热冲压成形技术及其在汽车中的应用

王乐平，董 兵，张怀良，蔺文峰，张 春

(1.东风商用车有限公司车身厂，湖北 十堰 442040；2.湖北汽车工业学院 材料科学与工程学院，湖北 十堰 442002)

热冲压成形是将板材加热到再结晶温度以上的某一适当温度后，根据材料在高温下变形抗力降低、塑性增加的特点进行冲压的成形方式.[1]采用热冲压成形技术可显著提高金属板材成形后的强度，改善金属表面硬度、抗凹性和刚度.与传统的冷冲压技术相比，它具有提高材料在成形阶段的成形性、降低冲压设备的吨位要求、可以消除零件回弹成形尺寸精度较好、能够简化成形模具设计工作、在同等强度要求下板材更薄易于实现轻量化等诸多有点.近年来随着人们对汽车整体轻量化、外观个性化需求的不管提高，热冲压技术在汽车中的应用也具有更为广阔的应用前景.

1 热冲压成形技术及其特点

1.1 热冲压成形技术原理与设备

热冲压成形技术是利用金属在高温下具有良好塑性的特点，使常温下成形性较差的金属能够实现复杂形状零件的冲压成形加工.同时在冲压模具中配有冷却装置，通过冷却装置使模具中的零件淬火冷却，最终得到高强度的冲压件.

热冲压成形的主要工艺设备包括：加热装置、运输设备、冲压成形设备、热处理设备等.其中加热设备是热冲压的重要工作设备，保证了金属板材能够快速加热到再结晶温度以上适当的温度.运输设备是热冲压的关键设备，保证了零件能够快速转移到冲压成形设备上，减少转运过程中的热量损失以及高温物体运输的安全性.冲压成形设备是热冲压的核心设备，其中压力机提供使材料塑性变形的能量、成形后的合模压力以及保压时间.模具起到重要的淬火作用，是材料降温能否达到临界冷却速率形成过饱和固溶体得到需要组织的关键部件.热处理设备是热冲压必要设备，热处理将过饱和固溶体通过时效处理提高零件的整体性能，使之达到产品所需要求.

1.2 热冲压成形工艺与材料

1.2.1热冲压成形工艺

根据实际零件的复杂程度，目前热冲压成形工艺流程主要分为两种：直接热冲压成形与间接热冲压成形.[2]如图1所示：

(a)直接热冲压成形

(b)间接热冲压成形图1 热冲压成形工艺流程

如图1 (a)所示的直接热冲压成形，适用于结构简单的零部件，直接对切割好的坯料进行加热冲压，较间接热冲压成形少了一步工序因此减少了一套模具，节约了设备费用以及人工费用，同时提高了生产效率.

如图1(b)所示的间接热冲压成形，当零件结构复杂，一次成形难以实现时，一般需要进行预成形，然后再按直接热冲压成形的方式冲压成所需形状.间接热冲压成形工序较为复杂，因此用于复杂结构零件.

1.2.2热冲压成形材料

热冲压成形后零件的性能由板材组织结构决定，而板材的组织结构由热冲压工艺与板材本身决定，因此板材是影响成形零件使用性能的关键因素.热冲压成形板材目前有：热冲压高强钢板，热冲压铝板.

热冲压高强钢板的优点是在满足车身碰撞安全性的前提下减薄钢板的厚度，进而减轻车身整体质量.目前主要在汽车A柱；B柱；地板；门槛等关键性结构件应用.

国际上目前热冲压用高强钢板从材料上分主要可以分为Mn-B、Mn-Mo-B、Mn-Cr-B、Mn-Cr和Mn-W-Ti-B系列.其中Mn-B系列的技术最成熟，我国目前处于初级应用阶段也以该系列为主，因此应用最为广泛，用量最大.[3]经过热冲压成形后的高强钢板硬度可达450-500 HV；抗拉强度能从原500-700 MPa达到1300-1700 MPa；屈服强度能从原350-550 MPa达到高于950 MPa.[4]

作为轻金属的铝，密度只有钢的1/3且吸收冲击能力是钢材的两倍，易形成致密的氧化膜，具有优良的抗腐蚀能力.[5]是汽车轻量化的理想材料之一，铝合金也逐渐从实验室走向工业应用中，并在汽车中占比逐渐增高.马自达、奥迪等国外的厂家已研发出全铝车身，同时在汽车工业中加工铝合金所需要的设备投资较小，因此铝合金展现出了取代钢板的趋势.

