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锻造与冲压：汽车轻量化之路，原来还能在这个方面发力！汽车热冲压成形(Hot Stamping)的技术要点解析！

汽车热冲压成形(Hot Stamping)的技术要点解析！

大排量、大马力的快只是直路上的快，而轻量化的快则是无时无刻的快。随着各国对于汽车排放、污染、环保等话题的深入，走大排量发动机的路线显然是难上加难。因此，轻量化成为众多车企选择的路径。因此我们说汽车轻量化是汽车重要的发展方向，也是世界各国实现节能、减排、降耗的重大举措。

汽车行业虽可望扭转产量下降的趋势,并获得新的发展,但面对激烈的国际竞争,如何进一步降低成本、制造适应消费者需求的汽车,形势依然严峻。另外,还有诸如强化安全对策、以保护地球环境为目的并且针对温室效应的节省资源、能源的降低油耗、减少公害等方面的对汽车生产提出更高的要求。也许是改装文化的深入，让不少对汽车有一定兴趣的群体，提及到轻量化第一时间想到的就是“快、性能、飙车”这些字眼。的确，轻1公斤真的是比增加10马力还要快，但快其实只是结果之一，包括燃油经济性、排放等也是轻量化的正面效果。

超高强钢热冲压构件的应用能够在减轻汽车整车重量的同时，保证车身强度及安全性，是实现汽车轻量化的重要途径。汽车轻量化之路，原来还能在这个方面发力！

本文主要介绍作者所在的研究团队围绕超高强钢汽车构件热冲压成形技术及装备所做的部分研究工作。

汽车轻量化是汽车重要的发展方向，也是国家重大科技需求。燃油车整车重量每降低10%，燃油效率提升6%～8%，排放下降4%;纯电动车、混合动力车等新能源汽车对重量更加敏感，整车每减重10%，续航里程增加10%～15%。

高强度轻量化材料在汽车上的应用能有效地推进轻量化进程。《中国制造2025》提出要提升轻量化材料等核心技术的工程化和产业化能力，同时推动自主品牌节能与新能源汽车同国际先进水平接轨。然而随着钢板强度的提升，传统冷冲压成形中往往存在开裂、回弹、起皱等缺陷，同时成形力明显增加又对压力机和模具寿命提出更高的要求。为解决这些问题，一种能够降低成形力和成形难度，且成形后所得构件兼具超高强度和高精度的先进材料加工技术——热冲压技术应运而生。时至今日，热冲压成形技术已广泛用于汽车车身及底盘结构件成形制造中(图1)。

热冲压成形技术的概念与特点

热冲压成形（Hot stamping）是国际上近几年来出现的一项专门用于成形超高强度钢板冲压件的先进制造技术，也是汽车冲压件制造领域内的较为先进的技术。热冲压成形技术包括直接热冲压和间接热冲压两种形式。以最常用的直接热冲压成形为例，其工艺流程如图2所示，首先将高强度硼钢板坯料加热到奥氏体化温度以上，并保温一定时间使其充分奥氏体化(通常为900～950℃)，随后将加热的坯料迅速转移至带有冷却系统的模具内冲压成形，同时保压淬火，使构件材料发生马氏体转变。与传统的冷冲压相比，钢板在高温时成形性好，可一次成形复杂形状的构件，并且构件强度可达1500MPa甚至更高。此外，热冲压工艺的构件回弹小、精度高、变形抗力约为冷冲压的三分之一、设备吨位小。

图1热冲压构件在汽车上的应用

图2热冲压工艺流程

目前热冲压成形材料主要用22MnB5，包括铝硅(Al-10Si)镀层、GI/GA镀层、锌镍(Zn-10Ni)镀层、复合镀层及其他涂层和裸板。作为典型的第三代先进高强度钢，将中锰钢加热至750℃即可获得全奥氏体组织，扩大了热成形工艺窗口。

