高强度钢板热冲压成形研究与进展

吕浩、陈枫、林凡红、杨昊、潘凤军、王波

北方华安工业集团有限公司 黑龙江 碾子山 161046

摘要：从整体来看，我国热冲压装备生产线技术较国外发展起步较晚，因此需要加大研发力度，汲取先进经验，研发出具有中国特色的冲压成形，从而提高我国汽车全球竞争力。

关键词：高强度钢板；热冲压成形；应用

前言

如今，我国的汽车制造业发展迅速，国家对于汽车碰撞的要求越来越高，对于汽车尾气排放也颁布了相应的法规，因此制造商必须响应国家号召，节能减排，降低环境污染，在汽车制造的过程中通过使用强度较高的钢板来提升汽车的质量。由于高强度的钢板在制作时会随着强度的提高使得其成形难度增大，很多零件就难以达到理想的形状，影响其使用性能。为了在制作高强度的钢板时其形状不变，就研发出了钢板热冲压技术。钢板热冲压技术能够在1500MPa压力下制造出冲压件，形成的冲压件精度较高，成形较为精确，钢板热冲压技术对于汽车制造领域至关重要。

1热成形技术简介

随着汽车工业的迅速发展，汽车的产销量不断提高。据估计，到2020年，中国的汽车占有量将达到2亿辆，燃油消耗将达到4400万吨。在燃油汽车依旧占据主流的汽车市场的形势下，巨大的燃油消耗将会带来巨大的碳排放量，这将会对环境造成巨大的破坏。因此，如何降低汽车油耗是汽车工业发展过程中亟待解决的重要问题。根据调查，汽车燃油消耗很大程度上取决于汽车重量，约75%的燃油消耗与整车的重量直接相关。其中，车身重量每降低100公斤，百公里油耗将会减少1.6L，碳排放减少5%~6%6%。因此，减少汽车重量是节能减排的一种重要手段，而汽车车身占据着整车重量的很大一部分。在保证汽车碰撞安全性的前提下，尽可能减少车身结构件的重量，将是汽车轻量化的一种有效方式。根据目前发展，采用轻质材料是实现汽车轻量化最为直接有效的途径。因此，同时满足安全性和轻量化要求的轻质材料就必须具有较高的“强度重量比”，如碳纤维复合材料，铝镁合金等低密度材料，以及高强钢这种通过降低零件厚度来实现减重。其中，铝镁合金以及复合材料价格都较为昂贵，而高强钢具有成本低，易回收等优点，因而被广泛使用。根据抗拉强度指标进行划分，汽车用高强钢可以分为普通高强钢和先进高强钢，其中270MPa至700MPa范围内的是普通高强钢（HSS），抗拉强度在700MPa以上的是先进高强钢（AHSS），而先进高强钢中抗拉强度在1000MPa以上的又被称为超高强钢（UHSS）。

2 汽车热成型技术的分类

2.1 直接热成型技术

热成型技术按照工艺过程分为直接热成型技术和间接热成型技术2 类。直接热成型工艺是指把坯料直接放置在通有保护气体的连续加热炉内，加热温度达到共析温度以上并保温一段时间，使钢板组织完全奥氏体化，然后通过机器抓手迅速转移到热冲压模具中，在冷却系统的辅助下进行冲压成型和淬火，再进行冷却、切边冲孔（或激光切割）、表面清理等后续工艺。直接热成型工艺有以下优点：1 套模具即可实现冲压成型及淬火工艺要求，在降低成型模具加工成本的同时提高了生产效率；对于加热前形状规则的板料，降低了其所需要的加热空间，从而可以进行批量加热，在节约能源的同时也提高了工作效率。直接热成型工艺的不足之处是无法生产形状复杂的汽车承载构件、模具冷却系统的设计复杂，且需要增加激光切割设备等。

2.2 间接热成型技术

在间接热成型工艺中，汽车承载构件需先进行冷冲压预成型，然后将预成型的零件放置在通有保护气体的连续加热炉内，加热温度达到共析温度以上并保温一段时间，使钢板组织完全奥氏体化，再通过机器抓手迅速转移到热冲压模具中，之后进行冷却、表面清理等。间接热成型工艺有以下优点：需要冷成型模具，可以生产复杂的汽车承载构件（与冷成型相同）；采用简单的有限元模拟（冷成型）；生产效率高，无需激光或硬切割；预成型后，缩短了板料的有效宽度，可以实现大零件的热成型。间接热成型工艺的不足之处是：需要冷成型和热成型2 套模具，成本高、开发周期长、能耗高；板料预成型已经修边及冲孔，热成型后精度控制困难。

