淺談汽車(chē)熱沖壓成形技術(shù)

張 偉，劉君君，底曉煒

奇瑞商用車(chē)（安徽）有限公司（安徽蕪湖 241009）

1 熱沖壓成形介紹

熱沖壓成形鋼板技術(shù)是指將鋼板經(jīng)過(guò)高溫加熱（攝氏900℃以上）后一次沖壓成形，又迅速冷卻從而全面提升鋼板強(qiáng)度，即奧氏體化轉(zhuǎn)化馬氏體化，處理后制件屈服強(qiáng)度可達(dá)1,000MPa以上，把這種工藝制造的制件用在車(chē)身上，車(chē)身剛度可有效提高30%，在發(fā)生車(chē)輛碰撞時(shí)因具備高延展性、高抗拉性、高強(qiáng)度性從而能夠有效地保護(hù)車(chē)內(nèi)人員的安全。圖1為車(chē)身熱沖壓成形制件分類(lèi)情況。

圖1 車(chē)身熱沖壓成形制件分類(lèi)

2 熱沖壓成形工藝現(xiàn)狀及應(yīng)用前景

世界各國(guó)汽車(chē)保有量的加大帶來(lái)了3個(gè)大的問(wèn)題：能源、環(huán)保和安全，針對(duì)這面臨的共有問(wèn)題，世界各國(guó)都制定了相應(yīng)的法律、法規(guī)。例如：史上最嚴(yán)格的新國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)、各國(guó)明文通知傳統(tǒng)燃油車(chē)制造時(shí)間等；同時(shí)汽車(chē)輕量化也是必不可少的控制方法，不是要做輕量化，而是大的環(huán)境、政策不允許傳統(tǒng)車(chē)按照這種以犧牲環(huán)境的方式走下去。

作為一種新興工業(yè)，熱沖壓成形技術(shù)在汽車(chē)工業(yè)中的應(yīng)用，即滿足了車(chē)身減重的目的，同時(shí)也達(dá)到了提高車(chē)身整體碰撞安全系數(shù)的目的，對(duì)車(chē)身的排放及節(jié)能都有著一定貢獻(xiàn)。目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)中本特勒·浦項(xiàng)、卡斯馬、馬鋼等公司在熱沖壓成形中有著較強(qiáng)的技術(shù)實(shí)力，對(duì)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的熱成形技術(shù)做出了貢獻(xiàn)。

汽車(chē)輕量化（節(jié)能降排）已成為世界汽車(chē)工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然道路，熱成形技術(shù)助力汽車(chē)輕量化的發(fā)展，已越來(lái)越多的獲得了更多車(chē)企的關(guān)注，2018年中國(guó)國(guó)內(nèi)汽車(chē)?yán)塾?jì)銷(xiāo)量2,808萬(wàn)輛，占全球市場(chǎng)份額30.6%，2019年1～6月份國(guó)內(nèi)汽車(chē)?yán)塾?jì)銷(xiāo)售1,213.2萬(wàn)輛，在未來(lái)6～10年內(nèi)可以預(yù)見(jiàn)熱成形技術(shù)在使用上具有廣闊的市場(chǎng)及前景，該技術(shù)在國(guó)內(nèi)汽車(chē)市場(chǎng)將大放異彩。

3 熱沖壓成形的沖壓工序

3.1 落料工序

落料是熱成形沖壓的第一個(gè)環(huán)節(jié)，定義就是把板料分離成一定形狀或輪廓尺寸，如圖2所示。

3.2 高溫爐反應(yīng)

將鋼材加熱到AC1點(diǎn)或者AC3點(diǎn)以上，使體心立方的α-Fe鐵結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫘牧⒎浇Y(jié)構(gòu)的γ-Fe，這個(gè)過(guò)程就是奧氏體化過(guò)程，這一工序的目的就是將鋼材放在高溫爐里并加熱到一個(gè)適合的溫度，使鋼材完全變成奧氏體化，同時(shí)具備非常良好的塑性，如圖3所示。

圖2 落料工序

圖3 原材料奧氏體化

3.3 奧氏體轉(zhuǎn)移

指的是利用自動(dòng)化機(jī)械抓手將加熱后的奧氏體（即鋼材）從加熱爐中取出放進(jìn)熱沖壓成形模具中去。在這一道工序中，必須保證奧氏體被盡可能快地轉(zhuǎn)移到模具中，一方面是為了防止高溫下的奧氏體被氧化；另一方面是為了確保奧氏體在成形時(shí)仍然處在較高的溫度下，以具有良好的塑性，如圖4所示。

3.4 成形及淬火

在將奧氏體放進(jìn)熱成形模具之后，要立即用熱成形模具對(duì)奧氏體進(jìn)行沖壓成形，避免溫度的快速降低影響奧氏體的成形性能。成形以后模具要合模保壓一段時(shí)間，一方面是為了控制制件的形狀（防止制件反彈）；另一方面是利用模具中設(shè)置的冷卻裝置對(duì)制件進(jìn)行淬火。在模具內(nèi)快速冷卻到200℃左右，整個(gè)過(guò)程需要6～12s，將奧氏體全部轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，使晶體硬化，以大幅度提高板材屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，獲得良好的尺寸精度和機(jī)械性能，如圖5所示。

