高强度钢热成型.docx

汽车技术汽车用高强度钢热成型技术高强度钢的热成型技术可解决传统成型高强度钢板在汽车车身制造中遇到的各种问题。介绍了汽车用高强度钢热成型的加工工艺、加工关键技术、热成型零件的检测方法以及国内外的研究现状。以用于热冲压成型的高强度钢 硼钢为例，对我国热成型技术的应用情况及未来热成型技术需要解决的问题进行了阐述。主题词：高强度钢板热成型硼钢1 汽车用热成型高强度钢长期以来，钢铁一直是汽车工业的基础，虽然汽车制造中铝合金、镁合金、塑料及复合材料的用量不断增加，但高强度钢以其具有的高减重潜力、高碰撞吸收能、高疲劳强度、高成型性及低平面各向异性等优势1,2，已经成为汽车工业轻量化的主要材料。21世纪的汽车行业以降低燃料消耗、减少CO2和废气排放成为社会的主要需求，为适应这种发展趋势，钢铁业已开发出许多种类的高强度钢板来帮助减轻汽车质量，同时提高汽车的安全性。为兼顾轻量化与碰撞安全性及高强度下冲压件回弹与模具磨损等问题， 热成型高强度钢及其成型工艺和应用技术应运而生。目前凡是达到U-NCAP碰撞4 星或5 星级水平的乘用车型， 其安全件（A/B/C 柱、保险杠、防撞梁等）多数采用了抗拉强度为1 500 MPa、屈服强度为1 200 MPa 的热成型高强度钢。同时， 为解决高强度钢冷成型中的裂纹和形状冻结性不良等问题，出现了热冲压成型材料，已用其进行了强度高达1 470 MPa 级汽车部件的制造。本文首先介绍高强度钢热成型加工工艺及其关键技术，然后分析了国内外热成型研究成果与现状，最后对热成型技术的应用发展进行了展望。2 高强度钢热成型加工工艺2.1 热成型加工工艺2.1.1 理论基础与传统的冷成型工艺相比， 热成型工艺的特点是在板料上存在一个不断变化的温度场。在温度场的影响下，板料的基体组织和力学性能发生变化，导致板料的应力场也发生变化， 同时板料的应力场变化又反作用于温度场， 所以热成型工艺就是板料内部温度场与应力场共存且相互耦合的变化过程（见图1）。这就要求热成型用钢板的成分要适应热成型过程中的热循环。图1 应力场、温度场和金属微观组织的相互作用2.1.2 加工工艺热成型工艺过程为：首先将常温下强度为500600 MPa 的硼合金钢板加热到880950 ， 使之均匀奥氏体化， 然后送入内部带有冷却系统的模具内冲压成型，最后快速冷却，将奥氏体转变为马氏体，使冲压件得到硬化， 大幅度提高强度。这个过程被称为“冲压硬化”技术3。实际生产中，热冲压工艺又分为直接工艺和间接工艺， 如图2 所示。直接工艺即下料后直接将钢板加热然后冲压成型， 主要用于形状简单且变形程度较小的工件； 对于形状复杂或拉深深度较大的工件则需要采用间接工艺（图2b），即先将下好料的钢板进行预成型， 然后再加热实施热冲压。（a） 直接工艺（b） 间接工艺图2 热成型工艺过程示意2.2 热成型加工关键技术高强度钢板的热成型技术的关键是用钢选择、钢的表面镀层、模具设计及热成型零件的检测。2.2.1 热成型用钢选择目前，热成型用钢均选用硼钢，因微量的硼可有效提高钢的淬透性， 使零件在模具中以适当的冷却速度获得所需的马氏体组织， 从而保证零件的高强度水平4，5。而且硼合金钢板的强度可达到1 500MPa，是普通钢板强度的34 倍，将其应用于汽车车身上不仅可直接减少料厚，减轻车身质量，还可提高车身的被动安全性。钢板的热成型性主要包括深冲成型性、胀形成型性、延伸凸缘成型性及弯曲成型性等。通常深冲成型性取决于钢板的r 值；胀形成型性取决于钢板的延性（均匀延伸性或加工硬化指数）；延伸凸缘成型性及弯曲成型性则取决于钢板的局部变形能和显微组织均匀性。