淺析熱沖壓的形成工藝

劉洪升

【摘要】：為了實(shí)現(xiàn)汽車輕量化，熱成形技術(shù)開始得到大量的應(yīng)用，由此抗拉強(qiáng)度在1500Mpa以上的超高強(qiáng)度鋼受到了市場的歡迎，越來越多地應(yīng)用在汽車車身上。熱成形具有諸多優(yōu)勢(shì)，尤以成形性好、強(qiáng)度高和回彈小著稱。

【關(guān)鍵詞】：熱成型；優(yōu)勢(shì)

引言

若要得到超高強(qiáng)度沖壓件則需要鋼板熱沖壓技術(shù)，擁有此技術(shù)就可以不再擔(dān)心超高強(qiáng)度鋼成形性差的問題。這種新技術(shù)已經(jīng)得到了相當(dāng)長一段時(shí)間的發(fā)展及應(yīng)用，隨著國內(nèi)市場對(duì)汽車安全的重視以及環(huán)保要求逐步跟世界接軌，熱成形鋼的應(yīng)用會(huì)越來越廣泛。

熱成形技術(shù)具有成形性好、回彈小、強(qiáng)度高等明顯優(yōu)勢(shì)，在白車身的使用逐年遞增，目前我國的國產(chǎn)車型用量已經(jīng)達(dá)到7～10%，德系新車型用量則是20%以上，而沃爾沃白車身已達(dá)到40%以上的用量。據(jù)專業(yè)權(quán)威機(jī)構(gòu)預(yù)測，熱成形鋼在白車身的使用量將會(huì)穩(wěn)定在30%以上，現(xiàn)在普遍使用以1500MPa級(jí)的熱成形鋼為主，附加值高，市場前景廣闊。

熱成形鋼已經(jīng)開始生產(chǎn)，在實(shí)際生產(chǎn)中仍然存在許多問題。最突出的問題是生產(chǎn)效率偏低，產(chǎn)品各向異性偏大等，如果要達(dá)到批量穩(wěn)定供貨的要求，還需要做很多的技術(shù)研究工作。

1.熱沖壓成形工藝

熱沖壓成形工藝通常有直接和間接熱沖壓成形工藝兩種。直接熱沖壓成形是使鋼板首先在加熱爐中升溫，之后的成形與淬火直接移動(dòng)到?jīng)_壓模具中來，大多應(yīng)用在外形單一和變形程度不大的零件。間接熱沖壓成形則與直接的方式不同，在熱沖壓和淬火之前，需要在常溫下對(duì)板材采取預(yù)先變形的操作，變形程度在90～95%之間。間接熱成形主要針對(duì)生產(chǎn)尺寸比較大且外形復(fù)雜的零件，這樣能夠縮短零件和模具之間的移動(dòng)距離，進(jìn)而降低模具表面因高溫造成的損耗，并且增加了模具與零件的磨合次數(shù)，在一定程度上減輕了冷卻時(shí)產(chǎn)生的溫度分布不均的的現(xiàn)象。

2.熱沖壓成形工藝的生產(chǎn)過程

熱沖壓成形工藝通常有六個(gè)工序：落料、預(yù)成形（間接熱沖壓成形工藝）、加熱奧氏體化、轉(zhuǎn)移、沖壓和淬火、后續(xù)處理，以下為對(duì)各個(gè)工序的簡要概括。

（1）落料：是熱沖壓成形的首要步驟，具體操作就是利用冷成形中落料的模具和壓機(jī)使板材沖裁出符合標(biāo)準(zhǔn)要求的外輪廓板坯。

（2）預(yù)成形：促使坯料的外形發(fā)生一定的改變，目的是為了得到符合進(jìn)一步塑性變形的形狀。

（3）加熱奧氏體化：此過程需要在加熱后進(jìn)行保溫，為了促使鋼板達(dá)到完全奧氏體化的目的，需要使鋼板升溫到適當(dāng)?shù)牡臏囟?，然后在此溫度下保持一定的時(shí)間[12]。加熱溫度范圍一般為900～950℃，然后保溫5～10min，這時(shí)鋼板的強(qiáng)度得到了降低，塑性與成形性能也比較優(yōu)異。為了符合加熱的各項(xiàng)要求，應(yīng)該使用專用的連續(xù)加熱爐，而且為了達(dá)到在設(shè)定的工作節(jié)奏下實(shí)現(xiàn)連續(xù)自動(dòng)化生產(chǎn)的目的，自動(dòng)化進(jìn)料和出料就是其必不可少的的功能。加熱功率也務(wù)必要達(dá)到指定要求，防止功率不足，只有這樣才能在要求的時(shí)間里使加熱爐中的鋼板達(dá)到完全奧氏體化的目的。

