熱沖壓成形技術(shù)

卜子華　徐淑瓊　李云芳

【摘 要】熱沖壓成形技術(shù)不斷地應(yīng)用于汽車制造領(lǐng)域，降低了生產(chǎn)成本，提高了汽車的安全性能，實(shí)現(xiàn)了車身的有效減重。隨著熱成形工藝的不斷完善，該項(xiàng)技術(shù)逐漸投入生產(chǎn)實(shí)踐，并且在市場(chǎng)上得到了快速的發(fā)展和應(yīng)用。本文簡(jiǎn)要介紹了熱沖壓技術(shù)的成形原理及其工藝特點(diǎn)，指出了熱沖壓材料的性能特點(diǎn)及模具的合理選擇與改進(jìn)，同時(shí)簡(jiǎn)要地闡述了熱沖壓技術(shù)的研究進(jìn)展。

【關(guān)鍵詞】熱成形模具;熱沖壓技術(shù);熱沖壓工藝;研究現(xiàn)狀

中圖分類號(hào)： TG386 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）18-0013-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.18.006

【Abstract】The hot stamping forming technology is continuously applied in the field of automobile manufacturing， which reduces the production cost，improves the safety performance of automobile and achieves the effective weight reduction of automobile body.With continuous improvement of hot forming process，this technology has been put into production practice gradually and been developed and applied rapidly in the market.In this paper，it briefly introduces the forming principle and technological characteristics of hot stamping technology and points out the properties of hot stamping materials and reasonable selections and improvements of dies.At the same time，the research progress of hot stamping technology is briefly expounded.

【Key words】Hot forming die;Hot stamping technology;Hot stamping process;Research status

0 引言

目前冷沖壓成形技術(shù)存在許多技術(shù)缺陷，如成形困難、產(chǎn)品質(zhì)量差、成形后易變形等問(wèn)題，超高強(qiáng)度鋼熱沖壓技術(shù)的研究與應(yīng)用提上了發(fā)展日程。雖然熱沖壓技術(shù)已在我國(guó)的汽車制造領(lǐng)域嶄露頭角，但仍有一些技術(shù)難題亟待解決。本文對(duì)現(xiàn)有的鋼的熱沖壓成形技術(shù)特點(diǎn)及其相關(guān)的研究進(jìn)展進(jìn)行了簡(jiǎn)單闡述與簡(jiǎn)要分析。

1 鋼的熱沖壓成形技術(shù)

1.1 熱沖壓成形原理

熱沖壓成型技術(shù)是指將硼合金鋼板鋼加熱到再結(jié)晶溫度（約900℃）以上，利用金屬板料在高溫狀態(tài)下塑性和延展性顯著升高，屈服強(qiáng)度而迅速下降的特性，在模具內(nèi)以大于27℃/s的冷卻速度進(jìn)行沖壓成型，然后快速冷卻淬火，將鋼由奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變的工藝。

1.2 熱沖壓成形工藝特點(diǎn)

近年來(lái)隨著我國(guó)對(duì)鋼的沖壓技術(shù)不斷地進(jìn)行研究，一門新興的沖壓技術(shù)——熱沖。壓工藝技術(shù)受到?jīng)_壓界的廣泛關(guān)注。通過(guò)熱沖壓加工技術(shù)，可以獲得先進(jìn)的超高強(qiáng)度沖壓件，使得鋼的抗拉強(qiáng)度、塑性和延展性等力學(xué)性能指標(biāo)顯著增加。采用常規(guī)的冷沖壓工藝，會(huì)出現(xiàn)工件所需沖壓力大、易變形、產(chǎn)品質(zhì)量差等問(wèn)題，而熱沖壓成形工藝技術(shù)解決了傳統(tǒng)冷沖壓成形所帶來(lái)的成型性和形狀凍結(jié)性等不良問(wèn)題，近年來(lái)發(fā)展得更加地迅速，被廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)代汽車制造行業(yè)。