硼在延伸凸缘成型性和弯曲成型性的显微组织均匀化方面起到了重要作用，其中22MnB5 钢的成型原理与此相符，是典型的热冲压高强度钢（成分见表1），它利用微量的硼元素， 通过热成型后快速冷却的方法获得高的成型性和极高的强度（见图3）。目前，热成型MnB 钢板在欧美和日本等主要汽车制造企业已经开始使用。表1 22MnB5 钢的化学成分%图3 热成型过程中22MnB5 钢的性能变化示意2.2.2 热成型用钢的表面镀层在热成型过程中， 钢板在高温下暴露于空气中会引起表面氧化而形成氧化铁皮， 为不影响后续的涂装工序， 热成型后的零件需要经过喷丸或酸洗去掉钢板表面的氧化铁皮，这无形中增加了生产成本。而且钢板在氧化的同时也会引起钢板表面的脱碳，进而影响钢板的强度。此外， 随着汽车零件耐腐蚀性能要求越来越高， 表面进行镀层处理的钢板越来越受到人们的重视， 一系列热成型用镀层钢板被相继开发出来。同常规的冷成型用镀层钢板不同，热冲压用钢板的镀层需要具备抗高温和耐腐蚀的特点。目前开发的用于热成型的镀层板包括镀Al 板、镀Al-Si 合金板和镀Zn 板等。韩国POSCO 钢铁公司正在开发纳米镀层板，以提高镀层的结合力，防止镀层在加热和成型淬火过程中剥落。C Si Mn Cr B0.22 0.2 1.2 0.25 0.003板材落料机械手加热炉模具冷却系统转移冲压后处理与空气接触氧化与空气接触氧化转移冲压后处理加热炉机械手板材落料/预成型/切边模具冷却系统0 200 400 600 800 1 000 1 200 1 400806040200热成型原始状态成品状态第2 步第1 步伸长率/%抗拉强度/MPa应力场温度场12微观组织演变64 53材料工艺设备57 汽车技术2.2.3 热成型模具设计在热成型过程中， 钢板及模具都要经过从室温到900 以上的温度变化， 并且模具集板料成型与冷却淬火过程于一身， 所以模具设计是热成型技术的另一个难点6，7。其主要技术包括模具表面设计、模具冷却系统设计和模具结构设计等， 可利用ABAQUS、LS-DYNA 等软件进行成型模拟和冷却过程模拟。利用材料的高温性能，如流变曲线、摩擦因数、FLD 等参量进行成型模拟， 同时进行热传递模拟，这一过程实际是热力学、机械学耦合模拟过程。模拟结果将作为模具设计的重要依据， 并据此进行试生产或批量生产。2.2.3.1 模具材料的选择热成型的模具材料不仅要求其具有良好的热强度、热硬度、高的耐磨性和疲劳性能，而且要能保证成型件的尺寸精度8，同时要能够抵抗高温板料对模具产生的强大热摩擦、脱落的氧化层碎片及颗粒在高温下对模具表面的磨损效应， 并且能够稳定地在剧烈的冷热交替环境下工作。根据模具需要的加热温度，参考热锻用热作模具钢，选用合理的模具材料。如蒂森的热冲压模具就采用了一种具有很高热传导系数的Al2O3/Cu 复合材料。2.2.3.2 模具凸、凹模设计由于热胀冷缩的影响， 零件最终尺寸与冲压成型时的尺寸存在一定误差， 因此为保证零件的尺寸精度，在确定凸、凹模尺寸时必须考虑热胀冷缩效应。2.2.3.3 冷却机构的设计对于热成型零件冷却机构的选择不仅要保证零件的冷却速度足够快， 而且还要避免零件和模具因冷却速度过快而引起的开裂。通常采用在模具内通冷却水的方式对成型后的零件进行冷却。2.2.4 热成型工艺的缺点a. 零件成型后冷却速度和保压时间较难控制。b. 热成型件冷却至室温的过程中， 不同部位冷却速度不同会导致零件发生严重变形， 从而影响成型零件的尺寸精度。c. 由于热成型零件后续加工难度大， 因而只能应用于一道工序即可成型的简单零件（如梁、柱等）。同时，热成型工序并入现有冷成型车间的难度较大。d. 由于受到模具材料的强度、模具热处理工艺、高应力集中、模具表面温度频繁升高和降低等诸多因素的影响，热成型模具容易失效，导致模具使用寿命降低。