热冲压成形技术与装备研究进展

热冲压成形中所使用的钢板是一种特殊的硼合金钢板，这种钢板不同于传统的冷成形超高强钢。现在应用比较广泛的双相钢、复相钢等冷成形高强度钢板一般是在常温下通过冷冲压的方法成形，成形前后零件的显微组织和机械强度基本不发生改变。而热冲压成形中所使用的钢板在常温下强度不很高，抗拉强度仅有400~600MPa，具有良好的塑性与可成形性；它是通过热冲压成形工艺进行成形和淬火后，零件的显微组织由原来的铁素体和珠光体转变成均匀的马氏体，抗拉强度可以达到1500MPa以上，硬度可以达到50HRC，而且基本没有回弹，具有很高的尺寸精度。在钢板中添加了硼，其目的在于提高钢板的淬火性能，使板料的组织转变顺利进行。此外，为了提高材料的强度以及其它力学性能，还添加了Ti、Cr、Mo、Cu、Ni等多种合金微量元素。本研究团队在中国汽车产业创新发展联合基金(编号：U1564202)、湖北省技术创新专项重大项目(编号：2016AAA053)等资助下，围绕超高强度硼钢热冲压成形机理、技术及装备开展了相关研究。

高强钢热冲压成形过程中不仅包含塑性变形过程，还包含温度变化及组织演变过程，是一个典型的热-力-相变耦合的过程。为准确实现热冲压变形规律预测和缺陷控制，建立了耦合位错密度和损伤演化的材料本构模型和成形极限模型。图3所示为耦合位错密度的热冲压硼钢高温本构模型。

热冲压汽车构件组织性能协同控制技术

研究团队提出了基于急动度的伺服热冲压工艺设计方法，能够有效地控制冲压速度和成形温度，提升成形效果;研发了低温热冲压专利技术，降低连续生产时的模具温度、缩短保温时间、节约成本;研发了热冲压汽车构件组织性能协同控制技术，以改善高强度钢板热冲压件综合性能和精度;建立了A柱、B柱、C柱、前纵梁、保险杠等汽车安全结构件热冲压全过程有限元模型，可以有效预测零件成形性、减薄率、马氏体含量及抗拉强度的变化(图4)。

图3耦合位错密度的热冲压硼钢高温本构模型

图4几种不同汽车构件的热冲压模拟结果

通过伺服热冲压及组织性能协同调控技术，对B柱等样件进行了试制(图5)。对不同部位进行力学性能检测，结果表明不同区域的试样抗拉强度基本在1500～1600MPa，延伸率范围为8%～13%(目前文献资料中多数报道为5%～8%)，其微观组织的主要成分为马氏体，夹杂有少量残余奥氏体。此外还对零件的成形精度进行了检测分析，产品关键点尺寸误差不超过±0.21mm(图6)。试验结果表明，相关样件已实现了组织强韧性和精度的协同控制，完全满足装车要求。目前此项技术已实现了技术转化和产业化。

图5 B柱热冲压样件及关键区域的马氏体组织形貌

图6 B柱热冲压样件精度检测结果

梯度力学性能热冲压构件设计制造一体化技术

传统的热冲压成形工艺，板料的各个位置变形条件基本相同，所以得到的热冲压零件基本为全马氏体组织，抗拉强度达1500MPa甚至更高。但是延伸率相对较低，造成零件塑性或韧性急剧降低、冷弯性能差。一旦发生碰撞，热冲压结构件的碰撞吸能效果大大降低。

为进一步提升热冲压构件的碰撞吸能性能，采用侧碰吸能分析方法对其进行了梯度力学性能优化设计(图7)，得到了具有合理梯度力学性能分布的B柱构件，相关梯度力学性能设计方案如图8所示。结果表明，应用梯度力学性能，B柱可以简化B柱总成结构，达到减重12.1%的轻量化目的，且能够很好地兼顾强度与碰撞吸能性能。陶瓷热障涂层专利技术制造的梯度力学性能样件如图9所示。

图7整车侧面碰撞有限元模型

图8 B柱梯度力学性能区域位置设计方案

图9梯度力学性能热冲压B柱样件

具有随形冷却水道的超高强度钢热冲压模具

与冷冲压模具不同，热冲压模具除了具有成形功能外，还具有冷却淬火功能。为了保证其冷却效果，在其内部设有冷却管道，模具结构更加复杂，对模具材料的选择及结构设计等方面要求更为严格。