1.3 熱沖壓成形材料

在傳統(tǒng)的冷沖壓工藝中，一些先進(jìn)的高強(qiáng)度汽車鋼板如TRIP鋼、馬氏體鋼等經(jīng)過(guò)加工成形后零件的性能指標(biāo)基本上保持不變。而在熱壓工藝中，硼鋼被廣泛地應(yīng)用，其主要成分是22MnB5，沖在常溫下的抗拉強(qiáng)度僅有500～700MPa，而經(jīng)過(guò)熱沖壓成形件淬火后，轉(zhuǎn)變成為馬氏體組織，材料的力學(xué)性能顯著提高，其抗拉強(qiáng)度可以達(dá)至1500MPa，屈服強(qiáng)度達(dá)到1000MPa以上，硬度可達(dá)至50HRC。

1.4 熱沖壓成形模具

在冷沖壓成形技術(shù)中，模具僅用于零件的成形，沖壓前后零件的機(jī)械強(qiáng)度不會(huì)發(fā)生太大變化。而在熱沖壓技術(shù)中，模具要進(jìn)行成形、淬火等工藝，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成形件的強(qiáng)度較高，綜合性能較好。

有關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，國(guó)外的熱沖壓模具應(yīng)用了Al2O3/Cu復(fù)合材料，對(duì)于熱沖壓技術(shù)來(lái)說(shuō)模具材料的合理選擇至關(guān)重要[1]。熱沖壓模具材料在成形和冷卻淬火的過(guò)程中要能夠?qū)崿F(xiàn)快速、均勻冷卻并且還要具有快速傳熱、冷卻的功能。因此，模具不僅需具有良好的熱機(jī)械性能、耐磨性、耐銹蝕性和熱疲勞性，同時(shí)還需要合理地設(shè)計(jì)凸、凹模尺寸，來(lái)保證生產(chǎn)部件的質(zhì)量合格可靠。

為了避免由于部件內(nèi)部局部冷卻速度快慢不一致而造成熱沖壓部件硬度不均勻的現(xiàn)象，設(shè)置冷卻水回路系統(tǒng)，來(lái)使模具降溫，使其具有連續(xù)冷卻的能力。而且隨著一次次的沖壓，模具溫度不斷地升高、降低，如此反復(fù)會(huì)使模具的使用壽命下降，因此我們急需找到一種既能提高冷卻能力、又能夠持久耐用的模具。

2 熱沖壓成形技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

傳統(tǒng)冷沖壓成形技術(shù)，包括加熱、成形、冷卻及后續(xù)處理等多個(gè)工藝過(guò)程，且不同加工環(huán)節(jié)的工藝參數(shù)也不盡相同。熱沖壓成形技術(shù)主要由落料、預(yù)成形、加熱、轉(zhuǎn)移、沖壓成形、淬火和后續(xù)處理這幾個(gè)工序組成。

熱沖壓成形技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是：回彈易控制、變形抗力小;零件表面剛度、硬度特性較好;零件成形尺寸精度高，抗凹性特性好;沖壓性能好，鋼材成形抗力低;生產(chǎn)周期短，車身零件強(qiáng)度高;零件厚度及加強(qiáng)板數(shù)量減少，有利于實(shí)現(xiàn)車身的有效減重等。

在熱沖壓技術(shù)中，為了減少生產(chǎn)周期，提高生產(chǎn)效率，應(yīng)注意以下事項(xiàng)：加熱溫度不能過(guò)高，應(yīng)保持在再結(jié)晶溫度以上;爐內(nèi)需保溫一定的時(shí)間，且保溫時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng);要有較高的沖壓速度和一定的保壓時(shí)間;在冷卻淬火相變階段，冷速不宜過(guò)低;沖壓板料厚度不宜過(guò)厚;模具材料需進(jìn)行合理地選擇和設(shè)計(jì)。