这些因素的存在， 直接导致了现阶段热成型加工的成本增加、难度增大，使得热成型工艺的应用具有一定的局限性。但是， 随着热成型技术的进一步发展，这种局面会进一步改善。2.2.5 热成型零件的检测热成型零件的加工通常需要经过激光切割、冲裁孔、点焊、冷成型、装配及油漆等工序，因此需要对热成型零件进行力学性能检测、形状检测、厚度分布检测等，还要根据不同零件的不同要求，采用不同的方法进行实物性能检测。一个合格的热成型零件应满足高强度、轻量化和安全性的要求，同时还应具备强度与韧性的结合性、尺寸稳定性、可加工性及可焊接性等。3 国内外研究现状3.1 国外研究现状国外许多学者对高强度热成型用钢 硼钢做了大量的研究9，10。美国的B.Shapiro11针对2008 年国际板料成型数值模拟会议（NUMSHEET） 的Benchmark BM03 标准考题， 使用LS -DYNA 对22MnB5 钢进行车身B 柱的热成型数值仿真分析，提供了热成型数值仿真中的关键技术参数， 包括材料模型的选用、热力机械性能参数、一定应变速率下的应力应变曲线等。并且分别选用MAT-106 与MAT-244 材料模型进行研究，最后还提供了详细的仿真过程及计算结果与分析。德国的David Lorenz12及瑞典的G.Bergman 与M.oldenburg13采用LS-DYNA 显式积分计算对高强度钢板进行热冲压成型及淬火冷却仿真分析。提出使用TSHELL（Thermal Shell Element）单元建立有限元模型， 通过不同时间步长的热力机械耦合分析实现了单元在平面及厚度方向上的热接触传导， 并通过试验验证了TSHELL 单元建模的有效性。瑞典的Paul Akerstrom14以试验为基础对硼钢热成型过程的数值模拟方法进行了研究。提出了一种建立高强度钢热成型仿真模型的方法， 准确地预测了板料的变形和力学响应性能。其研究成果表明，准确、可靠的材料模型是提高高强度钢热成型数值模拟精度的关键。3.2 国内研究现状目前， 我国热成型工艺研究与应用仍处于起步阶段。同济大学林建平教授1517以阿赛洛公司的一种典型淬火硬化超高强度硼钢板USibor1500 为研材料工艺设备58 2010 年第8 期参数额定值合模最大力/kN 8 000工作平台（宽度深度）/mmmm 2 2002 000滑块最大行程/mm 900滑块闭合最快速度/mms-1 600滑块回程最快速度/mms-1 420电炉内部加热尺寸/mmmmmm 4 5001 600200加热炉最高温度/ 1 000装机功率/kW 200究对象，提出了针对该材料的热冲压成型工艺流程，并对主要工艺参数的选择与优化作了理论阐述；通过有限元数值模拟仿真软件LS-DYNA 对高强度钢板的热成型工艺进行分析， 阐述了板料在成型过程中温度场及应力场的分布与变化特点， 并且研制了采用嵌入式凹模设计、封闭式冷却水槽的高强度钢板热成型专用模具， 最后成功地加工出了一批淬火硬化超高强度硼钢板U 型制件。经过对制件尺寸精度的检测及基体组织的金相观测， 证实了高强度钢板热成型工艺的本质与特点及其可行性与可靠性。北京航天航空大学的李杨18以某型号钛合金唇口零件为例， 利用DYNA-FORM 软件进行成型仿真。其研究方法是：忽略复杂零件模具的热胀影响；在恒温条件下进行成型， 不考虑热交换。通过对仿真结果的分析， 得到的热冲压唇口零件达到了工艺要求。武汉理工大学的徐劲力等19利用LS-DYNA 软件对钢板弹簧热成型工艺进行模拟分析， 分析结果表明， 模拟计算结果与钢板弹簧热压成型时的实际状况基本吻合。