熱沖壓成形零件生產(chǎn)工藝與控制

文/劉鵬，尤寶卿，聶飛，王韋·東風(fēng)（武漢）實業(yè)有限公司

隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，安全、環(huán)保、舒適及節(jié)能已經(jīng)成為當(dāng)前汽車制造業(yè)追求的目標(biāo)，采用超高強(qiáng)度鋼板制造車身零件是實現(xiàn)車身輕量化和提高汽車碰撞安全性的有效途徑。但是強(qiáng)度越高，傳統(tǒng)冷成形就會越困難。熱沖壓成形作為一種能顯著提高零件強(qiáng)度且通過奧氏體化能有效保證成形性的工藝，已經(jīng)在汽車安全件、結(jié)構(gòu)件上得到廣泛應(yīng)用。

熱沖壓成形工藝分布

熱沖壓成形按照成形技術(shù)可分為以下幾個工藝：⑴普通等厚板熱沖壓成形技術(shù)；⑵軟區(qū)技術(shù)；⑶輥壓不等厚技術(shù)；⑷補(bǔ)丁板技術(shù)；⑸激光拼焊板技術(shù)；⑹定制化強(qiáng)度技術(shù)；⑺超高強(qiáng)度2000MPa 熱沖壓成形技術(shù)。

熱沖壓成形工藝應(yīng)用產(chǎn)品展示

普通等厚板熱沖壓成形技術(shù)

普通等厚板熱沖壓成形技術(shù)指使用等厚度22MnB5 熱沖壓成形材料，通過加熱、快速轉(zhuǎn)移、快速冷卻，使其金相組織從馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，從而得到我們所需要的抗拉強(qiáng)度為1500MPa 的產(chǎn)品，現(xiàn)有產(chǎn)品分布多為車身A 柱、B 柱、前立柱、門檻板等結(jié)構(gòu)件如圖1、圖2 所示。

軟區(qū)技術(shù)

圖1 某上市車型等料厚B 柱

圖2 某上市車型等料厚前立柱

軟區(qū)技術(shù)指使用等厚度22MnB5熱沖壓成形材料，通過對加熱爐或者模具的控制，使得同一塊板料熱沖壓成形后，各區(qū)域強(qiáng)度不同，有效提高和優(yōu)化零件安全特性和輕量化特性。在白車身上多用于縱梁和B 柱類產(chǎn)品，如圖3 所示。

圖3 某上市車型軟區(qū)工藝縱梁

輥壓不等厚技術(shù)

輥壓不等厚技術(shù)，指使用等厚度22MnB5 熱沖壓成形材料，通過輥壓工藝實現(xiàn)同一塊板料不同區(qū)域擁有不同的料厚，有效提高和優(yōu)化零件的安全特性和輕量化特性，同時也可節(jié)約模具等工裝的成本。在白車身上多用于B 柱類產(chǎn)品，如圖4 所示。

圖4 某上市車型輥壓不等厚工藝縱梁

補(bǔ)丁板技術(shù)

補(bǔ)丁板技術(shù)，指使用兩張或者兩張以上不等厚度22MnB5 熱沖壓成形材料，通過點焊接把兩塊板料或者兩塊以上板料先焊接在一起，然后再使用同一套模具同時成形，有效提高局部強(qiáng)度和優(yōu)化零件生產(chǎn)效率，同時也可節(jié)約模具等工裝的成本。在白車身上多用于A 柱、B 柱、縱梁類或者其他需要局部加強(qiáng)的產(chǎn)品，如圖5 所示。

圖5 某上市車型補(bǔ)丁板工藝B 柱

激光拼焊板技術(shù)

激光拼焊板技術(shù)，指使用兩張或者兩張以上不等厚度22MnB5 或者6Mn6 熱沖壓成形材料，通過激光焊接把不同材質(zhì)和不同厚度的板料焊接在一起，然后使用同一套模具同時成形，使整個零件的不同部位得到不同的強(qiáng)度和性能，提高和優(yōu)化零件的安全特性和輕量化特性，同時也可節(jié)約模具等工裝的成本。在白車身上多用于B 柱類產(chǎn)品，如圖6 所示。

圖6 某上市車型激光拼焊板B 柱

圖7 某上市車型補(bǔ)丁板技術(shù)和拼焊板技術(shù)融合定制化強(qiáng)度

定制化強(qiáng)度技術(shù)

