汽車熱成型技術(shù)應(yīng)用

沈利民 翟永根 陳軍軍

（長城汽車股份有限公司）

車身作為汽車重要的組成部分，其質(zhì)量占到汽車總質(zhì)量的30%～40%，因此車身的輕量化對整車的輕量化起著重要作用。熱成型技術(shù)的應(yīng)用能夠減輕車身質(zhì)量，提高燃油經(jīng)濟(jì)性，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，并且不以犧牲安全性為代價(jià)。近年來，全球汽車輕量化發(fā)展勢頭迅猛，對高強(qiáng)度鋼板熱成型制造需求量巨大，高強(qiáng)度鋼板熱沖壓裝備生產(chǎn)線市場前景極好，熱成型技術(shù)得到大力發(fā)展。車用高強(qiáng)度和超高強(qiáng)度鋼板以其輕質(zhì)、高強(qiáng)度的特點(diǎn)在汽車業(yè)應(yīng)用中越來越受關(guān)注，并已成為滿足汽車減重和增強(qiáng)碰撞性能和安全性能的重要途徑。

1 熱沖壓成型技術(shù)

鋼板熱成型技術(shù)是指加熱低碳硼合金高強(qiáng)度鋼板（主要為 22MnB5，27MnCrB5，37MnB4） 到 950 ℃并保溫一定時(shí)間，使之均勻奧氏體化，利用自動(dòng)機(jī)器人抓手迅速將板料移至帶有冷卻系統(tǒng)的熱沖壓模具上成型，同時(shí)迅速冷卻淬火并保壓一定時(shí)間，從而獲得板料內(nèi)部組織均勻的馬氏體，經(jīng)過熱沖壓成型工藝可獲得抗拉強(qiáng)度高達(dá)1 500 MPa 的超高強(qiáng)度鋼板[1]。采用鋼板熱成型工藝，不但可以提升車身的安全性能，還可以保證在不降低強(qiáng)度的條件下通過減少汽車零部件的厚度達(dá)到減輕質(zhì)量，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。硼合金鋼熱沖壓成型工藝流程，如圖1 所示。

圖1 硼合金鋼熱沖壓成型工藝流程

2 熱沖壓成型的優(yōu)點(diǎn)

為滿足汽車工業(yè)界提升車身碰撞及耐久性能的要求，對高強(qiáng)度鋼板熱成型（也稱作熱成型）技術(shù)應(yīng)用的重視程度逐漸提高。熱成型工藝技術(shù)優(yōu)勢較為突出，主要表現(xiàn)為能夠生產(chǎn)屈服強(qiáng)度超過1 200 MPa、抗拉強(qiáng)度達(dá)1 600 MPa 的復(fù)雜汽車件。熱成型鋼在車身上的應(yīng)用，如圖2 所示。在高溫狀態(tài)下，材料塑性性能增強(qiáng)，可減小回彈的影響，并且可提升零件精度，成型質(zhì)量好，圖3 示出冷、熱沖壓U 形件的外形對比[2]；熱沖壓成型的抗沖擊承載構(gòu)件在發(fā)生碰撞時(shí)，吸附?jīng)_擊能量的能力較強(qiáng)，可以有效地抵御撞擊，具有良好的抗變形能力。某公司為用戶提供的改型設(shè)計(jì)案例，如圖4 所示。原設(shè)計(jì)為4 件冷沖壓的B 柱，改型為1 件熱沖壓的B柱，變形量由冷沖壓的88.57 mm 減少至36.99 mm（如圖5 所示），強(qiáng)度也提升至1 500 MPa[3]。