3钢板热冲压技术概述

热冲压技术是通过高温将钢板加热到奥氏体温度范围，使得钢板组织发生变化，之后将发生变化的钢板快速移动到模具中，然后再快速冲压，模具中都含有冷却装置，通过冷却装置迅速冷却模具中的零件，将得到的零件再通过淬火进行冷却，最终得到了高强度冲压件的新型工艺。在进行钢板热冲压时主要的步骤为加热、冲压、保压和冷却。通过加热使得钢板初步成型，温度的高低直接影响了高强度钢板的冲压性能，通过冲压机的作用使得钢板成型，而保压使得钢板的形状更加稳定，在淬火的作用下促使钢板的组织发生变化。作为一种新兴工艺，热冲压成形技术在汽车工业中的应用，满足了车身减重、车身强度和碰撞安全的要求，有利于节能、环保以及车身轻量化目标的实现。目前，由于技术及设备条件的限制，国内汽车厂商使用热冲压零件的比例很小，2013年，中国汽车产销目标预计达到2000万辆，有望突破2300万辆，热冲压成形技术具有广阔的市场前景。与冷冲压相比，热冲压具有明显的技术优势，主要表现在以下几个方面：1）可以得到超高强度的车身零件，从而减小零件厚度，减少车身加强板数量，提高车身的碰撞性能，实现车身的有效减重。2）成形性相对较好。2）冲压所需的设备吨位较小，一般而言，800ｔ的高速液压机就能满足大部分车身零件热冲压需要。4）尺寸精度好。5）零件表面硬度、抗凹性和刚度特性好。6）零件外形设计可以简化。

4钢板热冲压使用现状及其前景展望

钢板热冲压技术能够确保制作高强度的钢板时其形状不变，这项技术在1500MPa的压力下制造冲压件，并且形成的冲压件精度较高，成形较为精确，作为一新兴的成形技术，热冲压技术对于汽车制造领域至关重要，应用前景更为广阔。国外多种类型的车都开始使用热冲压零件，而国内的进口车也多采用钢板热冲压零件。钢板热冲压常用于前、后门左右防撞杆，前、后保险杠，A、B、C柱加强板以及车顶加强梁等，如图1所示。

图1适合于热冲压的车身零件

总的来说，国产车的碰撞性能较差，如果在图1标注的部位使用热冲压零件，不但使得车身的碰撞性能大幅度提升，而且还能够降低车身自重。目前，国内的一些自主品牌汽车厂开始重视热冲压新技术，在其自主研发的新车型中采用钢板热冲压技术，大大提升了汽车的质量。由于国内某款车型的A、B加强板采用了热冲压零件，其国外碰撞测试从一星级升为三星级。由此可见，钢板热冲压新技术在未来将会应用得更加广泛，此项技术不但可以应用于汽车制造领域，还可应用于农业、矿山机械领域，提升其相关器具的强度等。

结束语

常见的热冲压技术得到的零件组织多为全马氏体组织，从而保证了零件的强度。然而，由全马氏体组织构成的零件有一大问题就是强度很高而韧性不足，汽车B柱因其上部作为汽车车顶的支撑部件希望具有较高的强度，同时其下部又作为车体的一部分要求有良好的韧性以获得优良的撞击时能量吸收能力，因此传统的热冲压工艺难以满足汽车B柱这类需要部分韧性较好区域的构件。这对于传统热冲压技术提出了新的要求，从而催生了新的变强度热冲压技术。本文简述了传统热冲压技术，并总结分析了目前变强度热冲压技术的主要发展方向。

参考文献：

[1]谭方培．高强钢热冲压成形中的相变模型及应用研究[D]．哈尔滨工业大学，2016．

[2]张云．模具热导率对热冲压成形性能及效率影响的数值研究[D]．上海大学，2016．

[3]喻苗．高强钢变强度成形的综合目标实现方法研究[D]．华中科技大学。2014．