热冲压成形零件生产工艺与控制

文/刘鹏，尤宝卿，聂飞，王韦·东风（武汉）实业有限公司

随着汽车工业的快速发展，安全、环保、舒适及节能已经成为当前汽车制造业追求的目标，采用超高强度钢板制造车身零件是实现车身轻量化和提高汽车碰撞安全性的有效途径。但是强度越高，传统冷成形就会越困难。热冲压成形作为一种能显著提高零件强度且通过奥氏体化能有效保证成形性的工艺，已经在汽车安全件、结构件上得到广泛应用。

热冲压成形工艺分布

热冲压成形按照成形技术可分为以下几个工艺：⑴普通等厚板热冲压成形技术；⑵软区技术；⑶辊压不等厚技术；⑷补丁板技术；⑸激光拼焊板技术；⑹定制化强度技术；⑺超高强度2000MPa 热冲压成形技术。

热冲压成形工艺应用产品展示

普通等厚板热冲压成形技术

普通等厚板热冲压成形技术指使用等厚度22MnB5 热冲压成形材料，通过加热、快速转移、快速冷却，使其金相组织从马氏体转变为奥氏体，从而得到我们所需要的抗拉强度为1500MPa 的产品，现有产品分布多为车身A 柱、B 柱、前立柱、门槛板等结构件如图1、图2 所示。

软区技术

图1 某上市车型等料厚B 柱

图2 某上市车型等料厚前立柱

软区技术指使用等厚度22MnB5热冲压成形材料，通过对加热炉或者模具的控制，使得同一块板料热冲压成形后，各区域强度不同，有效提高和优化零件安全特性和轻量化特性。在白车身上多用于纵梁和B 柱类产品，如图3 所示。

图3 某上市车型软区工艺纵梁

辊压不等厚技术

辊压不等厚技术，指使用等厚度22MnB5 热冲压成形材料，通过辊压工艺实现同一块板料不同区域拥有不同的料厚，有效提高和优化零件的安全特性和轻量化特性，同时也可节约模具等工装的成本。在白车身上多用于B 柱类产品，如图4 所示。

图4 某上市车型辊压不等厚工艺纵梁

补丁板技术

补丁板技术，指使用两张或者两张以上不等厚度22MnB5 热冲压成形材料，通过点焊接把两块板料或者两块以上板料先焊接在一起，然后再使用同一套模具同时成形，有效提高局部强度和优化零件生产效率，同时也可节约模具等工装的成本。在白车身上多用于A 柱、B 柱、纵梁类或者其他需要局部加强的产品，如图5 所示。

图5 某上市车型补丁板工艺B 柱

激光拼焊板技术

激光拼焊板技术，指使用两张或者两张以上不等厚度22MnB5 或者6Mn6 热冲压成形材料，通过激光焊接把不同材质和不同厚度的板料焊接在一起，然后使用同一套模具同时成形，使整个零件的不同部位得到不同的强度和性能，提高和优化零件的安全特性和轻量化特性，同时也可节约模具等工装的成本。在白车身上多用于B 柱类产品，如图6 所示。

图6 某上市车型激光拼焊板B 柱

图7 某上市车型补丁板技术和拼焊板技术融合定制化强度

定制化强度技术

定制化强度技术，指目前较为先进的混合制工艺，例如将补丁板技术和拼焊板技术、辊压不等厚技术和补丁板技术等各种先进工艺融合在同一产品中，该工艺有着非常明显的强度和轻量化贡献，可实现车身局部位置定制化强度的生产，同时在工装和工序的成本投入中有着巨大降本贡献，如图7 所示。

超高强度2000MPa 热冲压成形技术

随着各种形式新能源汽车的普及，由于动力系统的巨大变化，整车重量普遍提升数百公斤，这给车辆的被动安全和动力性、经济性提出了很高的挑战。为适应这种变化，白车身的安全件需要兼顾加强和轻量化，这就为更高强度的热冲压成形钢应用创造了机遇，该技术在可以为车身提供更高强度的同时保证最优的轻量化贡献，如图8 所示。

图8 某上市车型2000MPa 车门防撞加强梁产品

热冲压成形工艺原理及过程

工艺原理

⑴在约930℃得到奥氏体组织；

⑵在约780℃之前成形；

⑶快速冷却至约200℃可获得均匀的马氏体。

热冲压成形技术，是将硼钢钢板(初始强度为500 ～700MPa)加热至奥氏体化状态，快速转移到带有水路设计的专用模具中高速冲压成形，在稳定压力下使加热后的原材料在模具本体中以大于27℃/s 的冷却速度进行淬火处理，保压淬火一段时间，以获得具有均匀马氏体组织的超高强钢零件的成形方式，可参考图9 热冲压成形工艺原理曲线图。

