汽車車身鋁合金板材熱沖壓模內(nèi)淬火工藝技術(shù)

王清仙　黃艷靈　陳春龍

(浙江吉利控股集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 311228)

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汽車車身鋁合金板材熱沖壓模內(nèi)淬火工藝技術(shù)

王清仙黃艷靈陳春龍

(浙江吉利控股集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 311228)

熱沖壓成形及模內(nèi)淬火工藝(HFO)是一種針對于復(fù)雜沖壓形狀的高強度鋁合金板材的先進(jìn)生產(chǎn)工藝方法，可以提升高強度鋁合金板材的沖壓性能，同時又避免了熱成形后的材料性能嚴(yán)重下降，可大規(guī)模提升鋁材料的應(yīng)用在輕量化車身中所占比重，對于汽車輕量化開發(fā)具有很重要的研發(fā)價值。對HFQ工藝流程、在汽車上的應(yīng)用以及目前的研發(fā)進(jìn)展進(jìn)行了系統(tǒng)的介紹。

汽車車身；鋁合金；沖壓；熱沖壓成形及模內(nèi)淬火

汽車的輕量化在節(jié)能減排中占有非常重要的地位。試驗表明，在其他條件相同情況下，汽車的重量每減輕100 kg，每百公里的燃油消耗將減少0．4～l L，汽車的重量每減少10%，燃油的消耗可降低6%～8%，汽車的燃油量下降，汽車的廢氣排放也會有明顯改善。因此，汽車輕量化是提高汽車的經(jīng)濟性和節(jié)約資源減少污染的重要途徑。

鋁合金材料具有密度小、比強度高、耐蝕性好和成本低等一系列優(yōu)點，目前越來越多的用于高檔轎車輕量化設(shè)計。如奧迪公司生產(chǎn)的全鋁A8高級轎車，車身全部用鋁合金生產(chǎn)，使得車身重量降低了40%，取得了較好的輕量化效果。但是鋁板與鋼板相比，均勻伸長率相等，局部伸長率低，且彈性系數(shù)僅為鋼板的1/3，因此，在常溫下沖壓成形性能較差，成形時金屬流動困難，從而其應(yīng)用受到一定的限制[1]。

由于鋁板的沖壓成形性能比鋼板材料差，高強度鋁板的沖壓性能更差。因此在汽車車身結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用上，傳統(tǒng)的冷成形工藝不再適用，必須采用熱成形等新工藝，但是熱成形工藝會嚴(yán)重降低鋁合金的材料性能。如何使鋁合金板材的沖壓性能與材料性能兼顧，使鋁合金板材能廣泛地用于汽車車身復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，國內(nèi)外都一直在進(jìn)行探索研究。

熱沖壓成形及模內(nèi)淬火工藝( heat treatment, forming and in-die quenching process，簡稱HFQ)是近年來正在研究中的一種針對于復(fù)雜沖壓形狀的高強度鋁合金板材的先進(jìn)生產(chǎn)工藝方法。HFQ工藝使高強度鋁合金板材具有極好的可塑性、良好的成形性能及熱加工性能，復(fù)雜零件也可以經(jīng)過一次沖壓成形完成，其回彈力比冷沖壓減少90%以上，從而減少零部件數(shù)量。相比普通多件拼接結(jié)構(gòu)設(shè)計，使用HFQ一體成形熱沖壓件可使重量減少20%以上。

1　HFQ工藝流程

HFQ工藝技術(shù)是由帝國理工學(xué)院和伯明翰大學(xué)研究，瑞典AP&T公司和英國PAB、ITL等公司合作，基于生產(chǎn)出重量更輕、強度更高、形狀更復(fù)雜、尺寸穩(wěn)定性更高的零部件的目的共同開發(fā)的最新技術(shù)。

HFQ工藝是非等溫成形過程，且成形與淬火同步實現(xiàn)。其工藝過程如圖1所示，圖中T表示溫度，t表示時間。成形時，先將板材加熱到熱處理溫度，高溫保溫一段時間，然后被迅速移入通過水冷等方式保持室溫的冷模具中，在短時間內(nèi)成形、淬火并保壓。成形前要對模具涂抹潤滑劑。在板材成形初期屬于熱成形范疇，而模具對板材的冷卻作用使其成形的同時達(dá)到淬火的目的[2]。

