自20世紀70年代末發(fā)生石油危機以來，汽車工業(yè)在不斷完善發(fā)動機性能、優(yōu)化車身動力學(xué)設(shè)計、尋求替代能源的同時，加強了汽車輕量化的研究。高強度板以其重量輕、強度高的特點成為滿足汽車輕量化、降低燃油消耗、提高汽車碰撞安全性的重要途徑之一，在汽車車身零件中得到越來越廣泛的應(yīng)用。

室溫條件下高強度鋼板塑性變形范圍小，成形性能差，如采用冷沖壓法沖壓，所需的沖壓噸位大，容易開裂。同時由于沖壓回彈大，零件尺寸也難以控制。特別當(dāng)高強度板抗拉強度超過550MPa時，傳統(tǒng)的冷沖壓方法幾乎無法進行，因此汽車工業(yè)投入巨大的精力來開展高強度板的開發(fā)和熱沖壓成形技術(shù)的研究。1984年，瑞典SAAB成為全球首家使用熱沖壓零件的汽車企業(yè)，1991年使用熱沖壓技術(shù)生產(chǎn)的保險杠問世。目前熱沖壓成形技術(shù)已在汽車制造中得到較大范圍的應(yīng)用，全球擁有100多條熱沖壓生產(chǎn)線。

目前，我國對熱沖壓成形技術(shù)的研究剛剛開始，相關(guān)的文獻也較為粗略，影響了該新型技術(shù)知識在我國的推廣和應(yīng)用。本文從工藝、裝備、應(yīng)用三個方面，分別對熱沖壓成形的原理、分類、工藝流程進行了闡述，對高強度板、熱沖壓設(shè)備的要求進行了分析，對熱沖壓成形技術(shù)在轎車零件生產(chǎn)的應(yīng)用和進展進行了介紹，對熱沖壓成形技術(shù)知識的推廣與應(yīng)用具有一定的促進作用。

熱沖壓成形工藝流程

1）熱沖壓的工藝原理 

熱沖壓又常被稱為“沖壓硬化”技術(shù)。首先將初始強度為500～600MPa的高強度板加熱到880～950℃，然后送入內(nèi)部帶有冷卻系統(tǒng)的模具內(nèi)沖壓成形，并處于保壓狀態(tài)，以20～300℃/s的冷卻速度快速淬火冷卻，由于奧氏體轉(zhuǎn)變成了馬氏體，零件強度大幅提高，可以生產(chǎn)出強度高達1500MPa沖壓件。

2）熱沖壓工藝的分類 

熱沖壓技術(shù)按工藝過程分為直接熱沖壓工藝和間接熱沖壓工藝兩大類。

在直接熱沖壓工藝中，坯料被加熱后，直接送至閉式模具內(nèi)進行沖壓成形和淬火，然后進行冷卻、切邊沖孔（或激光切割）、表面清理等后續(xù)工藝。

在間接熱沖壓工藝中，先進行冷沖預(yù)成形后，然后再進入加熱、熱沖壓、切邊沖孔、表面清理等工藝。

兩者區(qū)別在于間接熱沖壓工藝在加熱前比直接熱沖壓工藝多了冷沖預(yù)成形工序，熱沖壓工藝送進加熱爐的是板料，間接熱沖壓工藝送進加熱爐的冷沖預(yù)成形件（見圖1）。

圖1

一般而言，直接熱沖壓工藝方法適用于簡單零件，間接熱沖壓工藝方法適用于形狀復(fù)雜零件或深拉深零件。

3）熱沖壓成形工藝流程 

熱沖壓成形一般工藝流程見圖2。熱沖壓的關(guān)鍵工藝過程是加熱、沖壓、保壓和冷卻。加熱過程直接影響到高強度鋼板的沖壓性能，沖壓過程中伴隨的淬火則對零件強度的硬化起到?jīng)Q定性的作用。

圖2

熱沖壓高強板

熱沖壓高強度板普遍采用含硼鋼板，初始抗拉強度在400~600MPa，經(jīng)熱沖壓、保壓、淬火后可達到1500MPa左右。

由于熱沖壓淬火過程中，伴隨著奧氏體向馬氏體的再結(jié)晶過程。此外，高強板會被加熱至再結(jié)晶溫度以上，鋼板表面與空氣接觸后會產(chǎn)生氧化和脫碳。因此，熱沖壓高強板成分適于熱沖壓過程中的奧氏體、馬氏體的熱循環(huán)，同時具備較強的抗高溫和耐腐蝕能力。