图9 热冲压成形工艺原理曲线图

工艺过程

开卷落料→转移→加热和保温→转移→冲压成形、保压淬火和模内持续加热保压→转移→后续处理。

生产过程控制

通过热冲压成形的工艺过程，我们在研究中发现在生产过程中，关键参数的控制尤为重要，其对最终产品的尺寸、性能有着关键性的影响，主要控制参数如下：

加热温度

建议加热温度保持在930℃以上，加热温度的高低，会直接影响热冲压成形产品成形后的合金化层厚度，从而影响最终产品的性能。

加热时间

加热时间和加热温度是两个相辅相成的关键参数，在热冲压成形中对于加热时间的制定原则会根据产品料厚的不同而设置不同，加热时间的长短也会直接影响热冲压成形产品成形后的合金化层厚度，从而影响最终产品的性能。

自动化转移时间

转移时间的快慢会决定加热的料片在空气中暴露的时间长短，根据冷却的要求，理论上该参数转移时间需要尽可能的短，其会对产品的机械性能有着间接影响，如图10 所示。

图10 现有市场采用机械臂式自动化运行机构

压机滑块下行速度

压机滑块下行速度的快慢同样决定加热料片在空气中暴露的时间长短，热冲压成形零件在780℃左右成形，成形性和性能最好，该项边界条件的实现是由自动化转移时间和压机滑块下行速度两项参数所决定的，理论上其速度越快对于成形的优势更明显，其最终会对产品的机械性能以及成形状态和尺寸有着间接影响。

冷却水流量和温度

冷却水的使用会采用冰水机进行持续循环降温，其目的同样是为了保证进入模具冷却水的温度是稳定可靠的，其会对产品机械性能、零件的成形性、模具镶块的密封装置有着直接影响。

压机成形压力和保压时间

参数同样会对产品最终的尺寸状态和零件成形性有着直接影响。

成形前温度和成形后温度监控

参数的监控是为了验证以上关键参数实际生产过程中的有效性，关键参数的监控最终反映到产品上除了产品本身的尺寸外，最为直接的就是成形前的温度和成形后的温度，成形前温度决定我们加热温度、加热时间、自动化转移时间和压机滑块下行速度是否满足工艺要求，成形后温度决定我们冷却水温度、模具水道设计、压机成形压力和保压时间是否满足工艺，最为有效的监控手段为热成像系统持续监控(图11)及记录追溯。

图11 热成像系统持续监控

质量追溯

所有参数控制手段都是为了保证产品生产的一致性和稳定性，但不论多么严密的控制手段和作业程序，难免会有不良品产生。

⑴不接受不良品，通过来料检查，统计并记录物流厂家、品种、接收人、到货信息、物流牌号等基本信息，做有效的产前质量控制。

⑵不制造不良品，通过过程质量监控，除设备固有的参数监控外，也需统计并记录生产班组、生产时间、对应工装、检查员信息、工艺程序等基本生产信息，做有效的产中质量控制。

⑶不流出不良品，通过出库发货检查，统计并记录发货物流车辆、专有器具、收发人、时间、地点等等物流基本信息，做有效的产后质量控制。

针对“三不原则”，在统计和记录上，可以通过专有的设备给每个环节增加赋值，以此确保产品的唯一性，利用每个产品的唯一条码进行大数据的采集，采集物流仓储数据、采集质量档案，过程控制数据，采集生产管理数据，采集工艺管理数据，通过专有设备对生产产品实时在线拍照、编号并存储，以此在出现不良品时可通过这些大数据和记录的手段去调取不良批次编号、调取视频记录文件核对，实现产品有效的不良原因追溯，形成针对性问题的整改和追踪，并为同类型产品的FEMA提供尤为重要的依据和数据库。

结束语

目前我公司热冲压成形业务已稳定发展八年，在华中地区热冲压成形行业属于领先水平，同时作为东风实业集团唯一院士工作站单位，也承接了未来2300MPa 级超高热冲压成形钢材料的研究与应用工作，为热冲压成形行业的发展起到巨大的推动作用，并通过新型热冲压成形材料的研究逐步使热冲压成形材料国产化，并为客户提供强度更高、性能更优的热冲压成形产品。