超高強(qiáng)鋼汽車構(gòu)件熱沖壓成形技術(shù)與裝備

文/宋燕利，華林，路玨，謝光駒·武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院

汽車輕量化是汽車重要的發(fā)展方向，也是世界各國(guó)實(shí)現(xiàn)節(jié)能、減排、降耗的重大舉措。超高強(qiáng)鋼熱沖壓構(gòu)件的應(yīng)用能夠在減輕汽車整車重量的同時(shí)，保證車身強(qiáng)度及安全性，是實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的重要途徑。本文主要介紹作者所在的研究團(tuán)隊(duì)圍繞超高強(qiáng)鋼汽車構(gòu)件熱沖壓成形技術(shù)及裝備所做的部分研究工作。

汽車輕量化是汽車重要的發(fā)展方向，也是國(guó)家重大科技需求。燃油車整車重量每降低10%，燃油效率提升6%～8%，排放下降4%；純電動(dòng)車、混合動(dòng)力車等新能源汽車對(duì)重量更加敏感，整車每減重10%，續(xù)航里程增加10%～15%。

高強(qiáng)度輕量化材料在汽車上的應(yīng)用能有效地推進(jìn)輕量化進(jìn)程?！吨袊?guó)制造2025》提出要提升輕量化材料等核心技術(shù)的工程化和產(chǎn)業(yè)化能力，同時(shí)推動(dòng)自主品牌節(jié)能與新能源汽車同國(guó)際先進(jìn)水平接軌。然而隨著鋼板強(qiáng)度的提升，傳統(tǒng)冷沖壓成形中往往存在開(kāi)裂、回彈、起皺等缺陷，同時(shí)成形力明顯增加又對(duì)壓力機(jī)和模具壽命提出更高的要求。為解決這些問(wèn)題，一種能夠降低成形力和成形難度，且成形后所得構(gòu)件兼具超高強(qiáng)度和高精度的先進(jìn)材料加工技術(shù)——熱沖壓技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。時(shí)至今日，熱沖壓成形技術(shù)已廣泛用于汽車車身及底盤結(jié)構(gòu)件成形制造中（圖1）。

熱沖壓成形技術(shù)的概念與特點(diǎn)

熱沖壓成形技術(shù)包括直接熱沖壓和間接熱沖壓兩種形式。以最常用的直接熱沖壓成形為例，其工藝流程如圖2所示，首先將高強(qiáng)度硼鋼板坯料加熱到奧氏體化溫度以上，并保溫一定時(shí)間使其充分奧氏體化（通常為900～950℃），隨后將加熱的坯料迅速轉(zhuǎn)移至帶有冷卻系統(tǒng)的模具內(nèi)沖壓成形，同時(shí)保壓淬火，使構(gòu)件材料發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。與傳統(tǒng)的冷沖壓相比，鋼板在高溫時(shí)成形性好，可一次成形復(fù)雜形狀的構(gòu)件，并且構(gòu)件強(qiáng)度可達(dá)1500MPa甚至更高。此外，熱沖壓工藝的構(gòu)件回彈小、精度高、變形抗力約為冷沖壓的三分之一、設(shè)備噸位小。

圖1 熱沖壓構(gòu)件在汽車上的應(yīng)用

圖2 熱沖壓工藝流程

目前熱沖壓成形材料主要用22MnB5，包括鋁硅（Al-10Si）鍍層、GI/GA鍍層、鋅鎳（Zn-10Ni）鍍層、復(fù)合鍍層及其他涂層和裸板。作為典型的第三代先進(jìn)高強(qiáng)度鋼，將中錳鋼加熱至750℃即可獲得全奧氏體組織，擴(kuò)大了熱成形工藝窗口。

熱沖壓成形技術(shù)與裝備研究進(jìn)展

本研究團(tuán)隊(duì)在中國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展聯(lián)合基金（編號(hào)：U1564202）、湖北省技術(shù)創(chuàng)新專項(xiàng)重大項(xiàng)目（編號(hào)：2016AAA053）等資助下，圍繞超高強(qiáng)度硼鋼熱沖壓成形機(jī)理、技術(shù)及裝備開(kāi)展了相關(guān)研究。