定制化強(qiáng)度技術(shù)，指目前較為先進(jìn)的混合制工藝，例如將補(bǔ)丁板技術(shù)和拼焊板技術(shù)、輥壓不等厚技術(shù)和補(bǔ)丁板技術(shù)等各種先進(jìn)工藝融合在同一產(chǎn)品中，該工藝有著非常明顯的強(qiáng)度和輕量化貢獻(xiàn)，可實現(xiàn)車身局部位置定制化強(qiáng)度的生產(chǎn)，同時在工裝和工序的成本投入中有著巨大降本貢獻(xiàn)，如圖7 所示。

超高強(qiáng)度2000MPa 熱沖壓成形技術(shù)

隨著各種形式新能源汽車的普及，由于動力系統(tǒng)的巨大變化，整車重量普遍提升數(shù)百公斤，這給車輛的被動安全和動力性、經(jīng)濟(jì)性提出了很高的挑戰(zhàn)。為適應(yīng)這種變化，白車身的安全件需要兼顧加強(qiáng)和輕量化，這就為更高強(qiáng)度的熱沖壓成形鋼應(yīng)用創(chuàng)造了機(jī)遇，該技術(shù)在可以為車身提供更高強(qiáng)度的同時保證最優(yōu)的輕量化貢獻(xiàn)，如圖8 所示。

圖8 某上市車型2000MPa 車門防撞加強(qiáng)梁產(chǎn)品

熱沖壓成形工藝原理及過程

工藝原理

⑴在約930℃得到奧氏體組織；

⑵在約780℃之前成形；

⑶快速冷卻至約200℃可獲得均勻的馬氏體。

熱沖壓成形技術(shù)，是將硼鋼鋼板(初始強(qiáng)度為500 ～700MPa)加熱至奧氏體化狀態(tài)，快速轉(zhuǎn)移到帶有水路設(shè)計的專用模具中高速沖壓成形，在穩(wěn)定壓力下使加熱后的原材料在模具本體中以大于27℃/s 的冷卻速度進(jìn)行淬火處理，保壓淬火一段時間，以獲得具有均勻馬氏體組織的超高強(qiáng)鋼零件的成形方式，可參考圖9 熱沖壓成形工藝原理曲線圖。

圖9 熱沖壓成形工藝原理曲線圖

工藝過程

開卷落料→轉(zhuǎn)移→加熱和保溫→轉(zhuǎn)移→沖壓成形、保壓淬火和模內(nèi)持續(xù)加熱保壓→轉(zhuǎn)移→后續(xù)處理。

生產(chǎn)過程控制

通過熱沖壓成形的工藝過程，我們在研究中發(fā)現(xiàn)在生產(chǎn)過程中，關(guān)鍵參數(shù)的控制尤為重要，其對最終產(chǎn)品的尺寸、性能有著關(guān)鍵性的影響，主要控制參數(shù)如下：

加熱溫度

建議加熱溫度保持在930℃以上，加熱溫度的高低，會直接影響熱沖壓成形產(chǎn)品成形后的合金化層厚度，從而影響最終產(chǎn)品的性能。

加熱時間

加熱時間和加熱溫度是兩個相輔相成的關(guān)鍵參數(shù)，在熱沖壓成形中對于加熱時間的制定原則會根據(jù)產(chǎn)品料厚的不同而設(shè)置不同，加熱時間的長短也會直接影響熱沖壓成形產(chǎn)品成形后的合金化層厚度，從而影響最終產(chǎn)品的性能。

自動化轉(zhuǎn)移時間

轉(zhuǎn)移時間的快慢會決定加熱的料片在空氣中暴露的時間長短，根據(jù)冷卻的要求，理論上該參數(shù)轉(zhuǎn)移時間需要盡可能的短，其會對產(chǎn)品的機(jī)械性能有著間接影響，如圖10 所示。

圖10 現(xiàn)有市場采用機(jī)械臂式自動化運行機(jī)構(gòu)

壓機(jī)滑塊下行速度

壓機(jī)滑塊下行速度的快慢同樣決定加熱料片在空氣中暴露的時間長短，熱沖壓成形零件在780℃左右成形，成形性和性能最好，該項邊界條件的實現(xiàn)是由自動化轉(zhuǎn)移時間和壓機(jī)滑塊下行速度兩項參數(shù)所決定的，理論上其速度越快對于成形的優(yōu)勢更明顯，其最終會對產(chǎn)品的機(jī)械性能以及成形狀態(tài)和尺寸有著間接影響。