這樣的工藝過程可以保證鋁合金板材的微觀組織在淬火時迅速成為過飽和固溶體狀態(tài)，降低材料硬度，降低板材沖壓成形時的流動應(yīng)力、提高板材的成形性，削弱了沖壓成形回彈，并且降低了所需設(shè)備的噸位。

對成形淬火后從模具中取出的鋁合金零件進(jìn)行后續(xù)人工時效，可以顯著提高成形零件的強度。

HFQ工藝關(guān)鍵參數(shù)主要包括：預(yù)熱溫度、成形速度、模具溫度、模具保壓時間、人工時效溫度、人工時效時長。工藝參數(shù)的選擇直接關(guān)系到成形零部件的性能，不同系列的鋁合金板材的工藝參數(shù)如何選擇需要通過大量模擬試驗來確定。表1給出了6082牌號鋁合金板材工藝參數(shù)的參考值。

表16082鋁板HFQ工藝參數(shù)參考值

預(yù)熱溫度/℃成形速度/(mm/s)模具溫度/℃模具保壓時間/s人工時效溫度/℃人工時效時長/h510～540350～45020～3010～15180～2002～9

人工時效時長對HFQ零件具有顯著影響，需要根據(jù)不同的鋁合金材料、人工時效溫度來試驗確定所需的人工時效時長。如圖2所示，經(jīng)過HFQ工藝處理后的6082牌號鋁合金板材，在人工時效2 h以后，材料強度提高約75%。當(dāng)人工時效時間在2．5～3．75 h范圍內(nèi)，成形件強度變化不明顯。這表明成形件強度在人工時效2．5 h以后達(dá)到峰值。如果人工時效時間達(dá)到9 h，與2～3．75 h短人工時效相比零件強度由于過時效而降低10%。因此，可以得出結(jié)論，在190℃進(jìn)行人工時效2．5 h，可以達(dá)到最大強度。

HFQ工藝與傳統(tǒng)沖壓工藝相比有如下優(yōu)點：增強鋁合金板材的沖壓成形性能，使復(fù)雜結(jié)構(gòu)沖壓零件可以一體成形，不需要拆分；使用高強度鋁合金板材一體成形，在同等性能條件下可極大減少結(jié)構(gòu)內(nèi)部加強板，精簡零件數(shù)量，避免了多重部件連接；減少了模具數(shù)量，降低了沖壓設(shè)備壓力機噸位，并且不需要在模具和零件設(shè)計時考慮零件回彈補償。

2　HFQ對鋁合金車身設(shè)計的應(yīng)用

鋁合金牌號用四位阿拉伯?dāng)?shù)字來表示，其中第一個數(shù)字代表了主要的合金元素，不同系列的鋁合金根據(jù)添加的不同合金元素而具有不同的特性。如表2所示。

表2鋁合金系列牌號

合金元素合金牌號可否熱處理純鋁1000系列不可熱處理銅2000系列可熱處理錳3000系列不可熱處理硅4000系列不可熱處理鎂5000系列不可熱處理鎂+硅6000系列可熱處理鋅7000系列可熱處理其它8000系列視合金元素而定

美國鋁業(yè)公司、加拿大鋁業(yè)公司及日本神戶鋼鐵公司都進(jìn)行了5000系、6000系鋁合金汽車板的生產(chǎn)和應(yīng)用研究, 并已批量生產(chǎn)和應(yīng)用。目前國際上采用較多的鋁合金汽車板型號有：6016，6022，6111，6005，6009，6010，5182，5754，5052等，在寶馬、奔馳、捷豹等高端汽車車身上應(yīng)用于A柱、B柱、邊梁、保險杠等結(jié)構(gòu)件。但是對于前防撞梁、車門防撞梁這種對碰撞安全相關(guān)的關(guān)鍵零部件，需要用到強度更高的材料，而鋁合金中高強度的7000系鋁板沖壓性能極低，目前普遍還是采用高強鋼。

與冷成型相比，HFQ工藝顯著提高了鋁合金成型極限，克服了傳統(tǒng)鋁合金板材熱成型后材料性能嚴(yán)重下降的缺點，尤其適合用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的高強度鋁板沖壓零件，在保證強度剛度等性能條件下達(dá)到輕量化的目的。