高強(qiáng)鋼熱沖壓成形過(guò)程中不僅包含塑性變形過(guò)程，還包含溫度變化及組織演變過(guò)程，是一個(gè)典型的熱-力-相變耦合的過(guò)程。為準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)熱沖壓變形規(guī)律預(yù)測(cè)和缺陷控制，建立了耦合位錯(cuò)密度和損傷演化的材料本構(gòu)模型和成形極限模型。圖3所示為耦合位錯(cuò)密度的熱沖壓硼鋼高溫本構(gòu)模型。

熱沖壓汽車構(gòu)件組織性能協(xié)同控制技術(shù)

研究團(tuán)隊(duì)提出了基于急動(dòng)度的伺服熱沖壓工藝設(shè)計(jì)方法，能夠有效地控制沖壓速度和成形溫度，提升成形效果；研發(fā)了低溫?zé)釠_壓專利技術(shù)，降低連續(xù)生產(chǎn)時(shí)的模具溫度、縮短保溫時(shí)間、節(jié)約成本；研發(fā)了熱沖壓汽車構(gòu)件組織性能協(xié)同控制技術(shù)，以改善高強(qiáng)度鋼板熱沖壓件綜合性能和精度；建立了A柱、B柱、C柱、前縱梁、保險(xiǎn)杠等汽車安全結(jié)構(gòu)件熱沖壓全過(guò)程有限元模型，可以有效預(yù)測(cè)零件成形性、減薄率、馬氏體含量及抗拉強(qiáng)度的變化（圖4）。

圖3 耦合位錯(cuò)密度的熱沖壓硼鋼高溫本構(gòu)模型

圖4 幾種不同汽車構(gòu)件的熱沖壓模擬結(jié)果

通過(guò)伺服熱沖壓及組織性能協(xié)同調(diào)控技術(shù)，對(duì)B柱等樣件進(jìn)行了試制（圖5）。對(duì)不同部位進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)，結(jié)果表明不同區(qū)域的試樣抗拉強(qiáng)度基本在1500～1600MPa，延伸率范圍為8%～13%（目前文獻(xiàn)資料中多數(shù)報(bào)道為5%～8%），其微觀組織的主要成分為馬氏體，夾雜有少量殘余奧氏體。此外還對(duì)零件的成形精度進(jìn)行了檢測(cè)分析，產(chǎn)品關(guān)鍵點(diǎn)尺寸誤差不超過(guò)±0.21mm（圖6）。試驗(yàn)結(jié)果表明，相關(guān)樣件已實(shí)現(xiàn)了組織強(qiáng)韌性和精度的協(xié)同控制，完全滿足裝車要求。目前此項(xiàng)技術(shù)已實(shí)現(xiàn)了技術(shù)轉(zhuǎn)化和產(chǎn)業(yè)化。

圖5 B柱熱沖壓樣件及關(guān)鍵區(qū)域的馬氏體組織形貌

圖6 B柱熱沖壓樣件精度檢測(cè)結(jié)果

梯度力學(xué)性能熱沖壓構(gòu)件設(shè)計(jì)制造一體化技術(shù)

傳統(tǒng)的熱沖壓成形工藝，板料的各個(gè)位置變形條件基本相同，所以得到的熱沖壓零件基本為全馬氏體組織，抗拉強(qiáng)度達(dá)1500MPa甚至更高。但是延伸率相對(duì)較低，造成零件塑性或韌性急劇降低、冷彎性能差。一旦發(fā)生碰撞，熱沖壓結(jié)構(gòu)件的碰撞吸能效果大大降低。