3 熱沖壓技術(shù)研究進(jìn)展

熱沖壓技術(shù)率先在歐美得到普遍的應(yīng)用，能夠有效地減輕車重、降低成本、提高汽車碰撞安全性。目前該項(xiàng)技術(shù)在世界各國(guó)引起了廣泛的關(guān)注，日本、韓國(guó)、瑞典SSAB公司、美國(guó)西沃斯巴公司、法國(guó)阿塞洛等公司相繼研發(fā)硼鋼熱沖壓技術(shù)并于車門防撞桿、A、B、C柱、保險(xiǎn)杠加強(qiáng)梁等部件上投入了生產(chǎn)，經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)，該技術(shù)投入生產(chǎn)實(shí)踐后，能夠有效地減輕汽車重量，提高安全性能，降低生產(chǎn)成本，因而在市場(chǎng)上得到了迅速的發(fā)展和應(yīng)用。

3.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

世界各國(guó)汽車工業(yè)投入了大量的精力來(lái)研究熱沖壓成形技術(shù)，主要分布于相對(duì)發(fā)達(dá)的歐洲國(guó)家，瑞典APT公司和德國(guó)舒樂(lè)（Schuler）兩家公司幾乎壟斷了全球的熱沖壓成形市場(chǎng)。熱沖壓作為一項(xiàng)新興的成形技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)沖壓零件的高強(qiáng)化，因而激起了許多研究者對(duì)熱沖壓技術(shù)的研發(fā)興趣。

德國(guó)紐倫堡大學(xué)正在進(jìn)行德國(guó)研究基金DFG項(xiàng)目-淬火鋼板的熱沖壓成形原理研究[2，3]。美國(guó)柯洲礦校大學(xué)Speer J等首先提出了淬火-碳配（Q-P）工藝，并被國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者發(fā)展和推廣;Liu H等和Han X H對(duì)商業(yè)熱成形材料22MnB5進(jìn)行了熱成形和Q-P處理[4]。

3.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

由于熱沖壓成形技術(shù)是一門先進(jìn)的汽車制造技術(shù)，它的應(yīng)用能讓汽車更好地實(shí)現(xiàn)減重、環(huán)保并提高汽車抗沖擊能力和防撞安全性等要求，因而受到中國(guó)乃至全世界的關(guān)注與重視。雖然我國(guó)對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的研究比較滯后，但我國(guó)順應(yīng)時(shí)代的發(fā)展潮流，加快研發(fā)的步伐，可以說(shuō)近年來(lái)的發(fā)展非常迅猛。

在國(guó)內(nèi)，各企業(yè)及科研單位紛紛對(duì)熱沖壓成形技術(shù)展開研究。同濟(jì)大學(xué)提出了臨界水流速度的理論;寶鋼集團(tuán)開發(fā)了不帶鍍層的熱沖壓用鋼——冷軋B1500HS、熱軋B1500HS，并實(shí)現(xiàn)批量供貨[5，6];吉林大學(xué)對(duì)熱沖壓成形技術(shù)進(jìn)行了較為深入的研究，并取得了階段性的成果。此外，機(jī)械科學(xué)研究總院、大連理工大學(xué)、山東大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)在近幾年也對(duì)超高強(qiáng)鋼熱成形技術(shù)開展了一系列研究[7]。

4 結(jié)束語(yǔ)

熱沖壓技術(shù)在汽車生產(chǎn)中的應(yīng)用，使得我國(guó)先進(jìn)超高強(qiáng)度沖壓件的制備愈發(fā)地廣泛，技術(shù)更加地成熟。其中，模具的結(jié)構(gòu)、性能逐漸趨于理想化，成形件的綜合性能也更好，尺寸精度更高。相比于冷沖壓來(lái)說(shuō)，工件經(jīng)熱沖壓后力學(xué)性能的得到了顯著的提升。未來(lái)我國(guó)的熱成形技術(shù)將會(huì)不斷地完善，在汽車生產(chǎn)中的應(yīng)用面不斷擴(kuò)大，且熱成形市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)也將更為激烈。

【參考文獻(xiàn)】

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