但铝板颈缩量小，一般小于5%，因此一旦到达抗拉强度就容易开裂，在常温下成形性较差，在成形过程中容易发生开裂、回弹、起皱、叠料等缺陷.通过加热能较好的改善成形性能减少成形过程中缺陷的产生.[6]目前热冲压用铝合金板主要是Al-Cu(2系)、Al-Mg-Si(6系)、Al-Zn-Mg(7系)，经过热冲压及热处理后屈服强度可以达500MPa，可以一定程度上取代汽车的骨架件以及表面覆盖件.[7]

此外随着轻量化的要求不断提升，等厚热成形技术已不能满足设计需求，因此变截面钢板(TRB)、激光拼焊板(TWB)、补丁板(Patch)等高端热成形工艺应用的越来越多.

1.3 热冲压成形技术特点

热冲压成形技术与传统冷冲压成形相比有如下特点：1)能够显著减少设备吨位要求，降低设备购置及维修成本.2)金属板材经过加热后成形性更好易于加工更复杂的零件.3)对模具设计要求相对较低，降低加工成本减少模具设计工作.4)经过热冲压成形后的零件能显著增强材料性能，易于实现轻量化.因此热冲压成形技术具有广阔的应用前景.

2 热冲压成形技术在汽车中的应用

随着汽车工业的发展以及人们对汽车要求的逐步提升，个性化定制、轻量化以及安全环保等要求日益显著.热冲压成形技术能够有效提高冲压过程中板材的流动性，增加成形过程中的材料的塑性并且能够有效提高零件的强度保障安全性，实现整车轻量化.因此热冲压成形技术在汽车制造中得到了广泛的运用.对于白车身而言，汽车骨架主要可以分为：汽车结构件、汽车加强件、汽车表面覆盖件.

2.1 热冲压成形技术在汽车结构件中的应用

汽车结构件主要指的是汽车的框架，如图2所示.是汽车中承载或受力的部分与汽车安全性强相关.结构件通常具有大尺寸、板料厚度薄、零件结构复杂、力学性能要求高等特征，一般韧性相关的结构件一般要求抗拉强度≥180 MPa，伸长率≥10%；强度相关的结构件，一般要求抗拉强度≥210 MPa，伸长率≥7%.[8]

图2 汽车结构件示意图

奇瑞新能源汽车为满足全铝车身碰撞安全的可行性.[9]对B柱外板与加强板采用热成型钢，运用热冲压成形技术，成功的提高B柱整体刚度，减小B柱及前后车门碰撞后入侵量.苏州普热斯勒先进成型技术有限公司将A柱、B柱、门槛梁和车顶边梁设计成一个封闭的整体式零件，通过热冲压技术将门环整体减轻17%.[10]薛飞等人利用通过改变22MnB5的加热方式，改变板材受热区域实现变强度热冲压成形，使B柱硬化区抗拉强度超过1500MPa能够较好抵御冲击，软化区延伸率大于23%使之能够较好的吸收受冲击时的能量.[11]宝山钢铁股份有限公司证实了补丁板运用热冲压成形技术可以实现零件性能要求.[12]东风技术中心自主研发了无水道热冲压模具，验证了连续冲压11次冷却速率能够达到工艺需求热影响区主要集中在B柱大端头及连接处，为后续模具冷却系统设计提供支持.[13]

王敏等人对纵梁进行热冲压实验研究，结果表明涂层虽然可以改善氧化脱碳现象但是更容易在热冲压成形过程中产生破裂.运用水基石墨润滑不能消除破裂产生而玻璃润滑可以有效避免破裂.[14]李兵等人针对上述现象进一步研究发现热冲压件的成形性受润滑条件影响较大，玻璃润滑剂有利于改善模具摩擦系数, 同时增强热冲压过程中的抗氧化性.润滑条件对热冲压成形后零件力学性能影响不大.[15-16]