為進(jìn)一步提升熱沖壓構(gòu)件的碰撞吸能性能，采用側(cè)碰吸能分析方法對(duì)其進(jìn)行了梯度力學(xué)性能優(yōu)化設(shè)計(jì)（圖7），得到了具有合理梯度力學(xué)性能分布的B柱構(gòu)件，相關(guān)梯度力學(xué)性能設(shè)計(jì)方案如圖8所示。結(jié)果表明，應(yīng)用梯度力學(xué)性能，B柱可以簡(jiǎn)化B柱總成結(jié)構(gòu)，達(dá)到減重12.1%的輕量化目的，且能夠很好地兼顧強(qiáng)度與碰撞吸能性能。陶瓷熱障涂層專利技術(shù)制造的梯度力學(xué)性能樣件如圖9所示。

圖7 整車側(cè)面碰撞有限元模型

圖8 B柱梯度力學(xué)性能區(qū)域位置設(shè)計(jì)方案

圖9 梯度力學(xué)性能熱沖壓B柱樣件

具有隨形冷卻水道的超高強(qiáng)度鋼熱沖壓模具

與冷沖壓模具不同，熱沖壓模具除了具有成形功能外，還具有冷卻淬火功能。為了保證其冷卻效果，在其內(nèi)部設(shè)有冷卻管道，模具結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，對(duì)模具材料的選擇及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面要求更為嚴(yán)格。

熱沖壓成形模具冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要考慮加工方式、冷卻均勻性等方面，因此冷卻管直徑、冷卻管間距、冷卻管距模具型面距離等參數(shù)都是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，筆者所在的研究團(tuán)隊(duì)對(duì)熱沖壓B柱加強(qiáng)板采用鑲塊式模具結(jié)構(gòu)。為實(shí)現(xiàn)構(gòu)件冷卻效果并保證模具的強(qiáng)度，采用與模具型面相近的隨形冷卻水道。模芯鑲塊內(nèi)部與鑲塊之間冷卻水管道采用直徑φ10mm的孔，相鄰冷卻水管道中心距約為17～20mm，冷卻水管道中心距最近型面距離為15～20mm。每個(gè)鑲塊都配給相對(duì)獨(dú)立的進(jìn)出水冷卻系統(tǒng)，相鄰鑲塊之間冷卻水道不連通。采用ANSYS CFX進(jìn)行流固耦合數(shù)值模擬，并對(duì)凸凹模的冷卻水流速及溫度均勻性進(jìn)行分析。第六個(gè)工藝循環(huán)模具冷卻水熱傳遞系數(shù)云圖如圖10所示，圖中冷卻水流速快的中央部位HTC值最高，大部分位置HTC均大于10000W/(m2·K），說(shuō)明冷卻效果較好，可以滿足連續(xù)生產(chǎn)所需的冷卻效果。圖11為加工制造完成后的模具實(shí)物圖

先進(jìn)熱沖壓生產(chǎn)示范線的建立

先進(jìn)的輕量化車身結(jié)構(gòu)件伺服熱沖壓成形示范線，主要裝備包含高速伺服壓力機(jī)、數(shù)控加熱爐、熱沖壓模具、低自由度桁架機(jī)器人、激光切割機(jī)和噴丸裝備等主要裝備（圖12）。通過(guò)運(yùn)用工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)裝備平臺(tái)的互聯(lián)互鎖，可以完成滿足工業(yè)生產(chǎn)節(jié)拍需求的加熱、成形-保壓淬火和上、下料全過(guò)程各項(xiàng)功能及安全防護(hù)要求，形成了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的伺服熱沖壓成形生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)方法。

圖10 第六個(gè)工藝循環(huán)模具冷卻水熱傳遞系數(shù)云圖

圖11 B柱加強(qiáng)板熱沖壓模具實(shí)物圖

圖12 熱沖壓生產(chǎn)示范線

結(jié)束語(yǔ)

作為汽車輕量化的重要途徑，超高強(qiáng)度鋼板熱沖壓成形技術(shù)正在被世界各國(guó)企業(yè)和學(xué)者廣泛關(guān)注。系統(tǒng)地、深層次地開(kāi)展相關(guān)研究，形成具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的熱沖壓成形工藝及裝備關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)我國(guó)汽車行業(yè)的發(fā)展具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。