為了提高熱沖壓高強板高溫下的耐腐蝕能力，阻止加熱過程中產(chǎn)生氧化層，常常在金屬板表面涂覆鍍層。鍍層高強板與非鍍層高強板在熱成形時各有優(yōu)缺點，如附表所示。

由于非鍍層高強板具有焊接性好、造價低、無需噴丸處理的優(yōu)點，也常常被使用。為了避免非鍍層鋼板在熱沖壓加熱過程中產(chǎn)生表面的氧化和脫碳，通常在加熱爐中通入保護氣體阻止氧化層的發(fā)生。

一些研究表明在非鍍層高強板表面涂覆特殊防護油，可有效阻止熱沖壓氧化皮的產(chǎn)生。

目前，能夠批量提供高強板企業(yè)，國外主要為阿塞洛（Arcelor）、瑞典SSAB、蒂森克虜伯（ThyssenKrupp），寶鋼只能生產(chǎn)不帶鍍層的熱沖壓用鋼。

熱沖壓主要裝備

熱沖壓主要設(shè)備包括加熱爐、熱成形壓機、熱沖壓模具等，如圖3所示。

圖3 熱沖壓工藝設(shè)備

1）加熱爐 

加熱爐具有加熱和溫控能力，能在指定時間內(nèi)能將高強板加熱至再結(jié)晶溫度，達到奧氏體化狀態(tài)，且能適應(yīng)大批量自動化連續(xù)生產(chǎn)的要求。由于熾熱的坯料只能采用機器人或機械手上下料，要求加熱爐進出料自動化，定位精度高。同時在加熱非鍍層鋼板時，能提供氣體保護，避免坯料表面氧化和脫碳。

2）熱成形壓機 

是熱沖壓技術(shù)的核心，其既要有快速沖壓、保壓的能力，還需要配備快速冷卻系統(tǒng)，其技術(shù)復(fù)雜程度要遠遠超過常見的冷沖壓機。目前僅有少數(shù)國外企業(yè)掌握該類壓機的設(shè)計、制造技術(shù)，全部依賴進口，價格昂貴。

3）熱沖壓模具 

熱沖壓模具同時承擔(dān)成形、淬火兩個階段的工作：在成形階段，當(dāng)坯料被送入模腔后，模具迅速完成壓制工作，保證在材料發(fā)生馬氏體相變之前完成零件成形；此后進入淬火冷卻階段，保壓在模腔內(nèi)的工件的熱量不斷傳遞給模具，布置在模具內(nèi)的冷卻管通過流動的冷卻液體瞬間將熱量帶走，當(dāng)工件溫度降至425℃時，開始發(fā)生奧氏體－馬氏體轉(zhuǎn)變；溫度至280℃時，奧氏體、馬氏體之間的轉(zhuǎn)變結(jié)束，200℃時工件被取出。模具的保壓作用是為防止淬火過程中的熱脹冷縮的不均勻性，導(dǎo)致零件發(fā)生較大的形狀、尺寸改變，產(chǎn)生報廢；同時可以增強工件、模具的熱傳遞效率，促進淬火冷卻的快速進行。

淬火冷卻速度不但影響到生產(chǎn)節(jié)拍，還影響著奧氏體、馬氏體之間的轉(zhuǎn)變效率。冷卻速度決定了將形成何種結(jié)晶組織，關(guān)系到工件的最終硬化效果。硼鋼熱的臨界冷卻溫度為30℃/s左右，只有當(dāng)冷卻速率超出臨界冷卻溫度時，才能最大程度促成馬氏體組織的形成。當(dāng)冷卻速率小于臨界冷卻速率時，工件結(jié)晶組織中將會出現(xiàn)貝氏體等非馬氏體組織。但并非冷卻速率越高越好，過高的冷卻速度將導(dǎo)致成形件的開裂，需要根據(jù)零件的材料成分、工藝條件確定合理的冷卻速率范圍。

由于冷卻管的設(shè)計直接關(guān)系到冷卻速度的大小，一般從最大熱傳遞效率的角度來設(shè)計冷卻管路，因此設(shè)計出來的冷卻管道的走向比較復(fù)雜，很難在模具澆鑄完成后通過機械鉆孔的方法獲得。為避免受到機械加工的限制，一般選用模具澆鑄前預(yù)留水道的辦法。

