熱沖壓成形工藝是近年來汽車行業(yè)具有影響力的先進(jìn)技術(shù)，專門用于生產(chǎn)汽車超高強度鋼板沖壓件。本文主要探討這一技術(shù)工藝和模具技術(shù)要點，以便與同行溝通。節(jié)油減排是汽車行業(yè)降低汽車使用成本、提高產(chǎn)品競爭力、減少排氣污染、提升企業(yè)形象的重要策略。在節(jié)油減排措施中，汽車輕量化的效果最為明顯。汽車重量每減少100公斤，每100公里可節(jié)省約1.6升燃油。因此，在汽車制造中開始使用塑料、鋁合金、碳纖維、高強度鋼板等各種替代材料。其中，使用高強度鋼板可以減少零件的厚度，減少零件的截面尺寸，減少零件的重量?；蛘邷p少零件的數(shù)量，減少汽車的重量。這些替代材料在實現(xiàn)汽車輕量化和提高汽車安全性能方面比其他材料具有明顯的優(yōu)勢，可以同時滿足輕量化和提高安全性能的要求。因此，高強度鋼板在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣。

熱成形技術(shù)是一種專門用于成形超高強度鋼板沖壓件的成形技術(shù)。該技術(shù)可以在高溫下沖壓板材，同時在模具中冷卻淬火，從而形成強度高達(dá)1500MPa的沖壓件。目前廣泛應(yīng)用于汽車車身結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)，如車門防撞梁、前后保險杠A柱、B柱、中間通道等。如下圖所示。

一、熱沖壓成形工藝原理以及流程

熱沖壓成形技術(shù)原理是將特制的超高強度硼合金鋼板加熱到880～930℃，使坯奧氏體化，然后將坯料送入帶有冷卻系統(tǒng)的模具中 在沖壓成形，坯料在成形的同時被模具表面冷卻、淬火，使其發(fā)生相變，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，使成形件得到強化。硼合金坯料成型前強度一般為500-600MPa，成型后沖壓件強度可達(dá)1500MPa，強度提高250%以上，零件硬度達(dá)到50HRC，但伸長率下降比較大，而硼合金鋼板在成形前的延伸率可以在24%以上，成形后的延伸率只有8%左右，所以熱沖壓技術(shù)也被稱為“沖壓硬化技術(shù)”。 其工藝流程如下圖所示。

二、熱沖壓成形工藝選材

當(dāng)前，熱成形用鋼均選用硼合金鋼，因微量的硼能夠有效提高鋼的淬透性，使零件在模具中以適當(dāng)?shù)睦鋮s速度獲得所需要的馬氏體組織，從而保證零件的高強度。當(dāng)下熱沖壓成形用鋼有4種：Mn-B系列、Mn-O-B系列、Mn-Cr-B系列、Mn-W-Ti-B系列。其中，汽車覆蓋件熱沖壓成形鋼板一般分為帶涂層鋼板以及不帶涂層鋼板。

其中，無鍍層鋼板成本低、焊接性能好，但其加熱、沖壓過程中有氧化皮產(chǎn)生需要進(jìn)行噴丸處理，零件存儲過程易生銹，耐腐蝕性能較差。22MnB5鋼是典型的熱沖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(如圖3)。從圖3中可以看出，隨溫度的增加，板料抗拉強度在900℃時出現(xiàn)最大值，溫度繼續(xù)增加，抗拉強度呈現(xiàn)下降趨勢。板料在加熱溫度為900℃時，表現(xiàn)出的力學(xué)性能較佳。板料要達(dá)到抗拉強度為1500MPa，溫度在930℃左右即可，強度是普通鋼板強度的3～4倍。

熱沖壓鍍層鋼板按鍍層成分體系劃分，可分為鋁硅（Al-10Si）鍍層、電鍍鋅鎳（Zn-10Si）鍍層、熱鍍純鋅（GI）層和合金花鋅鐵（GA）鍍層，相比無鍍層板材，其優(yōu)勢為：加熱爐在生產(chǎn)過程中無需保護(hù)氣體;熱沖壓件在加熱、沖壓過程中無氧化皮產(chǎn)生，無需噴丸處理，對模具無影響;零件在儲存過程中不生銹，耐腐蝕性能好。其缺點為：目前比較成熟的汽車覆蓋件用熱沖壓鍍層鋼板只可從國外采購，成本相當(dāng)高;當(dāng)板料加熱到一定溫度時，鍍層易和加熱爐陶瓷輥粘結(jié)，需定期更換陶瓷輥，年維護(hù)成本較高。

