热冲压成形工艺探讨

文/李俭·东风商用车有限公司车身厂

热冲压成形工艺探讨

文/李俭·东风商用车有限公司车身厂

热冲压成形工艺是汽车行业近年来比较具有影响力的一项专门用于生产汽车超高强度钢板冲压件的先进技术，本文主要介绍该技术的原理、工艺、模具、零件及相关设备、生产线的特点，同时与冷冲压成形工艺做了相关的对比说明，以便读者对热冲压成形工艺形成一个比较完整的了解。

节油减排是当前汽车行业降低汽车使用成本提高产品竞争力、减少排气污染提高企业形象的重要方略，而在节油减排措施中，汽车轻量化的效果最为明显，车重减轻10%，可节约油耗3%～7%，因此，塑料、铝合金、碳纤维、高强度钢板等各种替用材料开始在汽车制造中使用。其中，采用高强度钢板可以减少零件料厚、减小零件截面尺寸使得零件重量减轻或减少零件数量使得车重减轻，在实现汽车轻量化和提高汽车的安全性能方面比其他材料有明显的优势，可以同时满足汽车轻量化和提高安全性能的要求。因此，高强度钢板在汽车领域的应用越来越广泛。

热成形技术是专门应用于成形超高强度钢板冲压件的成形技术，该技术以板料在高温状态下冲压成形并同时在模具内冷却淬火，可以成形强度高达1500MPa的冲压件，目前广泛应用于轿车的车门防撞梁、前后保险杠等保安件以及A柱、B柱、C柱、中通道等车体结构件的生产。

热冲压成形原理及工艺应用

热冲压成形原理

热冲压成形技术原理是把特殊的超高强度硼合金钢板加热到880～930℃，使坯料奥氏体化，随后将坯料送到带冷却系统的模具内冲压成形，在成形同时由模具表面将坯料冷却、淬火，使之发生相变，将奥氏体转化为马氏体，成形件因而得到强化。成形前硼合金坯料强度一般在500～600MPa，成形后的冲压件强度可以达到1500MPa，强度提高250%以上，零件硬度达到50HRC，但是伸长率下降比较大，成形前硼合金钢板伸长率24%以上，成形后伸长率只有8%左右，所以热冲压成形技术也被称为“冲压硬化技术”，其原理图如图1所示。

目前热冲压成形用钢有4种：Mn-B系列、Mn-O-B系列、Mn-Cr-B系列和Mn-W-Ti-B系列。其中，汽车覆盖件热冲压成形钢板一般分为带涂层钢板以及不带涂层钢板。

热冲压成形工艺

⑴热成形直接成形工艺。热成形直接成形工艺是指板料加热到奥氏体化温度保温一段时间后直接放到具有冷却系统的模具里进行成形及淬火，其优点如下。

①坯料在一套模具中进行成形及淬火，节省了预成形模具费用并加快了生产节奏；②坯料加热前为平板料，这样不仅节省了加热区面积，节省能源，而且可以选取多种加热方式，例如可以采取感应加热炉进行加热。

热冲压成形直接成形工艺的缺点是复杂的车门内零部件成形困难，且模具冷却系统的设计更加复杂，需要增加激光切割设备等。

⑵热冲压成形间接成形工艺。热冲压成形间接成形工艺是指板料先经过冷冲压进行预成形，然后加热到奥氏体温度，保温一段时间后放到具有冷却系统的模具里进行最终成形及淬火，其优点如下。

①可以成形具有复杂形状的车内零部件，几乎可以获得目前所有的冲压承载件；②坯料预成形后，后续热成形工艺不需要过多考虑板料高温成形性能，就可以确保板料完全淬火得到所需要的马氏体组织；③坯料预成形后可以进行修边、翻边、冲孔等工艺加工，避免淬火硬化后加工困难问题，例如板料淬火后须用激光切割设备修边，这会大大增加加工成本。