因為長期工作在200℃到880~950℃這一劇烈的冷熱交變條件下，熱沖壓模具材料必須具有良好的結(jié)構(gòu)剛性、導(dǎo)熱性，能夠抵抗高溫下坯料產(chǎn)生的強力熱摩擦及脫落的氧化層顆粒的磨料磨損效應(yīng)。此外，模具材料還應(yīng)對冷卻液具有較好的抗腐蝕能力，以保證冷卻管的暢通。

4）切邊沖孔 

由于熱沖壓后零件的強度達到1500MPa左右，如果采用壓力機切邊、沖孔，設(shè)備噸位要求較大，模具刃口磨損嚴重。因此常常采用激光切割單元進行切邊和割孔。

熱成形技術(shù)的優(yōu)缺點分析

與傳統(tǒng)冷沖壓相比，熱沖壓技術(shù)有如下優(yōu)點：

1）采用熱成形技術(shù)可有效降低車身零件所用材料的厚度，由于零件強度大，車身上的加強板、加強筋大大減少，減少了車身的重量，可有效提高車身的防撞安全性，降低汽車的燃油消耗。

2）鋼板在加熱條件下，變形能力大幅提高，沖壓變形力變小，沖壓設(shè)備的噸位變小。

3）鋼板的回彈系數(shù)大大降低，零件尺寸精度好。

4）沖壓噪音也比冷沖壓小得多。

但相對冷沖壓而言，熱沖壓也有不足之處：

1）由于缺少熱脹冷縮、組織轉(zhuǎn)變及回彈等試驗數(shù)據(jù)的積累，熱沖壓CAE仿真精度較差，產(chǎn)品開發(fā)難度大，零件的固有廢品率遠遠高于冷沖壓。

2）因為需要加熱爐對鋼板進行前處理，增加了加熱設(shè)備和生產(chǎn)能耗，零件成本高。

3）生產(chǎn)過程中由于需要加熱和保壓淬火，從而延長了生產(chǎn)節(jié)拍，生產(chǎn)效率低。

4）由于熱沖壓壓機、模具、激光切割機以及全套設(shè)備的自動控制系統(tǒng)基本由國外公司掌控，技術(shù)封鎖嚴密，現(xiàn)階段技術(shù)門檻和投資門檻比較高。

熱沖壓成形技術(shù)在汽車制造業(yè)的應(yīng)用

熱沖壓技術(shù)主要應(yīng)用于轎車上強度要求高的車身結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)，如車門防撞梁、柱內(nèi)板、地板中央通道、車身縱梁和橫梁、門檻、保險杠等安全防撞件（見圖4），能有效提高整車的安全碰撞試驗等級。

目前，越來越多的熱沖壓零件被用于汽車制造上，據(jù)統(tǒng)計，1977年全球熱成形零件約300萬件，1977年達到800萬件，2007年已達到1億多件，預(yù)計2013年將達到3.5億件以上。

圖4

國外尤其是歐洲經(jīng)過多年研究和應(yīng)用，已積累了相對全面的開發(fā)和應(yīng)用經(jīng)驗，研究的應(yīng)用方向已向更大型化零件發(fā)展。舒勒宣稱，利用他們開發(fā)的PCH熱沖壓技術(shù)和成套設(shè)備，將很快開發(fā)出轎車的整體側(cè)圍加強板等超大型熱成形零件。

國內(nèi)對高強度板熱成型技術(shù)的研究尚處在起步階段。同濟大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、吉林大學(xué)、寶鋼研究院等相關(guān)研究院所對熱沖壓技術(shù)、關(guān)鍵設(shè)備設(shè)立了研究項目。同濟大學(xué)的研究開展得較早，他們選用阿塞洛（Arcelor）生產(chǎn)的USIBOR1500高強度鋼板，采用熱模擬機進行了試驗研究，在高強度汽車板熱沖壓加熱溫度、熱模具結(jié)構(gòu)、保壓時間、冷卻速率、冷卻水臨界經(jīng)濟流速等取得了一些基本數(shù)據(jù)。

結(jié)語

隨著全球能源的進一步匱乏，節(jié)能、環(huán)保、低碳和安全已成為汽車工業(yè)工業(yè)的主要研究方向。作為汽車輕量化的最有效途徑之一，高強度板熱沖壓技術(shù)的發(fā)展歷史雖然不長，但在車身輕量化、提高安全性方面已顯示出巨大潛力。汽車工業(yè)作為我國國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)，加快高強鋼及熱沖壓技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用，早日在材料、熱沖壓設(shè)備方面取得突破，打破國外技術(shù)封鎖，促進我國汽車工業(yè)的發(fā)展。