熱衝壓成形工藝解析

隨著汽車輕量化的發展，鋼板熱衝壓技術應運而生，其將高強度鋼板在溫度場內由奧氏體轉變為馬氏體，提高了板料的強度，降低了板料的重量。本文對熱衝壓成形板料和設備應用進行了總結，並預測了熱衝壓技術的未來發展趨勢...

安全、節能和環保是消費者最關心的汽車性能指標。目前，降低汽車燃料消耗、減少CO2和廢氣排放是社會的主要需求。車身輕量化對於減輕整車自身重量、降低油耗和促進節能環保至關重要。為了適應輕量化的發展趨勢，熱成形工藝和應用技術應運而生。

熱成形壓力機簡稱熱衝壓，是相對於常見的冷衝壓成形而言。為了幫助減輕汽車自身重量並提高汽車的安全性，鋼鐵業開發出許多種類的高強度鋼板。為了克服高強度鋼板冷成形的困難，熱衝壓需要通過將鋼板加熱，使其板料上產生一個不斷變化的溫度場。在溫度場的影響下，板料的基體組織和力學性能發生變化，導致板料的應力場也發生變化，同板料的應力場變化又反作用於溫度場。

工藝過程

熱成形工藝過程為：首先將常溫下強度為500～600MPa的硼合金鋼板加熱到約940℃，全奧氏體後，將材料從加熱爐轉移到熱成形的壓力機中，該過程在空氣中進行，必須儘快完成，如果成形前材料溫度降到750℃以下，就可能形成鐵素體從而惡化零件的機械性能。送入內部具有冷卻系統的模具內，壓力機進行衝壓、成形。板料在模具內快速冷卻(水冷)，將奧氏體轉變為馬氏體(200℃以下)，冷卻速度一般為-40～100℃/s以保證零件的淬透性，使衝壓件得到硬化，大幅度提高強度(1500MPa)。所以熱成形工藝就是板料內部溫度場與應力場共存且相互耦合的變化過程。熱衝壓成形的生產流程為拆垛裝置、加熱爐、上料裝置、成形冷卻、激光切割和噴丸塗油，如圖1所示。

圖1 熱衝壓成形的工藝流程

目前，熱成形用鋼均選用硼鋼，因微量的硼可有效提高鋼的淬透性，使零件在模具中以適當的冷卻速度獲得所需要的馬氏體組織，從而保證零件的高強度。熱成形衝壓板材主要分為鍍層與無鍍層板材。其中，無鍍層鋼板成本低、焊接性能好，但其加熱、衝壓過程中有氧化皮產生需要進行噴丸處理，零件存儲過程易生鏽，耐腐蝕性能較差。22MnB5鋼是典型的熱衝壓高強度無鍍層鋼板。22MnB5在不同加熱溫度下，抗拉強度隨溫度而變化(見圖2)。從圖2中可以看出，隨溫度的增加，板料抗拉強度在900℃時出現最大值，溫度繼續增加，抗拉強度呈現下降趨勢。板料在加熱溫度為900℃時，表現出的力學性能較佳。板料要達到抗拉強度為1500MPa，溫度在940℃左右即可，強度是普通鋼板強度的3～4倍。

圖2 抗拉強度隨溫度變化

鍍層板料主要為鋁硅鍍層板，相比無鍍層板材，其優勢為：加熱爐在生產過程中無需保護氣體;熱衝壓件在加熱、衝壓過程中無氧化皮產生，無需噴丸處理，對模具無影響;零件在儲存過程不生鏽，耐腐蝕性能好。其缺點為：板材(USIBOR1500，全球專利產品，Al-Si鍍層)只可從國外採購，成本較高;當板料加熱到一定溫度時，鍍層易和加熱爐陶瓷輥粘結，需定期更換陶瓷輥，年維護成本較高。

加熱爐主要是對板料快速加熱及進行板料溫度控制的設備。其加熱方式分為電加熱、燃氣加熱和電氣混合加熱。根據加熱爐結構形式主要分為輥底式加熱爐、多層箱式加熱爐和旋轉式加熱爐。加熱爐主要用於解決高強度鋼冷成形中的裂紋和形狀凍結性不良等問題，應用於高強度汽車部件的製造以及車身結構件、加強件的成形。適用於熱衝壓的典型車身零件主要包括：前、後門左右防撞桿(梁)，前、後保險杠，A柱加強板，B柱加強板，C柱加強板，地板中通道，車頂加強梁等，如圖3所示。

圖3 熱衝壓設備技術應用

熱衝壓技術的優點包括：提高車型的碰撞性能，實現更大程度的車身輕量化，減少油耗和CO2的排放，零件成形相對較好，零件尺寸精度好，車身結構設計簡單，加強板數量有效減少，降低壓力機噸位要求，有效提高零件的表面硬度及其耐磨性，降低衝壓雜訊，通過車身結構優化設計可以有效控制綜合製造成本。然而此技術也存在諸多缺點：生產節拍慢(3～4衝程/min)，需要激光切割進行切邊、沖孔，工藝影響因素比冷衝壓複雜得多，無鍍層板熱衝壓過程會產生氧化皮需要定期清理，固有廢品率遠遠高於冷衝壓，單件成本高，工作環境比冷衝壓差，技術門檻和投資門檻較高，業內技術落後於實驗，熱衝壓模擬精度相對較差，調試周期相對較長。

圖4 後保險杠生產過程

在此以後保險杠實際生產為例(見圖4)，生產過程：加熱爐上料部分由上料小車、機械手和輸送輥組成，上料機械手將板料放置在輸送輥上，輸送輥將板料輸送到加熱爐內腔，加熱爐採用輥底式，板料途經前端快速加熱區、末端保溫區到達出料口位置。出料口板料溫度達到940℃，板料經輸送輥快速到達加熱爐線尾機械手指定的抓取位置，輸送過程中板料溫度急速下降，機械手快速抓取板料放置到模具中，保證板料的溫度在750℃以上。壓力機進行合模保壓，壓力機採用油壓機(800t)，保壓時間為約8s。保壓完成後形成半成品，再轉到激光切割設備進行修邊、打孔，最後轉到拋丸塗油設備進行加工，打磨表面的氧化皮並塗抹防鏽油，避免再次氧化。

目前，鋼板熱成形技術已成為國外汽車製造業的熱門技術，發展迅速。作為衝壓零件高強化的另一種有效途徑，熱衝壓在汽車領域具有廣闊的應用前景。

高強度衝壓零部件吸收碰撞能量不足，面對日益嚴格的關於碰撞與環境方面的法規以及零部件碰撞時最小化擠料的產品要求，熱成形零部件能夠更出色地吸收車輛碰撞能量，減少車輛碰撞型變，最大程度地保護車內人員安全並實現車身輕量化。

一些發達國家已經研製出局部加熱形式，即同一個料片里差別加熱，使料片體現不同特性的技術，即局部強化。局部加熱方式有兩種：模具局部加熱(見圖5)與料片局部加熱(見圖6)。

圖5 模具局部加熱方式（控制冷卻速度）

圖6 料片局部加熱方式

為提高汽車配件碰撞性能而開發的局部熱成形技術如圖7所示。

圖7 局部熱成形技術

此種熱成形板料具備吸收碰撞能量與阻止入侵等性能，確保滿足輕量化條件與碰撞性能的同時還能提高燃料經濟性。

結語

熱成形技術的應用是汽車行業發展的潮流與趨勢，合理使用熱成形技術可以帶來高性能的產品，提升整車品質。隨著汽車輕量化的發展，熱成形技術必將大放異彩。

推薦閱讀：