图1 热冲压成形原理图

热冲压成形及冷冲压成形工艺对比

零件质量

热冲压成形零件的特点：⑴由于选择在高温下成形，不带涂层冲压零件表面存在氧化，表面质量不佳；⑵零件在冷却过程中由于温度分布不均匀，易产生热应力和热应变；⑶由于材料的高塑性，在成形过程中零件不易起皱和破裂，基本没有回弹，尺寸稳定性比较好；⑷材料经过加工变形和快冷，晶粒得到了细化，力学性能得到了很大的提高；⑸材料经过变形和硬化后，强度提高，冷冲压切边冲孔已无法达到工艺和零件精度的要求，需要利用激光或等离子切割设备完成。

冷冲压成形零件的特点：⑴由于是在室温下成形和采用冷轧板，零件表面光滑；⑵由于材料的塑性有限，在成形过程中零件易起皱和破裂，易回弹，尺寸稳定性比较差；⑶材料在加工过程中产生了加工硬化。

生产线

热冲压生产线主要包括落料压机、加热炉、液压机或伺服压力机、水循环装置、激光切割设备或等离子切割、去氧化皮设备以及零件传送机器人，热冲压成形用的液压机或伺服压力机吨位一般都较冷冲压成形用的压机吨位小，其生产线如图2所示。

冷冲压生产设备主要有开卷线（图3）、人工操作压机生产线（图4）或者自动化压机生产线（图5），适合各种冲压零件多工序、大批量流水生产。

生产工装

热冲压工艺工装包括落料模、切断模和预成形模（直接热冲压成形工艺不需要预成形模），坯料加热定位夹具、热冲压成形模具（在模具结构中设置冷却循环回路系统，如图6所示），去氧化皮夹具、激光切割、等离子切割夹具等。

图2 热冲压成形自动化生产线

图3 开卷落料生产线

图4 人工操作压机生产线

图5 自动化压机生产线

冷冲压模具工装包括落料模、切断模和冷冲压各工序系列模具，图7是冷冲压成形模具图，冷冲压拉延成形模具不需要冷却循环回路系统。

图6 热冲压成形模具

图7 冷冲压成形模具

图8 热冲压成形模具开发流程图

热冲压成形模具技术要点

冷冲压模具仅用于零件的成形，而热冲压模具不但用于成形，还要用于给零件冷却淬火，因此其模具更加复杂，对模具材料选择、模具设计等方面提出了更加严格的要求。

在模具材料选择方面，热冲压模具材料首先要有良好热传导系数，确保钢板与模具表面之间的快速传热，实现良好的冷却功能。模具材料还要具备良好的热强度、热硬度、高的耐磨性和热疲劳性，保证模具内板冷却管道不被冷却介质锈蚀堵塞，因此国外一些热冲压模具材料中都含有较高的Ni和Cr。在模具材料选择时，一般要根据具体的工作情况，参照热锻造模具钢进行选择。

在模具凸凹模设计方面，不能照搬冷冲压模具的设计方法，因为热冲压工艺回弹很小，几乎无须考虑回弹对零件形状的影响，另外还需考虑热胀冷缩对零件最终尺寸和形状的影响，并以此为基础设计凸凹模具的关键尺寸。

在冷却机构设计方面，冷却系统必须保证模具对零件的快速、均匀冷却，冷却管道的总体布局、形状、直径、冷却管与模具工作表面、非工作表面以及冷却管之间的距离、冷却系统密封等都是冷却机构设计的关键所在，也是热冲压成形模具设计的最重要技术之一。设计冷却管道系统时，可以结合数值模拟技术对各管道内的冷却介质的流动情况进行模拟分析，使各管道都具有相同的冷却效率，保证冷却的均匀性。

热冲压成形模具设计开发是热成形关键技术，它不同于传统的冷冲压成形模具，它是冷却协调优化设计、冷却管道加工、计算机仿真分析技术、传热模拟等技术的集成，最终达到成形、冷却、组织性能优良的完美结合，其开发流程如图8所示。

结束语

实现车身轻量化是一个系统的工程，需要全面考虑材料、设计、制造工艺技术等各方面的问题；新材料的应用离不开新成形制造技术的发展，超高强度钢板的应用，促进了热冲压成形技术的诞生和发展，反过来热冲压成形技术的发展也会促进超高强度钢板材料的应用，实现更高层次的汽车车身轻量化，实现汽车行业节油减排，提高安全性能的根本目标。