（4）轉(zhuǎn)移：就是使板材在爐中加熱到指定溫度后，將其取出，并立刻放置到熱沖壓成形模具中。此過程務(wù)必以最快的速度把板材放置到模具中，因?yàn)榘宀谋患訜岬搅艘粋€(gè)很高的溫度，一旦接觸到空氣很容易被氧化。成形時(shí)的板材在高溫下的塑性性能得到了提升。

（5）沖壓和淬火：在板材放到模具中后，應(yīng)迅速對(duì)板材采取沖壓成形的操作，防止降溫太多對(duì)板材的成形性能造成破壞。為了規(guī)范零件的外形尺寸，在板材成形之后，模具應(yīng)該合模保壓必要的時(shí)間。板材的淬火處理需要通過模具中的冷卻裝置，這樣能夠使得其尺寸精度和力學(xué)性能得到明顯改善。

（6）后續(xù)處理：取出工件后，其工藝生產(chǎn)過程并未全部完成，還要對(duì)以上操作做掃尾處理，例如：零件需要采取切邊和鉆孔處理；為了清除掉其表面的氧化皮還已應(yīng)使用噴丸，也可利用酸洗方法。由于零件經(jīng)過熱沖壓成形后，其強(qiáng)度會(huì)得到特別明顯地提高，其切邊和鉆孔加工操作已經(jīng)不能夠使用一般的方式，所以一定要通過激光技術(shù)對(duì)零件進(jìn)行切割。

加熱奧氏體化和沖壓與淬火工序在熱成形工藝生產(chǎn)過程中是十分重要的兩道工序。對(duì)于加熱奧氏體化而言，保溫時(shí)間和加熱溫度是其不可或缺的工藝參數(shù)，若要穩(wěn)定板材的奧氏體化質(zhì)量，需要調(diào)節(jié)這兩個(gè)參數(shù)來實(shí)現(xiàn)其目的。在沖壓與淬火工序中，開始變形溫度、冷卻速率和應(yīng)變速率等是其主要的工藝參數(shù)，對(duì)零件的力學(xué)性能產(chǎn)生重要的影響。經(jīng)過熱沖壓成形的零件會(huì)受到以上工藝參數(shù)的影響作用，從而在其性能和組織方面發(fā)生相關(guān)的變化。

3.熱沖壓成形工藝特點(diǎn)

在超高強(qiáng)度鋼的可塑性和熱加工性能等方面，熱沖壓成形工藝能夠發(fā)揮極其作重要的作用，促使超高強(qiáng)度鋼的綜合性能得到顯著地提升。熱沖壓成形工藝可以一次就能沖壓成形完成比較復(fù)雜的零件，與冷沖壓相比，它的回彈力不足其十分之一。熱沖壓成形工藝有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）對(duì)壓力機(jī)的噸位要求比較低，而冷沖壓的壓力機(jī)噸位是2500t。對(duì)于大部分車身零件而言，熱沖壓800t壓力機(jī)完全符合使用標(biāo)準(zhǔn)，并且還降低了制造成本；

（2）經(jīng)過熱沖壓的零件表面具有相對(duì)比較高的硬度，根據(jù)試驗(yàn)測得其抗拉強(qiáng)度超過了1500MPa，硬度也突破了50HRC，不過零件在經(jīng)過熱沖壓成形后應(yīng)該使用激光技術(shù)進(jìn)行切邊與沖孔操作；

（3）零件經(jīng)過熱成形后，重量會(huì)比之前輕很多，可以使汽車達(dá)到輕量化的目的，還能夠節(jié)約資源，板材在使用超高強(qiáng)度鋼熱沖壓件后，厚度不到原來的70%。

4.結(jié)語

本文提出了一種新的微觀結(jié)構(gòu)模型，其中靜態(tài)再結(jié)晶過程由形核和長大的機(jī)理來描述。再結(jié)晶晶粒的生長速率由晶界遷移率和驅(qū)動(dòng)壓力的乘積給出。與其他幾種模型相比，沉淀影響被納入遷移項(xiàng)，而不是驅(qū)動(dòng)壓力項(xiàng)，即使齊納力超過驅(qū)動(dòng)力，也允許再結(jié)晶分?jǐn)?shù)的進(jìn)一步生長。該模型對(duì)參考文獻(xiàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證，達(dá)到了良好的效果。

參考文獻(xiàn)：

[1] Hansen S S， Vander Sande J B and Cohen M 1980 Niobium carbide precipitation and austenite recrystallization in hot rolled microalloyed steels Metall. Trans. A11A 387-402.

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