三、熱沖壓成形生產(chǎn)工藝

熱沖壓成形直接成形工藝是指板料加熱到奧氏體化溫度保溫一段時間后直接放到具有冷卻系統(tǒng)的模具里進(jìn)行成形及淬火，如下圖所示，其優(yōu)點如下：

(1)坯料在一套模具中進(jìn)行成形及淬火，節(jié)省了預(yù)成形模具費用并加快了生產(chǎn)節(jié)奏；

(2)坯料加熱前為平板料，這樣不僅節(jié)省了加熱區(qū)面積，節(jié)省能源，而且可以選取多種加熱方式，例如可以采用感應(yīng)加熱爐進(jìn)行加熱。

熱沖壓成形直接成形工藝缺點是復(fù)雜的車門內(nèi)零部件成形困難，且模具冷卻系統(tǒng)的設(shè)計更加復(fù)雜，需要增加激光切割設(shè)備等。

四、熱沖壓成形間接成形生產(chǎn)工藝

熱沖壓成形間接成形工藝是指板料先經(jīng)過冷沖壓進(jìn)行預(yù)成形，然后加熱到奧氏體溫度，保溫一段時間后放到具有冷卻系統(tǒng)的模具里進(jìn)行最終成形及淬火，如下圖所示，其優(yōu)點是：

(1)可以成形具有復(fù)雜形狀的車內(nèi)零部件，幾乎可以獲得目前所有的沖壓承載件；

(2)坯料預(yù)成形后，后續(xù)熱成形工藝不需要過多考慮板料高溫成形性能，就可以確保板料完全淬火得到所需要的馬氏體組織；

(3)坯料預(yù)成形后可以進(jìn)行修邊、翻邊、沖孔等工藝加工，避免淬火硬化后加工困難問題，例如板料淬火后修邊須用激光切割設(shè)備修邊，這會大大增加加工成本。

五、局部熱沖壓成形生產(chǎn)工藝

為了提高高強度鋼板沖壓零件吸收碰撞能量與阻止入侵等性能，國外一些發(fā)達(dá)的汽車企業(yè)已經(jīng)研制出局部加熱形式，即對同一個料片差別加熱，使料片體現(xiàn)不同的特性，即局部強化。局部加熱方式有兩種：模具局部加熱(如上圖)與料片局部加熱(如下圖)。 上圖所示模具局部加熱方式（控制冷卻速度）

局部加熱熱沖壓成品件低強度部位強度約為800MPa,加熱部位強度約為1500MPa，這樣既滿足了車體吸收碰撞能量強度要求也滿足了阻止入侵的強度要求。

熱沖壓成形及冷沖壓成形工藝零件質(zhì)量對比

六、熱沖壓成形零件特點

(1)由于選擇在高溫下成形，不帶涂層沖壓零件表面存在氧化，表面質(zhì)量不佳；

(2)零件在冷卻過程中由于溫度分布不均勻，易產(chǎn)生熱應(yīng)力和熱應(yīng)變；

(3)由于材料的高塑性，在成形過程中零件不易起皺和破裂，基本沒有回彈，尺寸穩(wěn)定性比較好；

(4)材料經(jīng)過加工變形和快冷，晶粒得到了細(xì)化，力學(xué)性能得到了很大的提高；

(5)材料經(jīng)過變形和硬化后，強度提高，冷沖壓切邊沖孔已無法達(dá)到工藝和零件精度的要求，需要利用激光或等離子切割設(shè)備完成。

七、冷沖壓成形零件特點

(1)由于是在室溫下成形和采用冷軋板，零件表面光滑；

(2)由于材料的塑性有限，在成形過程中零件易起皺和破裂，易回彈，尺寸穩(wěn)定性比較差；

(3)材料在加工過程中產(chǎn)生了加工硬化。

八、熱沖壓成形模具技術(shù)要點

相對于常規(guī)的冷沖壓模具僅用于零件的成形，熱沖壓模具不但用于成形，還要用于給零件冷卻淬火，因此其模具更加復(fù)雜，對模具材料選擇、模具設(shè)計等方面提出了更加嚴(yán)格的要求，如下圖所示。