圖2 熱成型鋼在車身上的應(yīng)用

圖3 冷、熱沖壓U 形件的外形對比

圖4 汽車B 柱加強(qiáng)板改型設(shè)計(jì)案例

圖5 冷、熱沖壓汽車B 柱加強(qiáng)板變形量對比

綜上，與冷沖壓成型工藝相比，高強(qiáng)度硼合金鋼的熱沖壓成型工藝具有如下優(yōu)點(diǎn)：簡化車身結(jié)構(gòu)，有效減少加強(qiáng)板數(shù)量，可以減輕車身質(zhì)量；能提高車身安全性、舒適性；改善了沖壓成型性；提高了零件尺寸精度；可以提高表面硬度及耐磨性、抗凹性和耐腐蝕性；降低了沖壓機(jī)的噸位要求。

3 汽車熱成型技術(shù)的分類

3.1 直接熱成型技術(shù)

熱成型技術(shù)按照工藝過程分為直接熱成型技術(shù)和間接熱成型技術(shù)2 類。直接熱成型工藝是指把坯料直接放置在通有保護(hù)氣體的連續(xù)加熱爐內(nèi)，加熱溫度達(dá)到共析溫度以上并保溫一段時(shí)間，使鋼板組織完全奧氏體化，然后通過機(jī)器抓手迅速轉(zhuǎn)移到熱沖壓模具中，在冷卻系統(tǒng)的輔助下進(jìn)行沖壓成型和淬火，再進(jìn)行冷卻、切邊沖孔（或激光切割）、表面清理等后續(xù)工藝。直接熱成型工藝流程，如圖6 所示。

圖6 直接熱成型工藝流程

直接熱成型工藝有以下優(yōu)點(diǎn)：1 套模具即可實(shí)現(xiàn)沖壓成型及淬火工藝要求，在降低成型模具加工成本的同時(shí)提高了生產(chǎn)效率；對于加熱前形狀規(guī)則的板料，降低了其所需要的加熱空間，從而可以進(jìn)行批量加熱，在節(jié)約能源的同時(shí)也提高了工作效率。直接熱成型工藝的不足之處是無法生產(chǎn)形狀復(fù)雜的汽車承載構(gòu)件、模具冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)復(fù)雜，且需要增加激光切割設(shè)備等。

3.2 間接熱成型技術(shù)

在間接熱成型工藝中，汽車承載構(gòu)件需先進(jìn)行冷沖壓預(yù)成型，然后將預(yù)成型的零件放置在通有保護(hù)氣體的連續(xù)加熱爐內(nèi)，加熱溫度達(dá)到共析溫度以上并保溫一段時(shí)間，使鋼板組織完全奧氏體化，再通過機(jī)器抓手迅速轉(zhuǎn)移到熱沖壓模具中，之后進(jìn)行冷卻、表面清理等。間接熱成型工藝流程，如圖7 所示。

圖7 間接熱成型工藝流程

間接熱成型工藝有以下優(yōu)點(diǎn)：需要冷成型模具，可以生產(chǎn)復(fù)雜的汽車承載構(gòu)件（與冷成型相同）；采用簡單的有限元模擬（冷成型）；生產(chǎn)效率高，無需激光或硬切割；預(yù)成型后，縮短了板料的有效寬度，可以實(shí)現(xiàn)大零件的熱成型。間接熱成型工藝的不足之處是：需要冷成型和熱成型2 套模具，成本高、開發(fā)周期長、能耗高；板料預(yù)成型已經(jīng)修邊及沖孔，熱成型后精度控制困難。

4 結(jié)論

高強(qiáng)度鋼板熱成型技術(shù)正受到世界各國學(xué)者的廣泛關(guān)注，這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展歷史雖然并不長，但其在減輕車身質(zhì)量、提高部件強(qiáng)度及尺寸精度方面所顯示出的潛力是巨大的。熱成型技術(shù)近年來在國外已廣泛應(yīng)用于汽車制造業(yè)中。我國汽車工業(yè)的快速發(fā)展以及對汽車輕量化和安全性的要求，使得熱成型技術(shù)成為汽車輕量化的重要途徑，必將會(huì)促進(jìn)熱成型技術(shù)的發(fā)展與普及。