國外已采用這種新工藝生產(chǎn)出了首批樣件。圖3是蓮花汽車車身上材料為鋁合金6082 T6的一個深沖零件，采用傳統(tǒng)沖壓工藝無法成形，通過HFQ工藝實現(xiàn)成形。

采用HFQ工藝的零件在設(shè)計時可以實現(xiàn)傳統(tǒng)沖壓件設(shè)計所不可能達(dá)到的可能性。圖4為一個復(fù)雜結(jié)構(gòu)的汽車車門內(nèi)板鋁合金沖壓件設(shè)計斷面示例。a處表示可以實現(xiàn)深度沖壓而不需要分件連接；b處表示可以實現(xiàn)尖銳的臺階特征設(shè)計，用于加強零件強度、設(shè)計周邊零件配合面；c處由于HFQ工藝可忽略回彈，從而實現(xiàn)直角沖壓角度；d處表示可實現(xiàn)盡可能小的彎曲半徑。

HFQ成型過程可通過使用FEA工具進(jìn)行全過程仿真分析并優(yōu)化，除了常規(guī)的沖壓成形分析、零件強度分析、模具可行性分析等，還可以針對模具內(nèi)冷卻的溫度變化周期進(jìn)行淬火分析。

3　鋁合金板材HFQ生產(chǎn)線介紹

AP&T公司已于2016年第一季度成功交付全球第一條基于HFQ技術(shù)的鋁板熱成形生產(chǎn)線，并將于2016年第二季度開始正式投入生產(chǎn)。Impression Technologies Ltd(ITL)為這條生產(chǎn)線的采購方，并擁有HFQ?的注冊商標(biāo)。該生產(chǎn)線完成了鋁合金板材HFQ工藝的全自動化，顯著提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。圖5是該生產(chǎn)線概念圖。

該生產(chǎn)線的構(gòu)成包括： AP&T多層箱式加熱爐、6 000 kN高速熱成形壓機、人工時效爐、高速機械手、工藝及溫度監(jiān)控系統(tǒng)，以及針對相關(guān)工藝的成形模具、制氮機和水冷卻設(shè)備。圖6為生產(chǎn)線生產(chǎn)流程。

4　結(jié)語

熱沖壓成型模內(nèi)淬火(HFQ)工藝技術(shù)可大幅度提高高強度鋁合金板材的沖壓性能，同時又避免了熱成形后的材料性能嚴(yán)重下降，可大規(guī)模提升鋁材料的應(yīng)用在輕量化車身中所占比重，對于汽車輕量化開發(fā)具有很重要的研發(fā)價值。目前，國外對鋁合金的HFQ工藝的研究開發(fā)已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，但由于研發(fā)及設(shè)備投入成本較高，現(xiàn)只在國外高檔轎車車身上有少量零部件應(yīng)用。隨著國外第一條HFQ生產(chǎn)線的建立，國內(nèi)汽車生產(chǎn)廠和研究機構(gòu)對外合作的展開，HFQ工藝技術(shù)必將成為今后的研究熱點。

[1] Palumbo G, Tricarico L. Numerical and experimental investigations on the warm deep drawing process of circular aluminum alloy specimens[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2007,184(13): 115-123.

[2]Lorenz D, Roll K. Modeling and analysis of integrated hot forming and quenching processes[C]. Proceedings of the Sheet Metal 2005 Conference, 2005 : 787-794.

(編輯孫德茂)

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Heat treatment, forming and in-die quenching process used on aluminum alloy sheet pressing

WANG Qingxian, HUANG Yanling, CHEN Chunlong

(Zhejiang Geely Holding Group Co., Ltd., Hangzhou 311228, CHN)

Heat treatment, forming and in-die quenching process(HFQ)is a production method for stamping complex-shaped aluminium components from high-strength and ultra-high-strength alloys. HFQ can improve the formability of high-strength aluminium alloys and avoid the reducing of material performance. HFQ can be used to enhance the application of aluminum materials in lightweight body, and it is important to the development of lightweight vehicle. Presents HFQ process and it’s application in the automotive, and the current development.

car body; aluminium alloy; pressing; HFQ

TG3

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.08.006

王清仙，女，1984年生，碩士，中級工程師，主要從事鋁合金車身開發(fā)方面的研究。

2016-05-31)

160817