热冲压成形模具冷却系统的设计需要考虑加工方式、冷却均匀性等方面，因此冷却管直径、冷却管间距、冷却管距模具型面距离等参数都是设计的关键，笔者所在的研究团队对热冲压B柱加强板采用镶块式模具结构。为实现构件冷却效果并保证模具的强度，采用与模具型面相近的随形冷却水道。模芯镶块内部与镶块之间冷却水管道采用直径φ10mm的孔，相邻冷却水管道中心距约为17～20mm，冷却水管道中心距最近型面距离为15～20mm。每个镶块都配给相对独立的进出水冷却系统，相邻镶块之间冷却水道不连通。采用ANSYS CFX进行流固耦合数值模拟，并对凸凹模的冷却水流速及温度均匀性进行分析。第六个工艺循环模具冷却水热传递系数云图如图10所示，图中冷却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)，说明冷却效果较好，可以满足连续生产所需的冷却效果。图11为加工制造完成后的模具实物图

热冲压成形由以下几个工序组成：

1.落料：

是热冲压成形中的第一道工序，把板材冲压出所需外轮廓坯料。

2.奥氏体化：

包括加热和保温两个阶段。这一工序的目的在于将钢板加热到一个合适的温度，使钢板完全奥氏体化，并且具有良好的塑性。加热所使用的设备为专用的连续加热炉，钢板在加热到再结晶温度以上之后，表面很容易氧化，生成氧化皮，这层氧化皮会对后续的加工造成不利的影响。为了避免或减少钢板在加热炉中的氧化，一般在加热炉内设置惰性气体保护机制，或者对板料进行表面防氧化处理。

3.转移：

指的是将加热后的钢板从加热炉中取出放进热成形模具中去。在这一道工序中，必须保证钢板被尽可能快地转移到模具中，一方面是为了防止高温下的钢板氧化，另一方面是为了确保钢板在成形时仍然处在较高的温度下，以具有良好的塑性。

4.冲压和淬火：

在将钢板放进模具之后，要立即对钢板进行冲压成形，以免温度下降过多影响钢板的成形性能。成形以后模具要合模保压一段时间，一方面是为了控制零件的形状，另一方面是利用模具中设置的冷却装置对钢板进行淬火，使零件形成均匀的马氏体组织，获得良好的尺寸精度和机械性能。研究表明，就目前常用的热冲压钢材而言，实现奥氏体向马氏体转变的最小冷却速率为27~30℃/s，因此要保证模具对板料的冷却速度大于此临界值。

5.后续处理：

在成形件从模具中取出以后，还需要对其进行一些后续的处理，如利用酸洗或喷丸的方式去除零件表面的氧化皮，以及对零件进行切边和钻孔。热冲压件由于强度太高，不能用传统的手段对其进行切边及钻孔加工，而必须用激光技术来完成。

热冲压模具设计是热冲压成形工艺的核心技术，它不仅要满足零件的成形需要，而且还要具有优异的冷却能力，以保证零件获得良好的机械性能和尺寸精度。

热冲压成型的优缺点：

先进热冲压生产示范线的建立

先进的轻量化车身结构件伺服热冲压成形示范线，主要装备包含高速伺服压力机、数控加热炉、热冲压模具、低自由度桁架机器人、激光切割机和喷丸装备等主要装备(图12)。通过运用工业以太网技术实现装备平台的互联互锁，可以完成满足工业生产节拍需求的加热、成形-保压淬火和上、下料全过程各项功能及安全防护要求，形成了具有自主知识产权的伺服热冲压成形生产线的设计方法。

图10第六个工艺循环模具冷却水热传递系数云图

图11 B柱加强板热冲压模具实物图

图12热冲压生产示范线

结束语

作为汽车轻量化的重要途径，超高强度钢板热冲压成形技术正在被世界各国企业和学者广泛关注。系统地、深层次地开展相关研究，形成具有完全自主知识产权的热冲压成形工艺及装备关键技术，对我国汽车行业的发展具有十分重要的现实意义。

——来源：《锻造与冲压》2018年第22期