3.5 成品噴涂及表面處理

成形件從模具中取出以后，自動(dòng)化機(jī)械抓手從模具中取出成形后制件后，制件隨室溫進(jìn)行冷卻，若采用的是裸板材質(zhì)則需要對(duì)表面進(jìn)行噴丸處理，已達(dá)到去除制件表面氧化皮，因熱沖壓件具有高強(qiáng)度性，普通的切邊、沖孔手段無(wú)法對(duì)其進(jìn)行加工。因此必須用激光技術(shù)去完成，最終成品件檢驗(yàn)合格入庫(kù)，同時(shí)得到高抗拉強(qiáng)度性能制件（可達(dá)到1,500MPa左右），如圖6所示。

圖4 機(jī)械手將奧氏體迅速轉(zhuǎn)移

圖5 制件成形及淬火

圖6 后續(xù)處理

4 熱沖壓成形的特點(diǎn)

（1）提高車(chē)型的碰撞安全系數(shù)。

熱沖壓成形的制件（如A柱、B柱、前門(mén)防撞板等）構(gòu)成的成形因具備高強(qiáng)度性能，在車(chē)身發(fā)生碰撞時(shí)能有效確保座艙及車(chē)身側(cè)面的完成性，減少了外力侵入量，提高了碰撞安全性。

（2）能夠最大程度的實(shí)現(xiàn)車(chē)身輕量化。

熱沖壓成形的制件屈服強(qiáng)度都高于900MPa，抗拉性能強(qiáng)度高于1,300MPa，由于該類(lèi)的制件都強(qiáng)度較高，可以結(jié)合實(shí)際情況減少車(chē)身上一定數(shù)量的加強(qiáng)類(lèi)制件，從而達(dá)到車(chē)身輕量化的目的。

（3）制件尺寸精度高。

在熱沖壓成形過(guò)程中，板料高溫加熱后在模具成形過(guò)程中不易反彈，因此能夠保證制件的相對(duì)尺寸精度，如汽車(chē)后縱梁、B柱加強(qiáng)板等。

（4）車(chē)身設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，加強(qiáng)板數(shù)量有效減少。

由于減少了相應(yīng)的車(chē)身加強(qiáng)類(lèi)制件數(shù)量，車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)降低了設(shè)計(jì)難度。

（5）有效提高制件的表面硬度及耐磨性。

制件成形后表面硬度能達(dá)到400～550HV，可以有效提高零部件表面硬度及其耐磨性能。

（6）通過(guò)車(chē)身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以有效控制車(chē)型的開(kāi)發(fā)制造成本。

通過(guò)減少一定數(shù)量的車(chē)身加強(qiáng)板制件，減少板料厚度來(lái)減少一次性投入的模具開(kāi)發(fā)成本以及板料重量，同時(shí)，模具減少后，生產(chǎn)的沖刺費(fèi)用相應(yīng)的也將減少。

5 熱沖壓成形制件實(shí)際應(yīng)用

以我司M16項(xiàng)目（艾瑞澤7）為例，在該車(chē)型上運(yùn)用的熱沖壓成形件有A柱、B柱、門(mén)防撞板、前擋板、加強(qiáng)梁等7個(gè)零部件，通過(guò)計(jì)算應(yīng)用了熱沖壓成形的制件后，車(chē)身總重降低了8.65kg，明顯的提高了整車(chē)的安全性能，同時(shí)模具開(kāi)發(fā)的一次性成本及后期的沖壓費(fèi)用都得到了一定的降低。以熱成形制件B柱為例，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)得出熱成形制件不管是抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度還是斷后的延伸率都比普通冷沖壓的高（見(jiàn)表1、表2及圖7），熱成形的優(yōu)點(diǎn)是減少了相關(guān)制件數(shù)量和材料消耗、優(yōu)化了結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)了整車(chē)輕量化、簡(jiǎn)化了裝配工藝，同比熱沖壓成形的B柱制件可為車(chē)身總重減重約2kg。

表1 化學(xué)成分分析

圖7 B柱組織性能

6 結(jié)語(yǔ)

隨著汽車(chē)環(huán)保和安全法規(guī)的日益嚴(yán)格，熱沖壓成形已經(jīng)被各大主機(jī)廠廣泛采用。目前合資、進(jìn)口車(chē)企在這方面做的比較好，例如奧迪A3熱沖壓成形制件達(dá)到占車(chē)身制件比21.7%，占車(chē)身骨架重量比的26.4%，是迄今為止有資料顯示的熱成形件用量最高的車(chē)型。雖然國(guó)內(nèi)主機(jī)廠的相關(guān)理念與這些合資、進(jìn)口車(chē)企基本保持一致，但精細(xì)的性能設(shè)計(jì)能力還是存在差距。隨著經(jīng)驗(yàn)的積累與技術(shù)的不斷創(chuàng)新，國(guó)內(nèi)自主品牌對(duì)熱成形工藝、技術(shù)應(yīng)用會(huì)越來(lái)越成熟，甚至?xí)竭M(jìn)口、合資車(chē)企。