dú)獗Ｗo(hù)。在加熱爐的出料端有快速出料裝置，工件加熱完成后快速出料，整體溫度均勻且出料速度越快，工件的溫度損失也就越小，工件加熱完成后要求溫度控制在1000℃左右。工件在加熱爐內(nèi)部前行過程中即被充分均勻加熱，使其得到奧氏體組織。加熱爐的長度，要依據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍、工件長度、上料方向而確定，加熱爐輥道采用陶瓷材質(zhì)（耐高溫）。加熱爐還應(yīng)該配備獨(dú)立的備用發(fā)電機(jī)，因?yàn)檩伒涝诟邷丨h(huán)境下不能靜止不動(dòng)，否則高溫環(huán)境會(huì)導(dǎo)致其彎曲。

定位機(jī)構(gòu)

工件在加熱爐快速出料后，需要定位，定位機(jī)構(gòu)要滿足不同形狀零件的快速定位，為后序上料機(jī)器人上料做準(zhǔn)備。定位機(jī)構(gòu)也需要耐高溫，為減少工件在傳送過程中的熱損耗，要求定位機(jī)構(gòu)與工件的接觸面積越小越好，且在出料到上料過程中零件移動(dòng)距離不能過長。

壓力機(jī)上料機(jī)器人

壓力機(jī)上料機(jī)器人與加熱爐上料裝置中的機(jī)器人形式基本一致，安裝在壓力機(jī)的支柱上。如果工件的出料與上料有角度變化，配備的上料機(jī)器人需要4軸。

壓力機(jī)

高強(qiáng)度鋼熱沖壓力機(jī)區(qū)別于傳統(tǒng)的壓力機(jī)，它需要向機(jī)械壓力機(jī)一樣快速合模，又需要對(duì)工件進(jìn)行保壓。熱成形高強(qiáng)鋼所需壓力也低于冷沖壓成形，一般工件所需的壓力不會(huì)超過350t，要求壓力機(jī)在350t條件下的工作速度不小于250mm/s。除此以外，液壓機(jī)還需要具備輔助模具動(dòng)力裝置、溫度檢測裝置、快速換模裝置等。

模具及冷卻裝置

高強(qiáng)度板熱成形設(shè)備中除加熱爐外另一個(gè)重要設(shè)備是模具，其區(qū)別于傳統(tǒng)模具最大的特點(diǎn)是材質(zhì)要耐高溫還要設(shè)計(jì)冷卻水通道，保證零件均勻淬火，最大程度地減少零件回彈及變形。熱成形高強(qiáng)鋼板模具的設(shè)計(jì)技術(shù)要求高、難度大，是保證零件品質(zhì)非常關(guān)鍵的因素。

壓力機(jī)下料機(jī)器人

下料機(jī)器人功能與上料機(jī)器人功能相似，可以同樣采用4軸機(jī)器人將工件放置在耐熱傳送帶上，同樣可以選用6軸機(jī)器人將零件放置在專用料架上。

后續(xù)加工設(shè)備

高強(qiáng)板零部件壓制完成以后，如果有氧化皮，還要做拋丸處理，然后進(jìn)行模具修邊。由于此時(shí)零件的強(qiáng)度已相當(dāng)高，沖裁力大且對(duì)模具刃口材質(zhì)等要求更高。業(yè)內(nèi)大多采用激光切割的方式修邊、沖孔。

結(jié)束語

采用熱成形技術(shù)的高強(qiáng)度板零件可以有效地降低汽車車身的整體重量，實(shí)現(xiàn)汽車的輕量化，可以有效提升汽車的碰撞性能，提升整車的安全性?？梢灶A(yù)測，今后熱成形技術(shù)將得到越來越廣泛的應(yīng)用，其相關(guān)的設(shè)備和核心技術(shù)的研究將成為制造業(yè)新的研究熱點(diǎn)。