冷卻水流量和溫度

冷卻水的使用會采用冰水機(jī)進(jìn)行持續(xù)循環(huán)降溫，其目的同樣是為了保證進(jìn)入模具冷卻水的溫度是穩(wěn)定可靠的，其會對產(chǎn)品機(jī)械性能、零件的成形性、模具鑲塊的密封裝置有著直接影響。

壓機(jī)成形壓力和保壓時間

參數(shù)同樣會對產(chǎn)品最終的尺寸狀態(tài)和零件成形性有著直接影響。

成形前溫度和成形后溫度監(jiān)控

參數(shù)的監(jiān)控是為了驗證以上關(guān)鍵參數(shù)實際生產(chǎn)過程中的有效性，關(guān)鍵參數(shù)的監(jiān)控最終反映到產(chǎn)品上除了產(chǎn)品本身的尺寸外，最為直接的就是成形前的溫度和成形后的溫度，成形前溫度決定我們加熱溫度、加熱時間、自動化轉(zhuǎn)移時間和壓機(jī)滑塊下行速度是否滿足工藝要求，成形后溫度決定我們冷卻水溫度、模具水道設(shè)計、壓機(jī)成形壓力和保壓時間是否滿足工藝，最為有效的監(jiān)控手段為熱成像系統(tǒng)持續(xù)監(jiān)控(圖11)及記錄追溯。

圖11 熱成像系統(tǒng)持續(xù)監(jiān)控

質(zhì)量追溯

所有參數(shù)控制手段都是為了保證產(chǎn)品生產(chǎn)的一致性和穩(wěn)定性，但不論多么嚴(yán)密的控制手段和作業(yè)程序，難免會有不良品產(chǎn)生。

⑴不接受不良品，通過來料檢查，統(tǒng)計并記錄物流廠家、品種、接收人、到貨信息、物流牌號等基本信息，做有效的產(chǎn)前質(zhì)量控制。

⑵不制造不良品，通過過程質(zhì)量監(jiān)控，除設(shè)備固有的參數(shù)監(jiān)控外，也需統(tǒng)計并記錄生產(chǎn)班組、生產(chǎn)時間、對應(yīng)工裝、檢查員信息、工藝程序等基本生產(chǎn)信息，做有效的產(chǎn)中質(zhì)量控制。

⑶不流出不良品，通過出庫發(fā)貨檢查，統(tǒng)計并記錄發(fā)貨物流車輛、專有器具、收發(fā)人、時間、地點等等物流基本信息，做有效的產(chǎn)后質(zhì)量控制。

針對“三不原則”，在統(tǒng)計和記錄上，可以通過專有的設(shè)備給每個環(huán)節(jié)增加賦值，以此確保產(chǎn)品的唯一性，利用每個產(chǎn)品的唯一條碼進(jìn)行大數(shù)據(jù)的采集，采集物流倉儲數(shù)據(jù)、采集質(zhì)量檔案，過程控制數(shù)據(jù)，采集生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)，采集工藝管理數(shù)據(jù)，通過專有設(shè)備對生產(chǎn)產(chǎn)品實時在線拍照、編號并存儲，以此在出現(xiàn)不良品時可通過這些大數(shù)據(jù)和記錄的手段去調(diào)取不良批次編號、調(diào)取視頻記錄文件核對，實現(xiàn)產(chǎn)品有效的不良原因追溯，形成針對性問題的整改和追蹤，并為同類型產(chǎn)品的FEMA提供尤為重要的依據(jù)和數(shù)據(jù)庫。

結(jié)束語

目前我公司熱沖壓成形業(yè)務(wù)已穩(wěn)定發(fā)展八年，在華中地區(qū)熱沖壓成形行業(yè)屬于領(lǐng)先水平，同時作為東風(fēng)實業(yè)集團(tuán)唯一院士工作站單位，也承接了未來2300MPa 級超高熱沖壓成形鋼材料的研究與應(yīng)用工作，為熱沖壓成形行業(yè)的發(fā)展起到巨大的推動作用，并通過新型熱沖壓成形材料的研究逐步使熱沖壓成形材料國產(chǎn)化，并為客戶提供強(qiáng)度更高、性能更優(yōu)的熱沖壓成形產(chǎn)品。