4 热成型技术的应用发展我国首家热冲压零部件有限公司于2005 年在宝钢成立， 用于热冲压成型的高强度钢 硼钢由上海宝钢供货。宝钢生产的硼钢牌号分别为BR1500HS （1.85 mm 以上热轧） 和B1500HS（1.85mm 以下冷轧）， 对应于欧洲热冲压高强度钢22MnB5， 其屈服强度为1 000 MPa、抗拉强度为1400 MPa，延伸率为5%。从2005 年开始，试制生产线已完成车身165 个零件的试制，其中12 个样件一次试制成功， 图4 为某国产车B 柱热冲压成型件，表2 为宝钢热冲压机组相关参数。图4 某国产车B 柱热冲压成型件近年来，热冲压件在车身上的应用越来越广泛。大众公司在最新的第6 代PASSAT 车型中有9 个部件使用MnB 钢板，在新型Golf V6 车型中有5 个部件使用MnB 钢板，使用高强度热成型钢板的部件包括A/B/C 柱、加强板、中央通道、保险杠支架等20。然而，在车身零部件强度提高的同时，热冲压件的冲击韧性受到越来越多的关注。这是因为其微观组织由非常硬的马氏体构成， 所以导致韧性降低。而在车身碰撞试验中， 这些零件通常放在承受很高冲击载荷的位置， 但是目前还没有可靠的材料可用来进行韧性与脆性之间的转换， 所以这是热成型钢在今后发展中亟待解决的问题。国外有关机构已经开始对这一问题进行相关研究， 如蒂森最近在对淬火回火的厚坯的研究中提到， 微量铌元素的应用可提高热成型钢的韧性。表2 宝钢热冲压机组相关参数5 结束语综上可知， 高强度钢的应用已成为满足汽车减重和增加碰撞性能及安全性能的重要途径， 但常规高强度钢在室温下不仅变形能力差， 而且塑性变形范围窄，所需冲压力大，容易开裂，同时成型后零件的回弹增加， 导致零件尺寸和形状稳定性变差。因此， 传统的成型方法难以解决高强度钢板在汽车车身制造中遇到的问题， 而热冲压成型技术解决了上述问题。近年来， 世界各国汽车业投入大量的精力来开展以硼钢为主的先进高强度钢板开发及热成型技术的研究， 并取得了长足的发展。这项技术在我国还属于起步阶段， 因此有关高强度硼钢热成型技术的研究对我国汽车工业的发展具有重要意义。参考文献1 Heller T, End B, Ehrhardt B,et al. New High Strength SteelsProduction, Properties & Applications. 40th MWSP ConfProc, ISS, 1998. 25234.2 Shi M F, Thomas G H, Chen X M. Formability PerformanceComparison Between Dual Phase and HSLA Steels. 43thMWSP Conf Proc. ISS, 2001, 1652174.3 谷诤巍,单忠德,徐虹.汽车高强度钢板冲压件热成型技术研究.模具工业,2009,35（4）:2729.4 Kolleck R,Veit R,Merklein M, et al. Investigation on Induction材料工艺设备59 汽车技术（上接第39 页）6 悬架系统准主频计算公式从以上误差分析看， 第一近似主频对第一主频的相对误差和非簧载偏频对第二主频的相对误差均很小，因而，认为式（6）和式（2）可以作为悬架系统准主频的计算公式， 用来分别计算悬架频率和悬架次频率。要说明的是，用式（2）计算的频率略小于第二主频，用式（6）计算的频率略大于第一主频。7 举例某车前悬架为非独立悬架，满载轴荷1 800 kg，非簧载质量130 kg，板簧刚度56 N/mm，此状态下的轮胎径向刚度为360 N/mm，橡胶衬套径向刚度为6kN/mm。则计算结果如表1 所列。