2.2 热冲压成形技术在汽车加强件中的应用

汽车的加强件是汽车的强化保护结构，车辆在收到冲击时一般由加强件首先对冲击瞬间产生的能量进行缓冲吸能.因此加强件的性能直接决定了车辆的安全性.如图3所示：

图3 汽车加强件示意图

林浩波等人对汽车的防撞梁进行了热冲压工艺优化，以最小厚度、开裂距离、胚料到模具的最大距离为质量目标，对热冲压成形的压边力以及冲压速度进行优化.运用拉丁超立方法、响应面法、遗传算法NSGA-II、Pareto最优解的方法得到了最优工艺组合.通过试验，产品没有起皱、拉裂、厚度变化小，优化后的产品更加优良.[17]

吕萌萌等人研究了热冲压成形不同阶段超高强度防撞梁的温度、厚度、微观组织和性能的变化规律以及冲压速度和压边力等工艺参数对超高强钢热成形的影响规律.[18]实验结果表明厚度变化发生在告诉冲压阶段，组织性能的变化发生在淬火阶段，冲压速度过大过小钧易使板料减薄严重，使用压边圈会大幅降低材料流动性易导致拉裂.对该热冲压成形件，不设置压边圈、最佳工艺参数是:初始成形温度为800℃、冲压速度为100 mm/s.王敏等人对U形梁为研究对象，研究了淬火时间对热冲压的作用，表明淬火时间延长马氏体转化增加分布越均匀，但超过22 s后马氏体转化就不再发生.[19]

2.3 热冲压成形技术在汽车覆盖件中的应用

汽车覆盖件是指：汽车表面的蒙皮，比如车门、翼子板、机盖、前后杠等，覆盖件具有材料薄、形状复杂、结构尺寸大和表面质量要求高等特点.如图4所示：

图4 汽车覆盖件示意图

苏曦利用有限元软件对汽车前内盖板高强度钢进行热冲压分析，分析了热冲压成形过程中温度场的变化及造成变化的原因并控制成形工艺获得无起皱、破裂的高强度覆盖件产品.[20]北京机电研究所为解决铝冲压难成形的难题，针对铝合金引擎罩利用热冲压的快速性和超塑性的良好成形性，将热冲压成形与超塑气胀成形结合起来.调整工艺参数，成形温度425℃、热冲压速度为20mm/s、热冲压后预留10mm余量进行气胀成形，成形出合格的引擎罩，为铝制覆盖件热冲压成形方式提供了可行方法.[21]

3 现阶段的问题及展望

热冲压成形技术在欧洲等发达国家起步较早，技术相对成熟应用较为广泛，被认为是实现轻量化，增加碰撞安全性和降低制造成本的有效方式.部分发达国家已经开始向了先进热成形发展.国内起步较晚，主要存在以下几个问题：

(1)材料价格高.目前材料是仍是以22MB5等厚高强钢热冲压为主，无镀层保护使得零件的防腐以及表明质量不好控制.国外AL-S镀层板受专利保护，供应商只有一家，导致价格高.

(2)分析能力有所欠缺.目前技术上主要依靠热成形供应商，主机厂设计能力以及CAE分析能力差，无法准确分析差厚板变强度钢板的组织性能.

(3)设计能力低.设计分析受制于热成形供应商，缺乏设计分析能力以及仿真模拟能力.

(4)标准尚未建立.由于热冲压成形属于先进热成形技术，行业内尚未形成包括组织、性能、成分等在内的统一验收标准.

随着行业的不断发展，以及车辆质量的提升，未来热冲压用材料会朝着更加个性化的方向发展，补丁板、拼焊板、变截面钢板等材料会成为未来的热冲压用材料的发展方向.随之带来了生产设备以及控制系统及方式的柔性化的需求.

目前对先进热成形的CAE分析的准确性不足，而CAE分析涉及二次开发以及对数学算法的深度理解，因此紧缺这方面的人员

热冲压很重要的一个方面是模具对成形件的换热能力，所以对于模具设计以及仿真模拟的需求也会逐步增大.

结 语

汽车正向着安全性、轻量化、个性化的方向发展对零部件材料及其加工技术的要求越来越高.热冲压成形技术为作为一种新的成形技术为汽车板材的成形制造提供了新的技术支持.随着该技术的不断研究和完善，热冲压成形技术将在汽车的结构件、加强件、覆盖件中获得更广泛的应用.