在模具材料選擇方面，熱沖壓模具材料首先要有良好熱傳導(dǎo)系數(shù)，確保鋼板與模具表面之間的快速傳熱，實現(xiàn)良好的冷卻功能。模具材料還要具備良好的熱強度、熱硬度、高的耐磨性和熱疲勞性，保證模具內(nèi)板冷卻管道不被冷卻介質(zhì)銹蝕堵塞，因此國外一些熱沖壓模具材料中都含有較高的Ni和Cr。在模具材料選擇時，一般要根據(jù)具體的工作情況，參照熱鍛造模具鋼進(jìn)行選擇。

在模具凸凹模設(shè)計方面，不能照搬冷沖壓模具的設(shè)計方法，因為熱沖壓工藝回彈很小，幾乎無須考慮回彈對零件形狀的影響，另外還需考慮熱脹冷縮對零件最終尺寸和形狀的影響，并以此為基礎(chǔ)設(shè)計凸凹模具的關(guān)鍵尺寸。

在冷卻機構(gòu)設(shè)計方面，冷卻系統(tǒng)必須保證模具對零件的快速、均勻冷卻，冷卻管道的總體布局、形狀、直徑、冷卻管與模具工作表面、非工作表面以及冷卻管之間的距離、冷卻系統(tǒng)密封等都是冷卻機構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵所在，也是熱沖壓成形模具設(shè)計的最重要技術(shù)之一。設(shè)計冷卻管道系統(tǒng)時，可以結(jié)合數(shù)值模擬技術(shù)對各管道內(nèi)的冷卻介質(zhì)流動情況進(jìn)行模擬分析，使各管道都具有相同的冷卻效率，保證冷卻的均勻性。

目前行業(yè)比較成熟的冷卻水道計算公式及布置標(biāo)準(zhǔn)如下（冷卻水道的計算公式）：

式中，mw為單位時間內(nèi)流過模具的水的質(zhì)量(kg/ h);n為管道數(shù)目;qw為單個管道冷卻水流量(m3/ h);ρw為冷卻水在一定溫度下的密度(kg/m3)，取1000kg/m3;d為冷卻水孔直徑(m); v為冷卻水流動速度(m/s); tu為單位時間，1h=3600s。

式中，Re為雷諾數(shù); w為運動粘度(m2/s)，10℃ 時，w=1.3077×10-6m2/s。20℃ 時，w= 0.805×10-6m2/s；管道雷諾數(shù)Re<>e>4000為紊流狀態(tài)，2300≤Re≤4000為過渡狀態(tài)。

九、冷卻水道布置

冷卻管道直徑10～14mm;相鄰管道中心距為17～20mm;管道中心距形面最小距離大于15mm。每個鑲塊的冷卻系統(tǒng)相互獨立，相鄰鑲塊之間冷卻水道互不連通。一般來說，模具凸起區(qū)域不利于熱量向模具傳遞，凹形區(qū)域熱量易向周圍傳遞，在連續(xù)生產(chǎn)中，需在模具凸起區(qū)域設(shè)置冷卻管道；在圓角過渡區(qū)容易產(chǎn)生熱量集中，使零件該位置硬度較低。在連續(xù)生產(chǎn)中，需在模具圓角過渡區(qū)開設(shè)冷卻管道。

熱沖壓成形模具設(shè)計開發(fā)是熱成形關(guān)鍵技術(shù)，它不同于傳統(tǒng)的冷沖壓成形模具，它是冷卻協(xié)調(diào)優(yōu)化設(shè)計、冷卻管道加工、計算機仿真分析技術(shù)、傳熱模擬等技術(shù)的集成，最終達(dá)到成形、冷卻、組織性能優(yōu)良的完美結(jié)合，其開發(fā)流程如下圖所示。

實現(xiàn)車身輕量化是一個系統(tǒng)的工程，需要全面考慮材料、設(shè)計、制造工藝技術(shù)等各方面的問題；新材料的應(yīng)用離不開新成形制造技術(shù)的發(fā)展。隨著汽車行業(yè)的競爭和社會發(fā)展對汽車提出的更高要求，促使了超高強度鋼板在汽車上的應(yīng)用，從而促進(jìn)了熱沖壓成形技術(shù)的誕生和發(fā)展，反過來熱沖壓成形技術(shù)的應(yīng)用推廣和需求也會不斷促進(jìn)超高強度鋼板材料更進(jìn)一步的開發(fā)和性能提升，實現(xiàn)更高層次的汽車車身輕量化，實現(xiàn)社會發(fā)展對汽車行業(yè)節(jié)油減排，提高汽車安全性能的更高要求。