表1 某车前悬架计算结果从表1 中看，簧载偏频相对误差达7.5%，误差比较明显， 而用准主频公式计算出的结果相对误差仅有0.07%，几乎等于主频。8 结束语a. 由于质量比 的改变几乎不改变簧载偏频对主频的相对误差，故不论是乘用车还是商用车，用簧载偏频公式计算悬架频率存在较大失真， 尤其在低刚度比时失真更严重。b. 用不计非簧载质量的车身车轮双自由度模型计算出的悬架频率与第一主频的相对误差很小，可以作为第一准主频以计算悬架频率。c. 用非簧载偏频公式计算的频率与第二主频的相对误差很小，可以作为第二准主频。五轴技术闻名于航空、航天工业，如叶轮、叶片、结构件铣削等方面的应用，五轴联动经过多年的应用已成为一种成熟、前沿的技术。这项技术近年来在特殊项目及产品上也得到了广泛的应用，如五轴激光加工技术。近几年激光技术得到了快速发展，已成为主流的切割技术。因其具有较好的切割质量与精度，以及无与伦比的加工速度，板材行业普遍认为激光切割在将来极有可能取代冲压成为主流的钣金加工技术。现在，我们就针对五轴激光切割技术在汽车模具制作中的应用做一些简要地介绍。 1.激光切割的原理 激光切割的原理是：在激光束能量作用下（在氧助切割机制下，还要加上喷氧气与到达燃点的金属发生放热反应放出的热量），材料表面被迅速（感应范围内）加热到几千乃至上万度而熔化或汽化，随着汽化物逸出和熔融物体被辅助高压气体（氧气或氮气等）吹走，切缝产生。 在切割实际操作中有氧割和氮割之分，在保持同样切割精度前提下，氧割热量大、速度快，但是切边有褐色、薄氧化层；氮气需要用高压氮气，速度慢、成本高，但切边无氧化、呈银灰色，可以直接进行焊接，常用来切割要求较高的不锈钢一类材料。 2.五轴激光加工技术在现代模具制造中的优势 激光加工已成为现代汽车制造不可或缺的技术，代替传统的手工切割+冲裁模制造方式已成为国际上大力发展的一项先进技术。众所周知，在模具的制作过程中，修边、冲孔工序一直是模具制造过程中的难点，特别是一些结构复杂的斜切、斜冲、斜翻等大型汽车模具。修边线的确定如果采用传统的制作方式十分困难，且需反反复复摸索几次甚至十多次，给钳工、加工设备带来了极大的工作量，不但对钳工的技能水平提出了较高的要求，而且会严重地影响后工序模具的调试。且现实中有很多修边、冲孔模的切刃材质从成本上考虑采用了合金钢，如Cr12、Cr12MoV等，如果采用传统的修边模制作方法，就难免会对刃口进行多次堆焊，由于诸如上面的材料在进行多次堆焊的过程中，容易开裂而致使镶件报废，不得不重新补料再加工，这样，不但周期会被滞后，而且模具的制作成本也会大幅增加。如果采用激光切割技术，对于开发如图1所示的汽车零件，等拉延模样件（图2所示）试模成功后，就可以用激光切割来替代修边、冲孔工序，沿图2上所示的修边线进行切割，把切割所得的样件直接用于下一道翻边工序进行试模，把所得的最终样件与检具进行比较，如果有差异，通过计算机对上次的修边线进行修整再次切割，直至成功。整个过程节省了两道工序，完全改变了传统的单线串行制作方式，很大程度上缩短了工艺流程和降低了模具制作成本。基于五轴激光加工技术在现代模具制作的过程中有着这样明显的优势，因此，倍受很多模具企业的青睐，并得到了广泛、成功的应用。3.多轴激光加工的工艺流程及编程策略 激光多轴切割与其它多轴数控加工一样，都会涉及到工件定位夹具的问题， 来自英国Camtek公司的PEPS软件解决这一问题的方法非常简单、实用。PEPS使用了一个夹具自动报表，首先通过CAD转换接口读入产品模型数据，并对碎面与破面等丢失或失真的数据进行修复，然后为加工模型设置参考位置进行固定，确定需要加工的范围、高度以及夹具材质、板厚等参数，系统会根据这些参数产生适当的产品截面轮廓线，生成