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          高強板車身件熱沖壓技術

          作者:大鑫機械 發布時間:2021-12-09 11:04:12點擊:

          高強板車身件熱沖壓成形技術最近進展總結


          自20世紀70年代末發生石油危機以來,汽車工業在不斷完善發動機性能、優化車身動力學設計、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用。


          高強板車身件熱沖壓技術(圖3)


          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。特別當高強度板抗拉強度超過550MPa時,傳統的冷沖壓方法幾乎無法進行,因此汽車工業投入巨大的精力來開展高強度板的開發和熱沖壓成形技術的研究。1984年,瑞典SAAB成為全球首家使用熱沖壓零件的汽車企業,1991年使用熱沖壓技術生產的保險杠問世。目前熱沖壓成形技術已在汽車制造中得到較大范圍的應用,全球擁有100多條熱沖壓生產線。


          目前,我國對熱沖壓成形技術的研究剛剛開始,相關的文獻也較為粗略,影響了該新型技術知識在我國的推廣和應用。本文從工藝、裝備、應用三個方面,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、熱沖壓設備的要求進行了分析,對熱沖壓成形技術在轎車零件生產的應用和進展進行了介紹,對熱沖壓成形技術知識的推廣與應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。首先將初始強度為500~600MPa的高強度板加熱到880~950℃,然后送入內部帶有冷卻系統的模具內沖壓成形,并處于保壓狀態,以20~300℃/s的冷卻速度快速淬火冷卻,由于奧氏體轉變成了馬氏體,零件強度大幅提高,可以生產出強度高達1500MPa沖壓件。


          2)熱沖壓工藝的分類 

          熱沖壓技術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)、表面清理等后續工藝。


          在間接熱沖壓工藝中,先進行冷沖預成形后,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成形件(見圖1)。


          高強板車身件熱沖壓技術(圖4)

          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決定性的作用。


          高強板車身件熱沖壓技術(圖5)

          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晶過程。此外,高強板會被加熱至再結晶溫度以上,鋼板表面與空氣接觸后會產生氧化和脫碳。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,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生。


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


          熱沖壓主要裝備


          熱沖壓主要設備包括加熱爐、熱成形壓機、熱沖壓模具等,如圖3所示。


          高強板車身件熱沖壓技術(圖6)

          圖3 熱沖壓工藝設備


          1)加熱爐 


          加熱爐具有加熱和溫控能力,能在指定時間內能將高強板加熱至再結晶溫度,達到奧氏體化狀態,且能適應大批量自動化連續生產的要求。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,其技術復雜程度要遠遠超過常見的冷沖壓機。目前僅有少數國外企業掌握該類壓機的設計、制造技術,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成形、淬火兩個階段的工作:在成形階段,當坯料被送入模腔后,模具迅速完成壓制工作,保證在材料發生馬氏體相變之前完成零件成形;此后進入淬火冷卻階段,保壓在模腔內的工件的熱量不斷傳遞給模具,布置在模具內的冷卻管通過流動的冷卻液體瞬間將熱量帶走,當工件溫度降至425℃時,開始發生奧氏體-馬氏體轉變;溫度至280℃時,奧氏體、馬氏體之間的轉變結束,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,導致零件發生較大的形狀、尺寸改變,產生報廢;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節拍,還影響著奧氏體、馬氏體之間的轉變效率。冷卻速度決定了將形成何種結晶組織,關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。當冷卻速率小于臨界冷卻速率時,工件結晶組織中將會出現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致成形件的開裂,需要根據零件的材料成分、工藝條件確定合理的冷卻速率范圍。


          由于冷卻管的設計直接關系到冷卻速度的大小,一般從最大熱傳遞效率的角度來設計冷卻管路,因此設計出來的冷卻管道的走向比較復雜,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構剛性、導熱性,能夠抵抗高溫下坯料產生的強力熱摩擦及脫落的氧化層顆粒的磨料磨損效應。此外,模具材料還應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。


          熱成形技術的優缺點分析


          與傳統冷沖壓相比,熱沖壓技術有如下優點:


          1)采用熱成形技術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,沖壓設備的噸位變小。


          3)鋼板的回彈系數大大降低,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、組織轉變及回彈等試驗數據的積累,熱沖壓CAE仿真精度較差,產品開發難度大,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,增加了加熱設備和生產能耗,零件成本高。


          3)生產過程中由于需要加熱和保壓淬火,從而延長了生產節拍,生產效率低。


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


          熱沖壓成形技術在汽車制造業的應用


          熱沖壓技術主要應用于轎車上強度要求高的車身結構件的生產,如車門防撞梁、柱內板、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,據統計,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,預計2013年將達到3.5億件以上。


          高強板車身件熱沖壓技術(圖7)

          圖4


          國外尤其是歐洲經過多年研究和應用,已積累了相對全面的開發和應用經驗,研究的應用方向已向更大型化零件發展。舒勒宣稱,利用他們開發的PCH熱沖壓技術和成套設備,將很快開發出轎車的整體側圍加強板等超大型熱成形零件。


          國內對高強度板熱成型技術的研究尚處在起步階段。同濟大學、哈爾濱工業大學、吉林大學、寶鋼研究院等相關研究院所對熱沖壓技術、關鍵設備設立了研究項目。同濟大學的研究開展得較早,他們選用阿塞洛(Arcelor)生產的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、熱模具結構、保壓時間、冷卻速率、冷卻水臨界經濟流速等取得了一些基本數據。


          結語


          隨著全球能源的進一步匱乏,節能、環保、低碳和安全已成為汽車工業工業的主要研究方向。作為汽車輕量化的最有效途徑之一,高強度板熱沖壓技術的發展歷史雖然不長,但在車身輕量化、提高安全性方面已顯示出巨大潛力。汽車工業作為我國國民經濟的支柱產業,加快高強鋼及熱沖壓技術的研發與應用,早日在材料、熱沖壓設備方面取得突破,打破國外技術封鎖,促進我國汽車工業的發展。

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