多篇关于热冲压的论文

1、热冲压技术热冲压成形（Hotstamping）是国际上近几年来出现的一项专门用于成形超高强度钢板冲压件的先进制造技术，也是汽车冲压件制造领域内的最新技术。热冲压成形中所使用的钢板是一种特殊的硼合金钢板，这种钢板不同于传统的冷成形超高强钢。现在应用比较广泛的双相钢、复相钢等冷成形高强度钢板一般是在常温下通过冷冲压的方法成形，成形前后零件的显微组织和机械强度基本不发生改变。而热冲压成形中所使用的钢板在常温下强度不很高，抗拉强度仅有400600MPa，具有良好的塑性与可成形性；它是通过热冲压成形工艺进行成形和淬火后，零件的显微组织由原来的铁素体和珠光体转变成均匀的马氏体，抗拉强度可以达到1500MP

2、a以上，硬度可以达到50HRC，而且基本没有回弹，具有很高的尺寸精度。在钢板中添加了硼，其目的在于提高钢板的淬火性能，使板料的组织转变顺利进行。此外，为了提高材料的强度以及其它力学性能，还添加了Ti、Cr、Mo、Cu、Ni等多种合金微量元素。热冲压成形由以下几个工序组成：1.落料：是热冲压成形中的第一道工序，把板材冲压出所需外轮廓坯料。2.奥氏体化：包括加热和保温两个阶段。这一工序的目的在于将钢板加热到一个合适的温度，使钢板完全奥氏体化，并且具有良好的塑性。加热所使用的设备为专用的连续加热炉，钢板在加热到再结晶温度以上之后，表面很容易氧化，生成氧化皮，这层氧化皮会对后续的加工造成不利的影响。为

3、了避免或减少钢板在加热炉中的氧化，一般在加热炉内设置惰性气体保护机制，或者对板料进行表面防氧化处理。3.转移：指的是将加热后的钢板从加热炉中取出放进热成形模具中去。在这一道工序中，必须保证钢板被尽可能快地转移到模具中，一方面是为了防止高温下的钢板氧化，另一方面是为了确保钢板在成形时仍然处在较高的温度下，以具有良好的塑性。4.冲压和淬火。在将钢板放进模具之后，要立即对钢板进行冲压成形，以免温度下降过多影响钢板的成形性能。成形以后模具要合模保压一段时间，一方面是为了控制零件的形状，另一方面是利用模具中设置的冷却装置对钢板进行淬火，使零件形成均匀的马氏体组织，获得良好的尺寸精度和机械性能。研究表明，

4、就目前常用的热冲压钢材而言，实现奥氏体向马氏体转变的最小冷却速率为2730/s，因此要保证模具对板料的冷却速度大于此临界值。5.后续处理。在成形件从模具中取出以后，还需要对其进行一些后续的处理，如利用酸洗或喷丸的方式去除零件表面的氧化皮，以及对零件进行切边和钻孔。热冲压件由于强度太高，不能用传统的手段对其进行切边及钻孔加工，而必须用激光技术来完成。热冲压模具设计是热冲压成形工艺的核心技术，它不仅要满足零件的成形需要，而且还要具有优异的冷却能力，以保证零件获得良好的机械性能和尺寸精度。国内外高强度汽车板热冲压技术研究现状为适应汽车轻量化、降低燃油消耗、减少污染物排放和提高汽车碰撞安全性的要求，汽

5、车用高强度钢板的使用比重越来越大。当前各大汽车厂生产车身及部件主要采用冷冲压法，采用此法冲压高强度汽车板时，冲压过程中需要的冲压力大且容易开裂，产生过量回弹。尤其是针对超高强度钢板（抗拉强度550MPa），冲压时这两项缺陷尤为突出。热冲压技术可以解决这两个问题，同时可以使冲压后的成品抗拉强度得到大幅度提高。热冲压的关键工艺过程是加热、冲压、保压和冷却。加热过程直接影响到高强度钢板的冲压性能。热冲压的主要设备包括：加热炉、上下料装置、压机、模具、切边和冲空。采用热冲压工艺后，尤其是轿车车身所用高强度或超高强度钢板的厚度可以降低，同时由于部件的强度得到大幅度提高，车身上的加强板、加强筋可以大量减少

6、，从而减少了车身的重量，同等条件下提高了车身的防撞安全性。由于采用热加工工艺，钢板的热变形能力得到大幅提高，并且冲压变形所需的压力相对降低，一般而言热冲压轧机的吨位800t就可以满足生产要求。在热状态下冲压，也降低了回弹的程度，基本没什么回弹。相对冷冲压而言，热冲压也有不足之处。由于需要加热炉对钢板进行前处理，增加了加热设备及其能耗这一大环节。生产过程中由于需要加热和保压（淬火），从而增加了生产时间，生产效率也因此降低。此外，由于热冲压成熟的技术设备，特别是热冲压压机、模具、激光切割机以及全套设备的自动控制系统基本由国外公司掌控，技术封锁严密，现阶段设备投资大，一般的小型汽车厂难以承受。目前，

7、国内主要是同济大学、哈尔滨工业大学、吉林大学、上海大众汽车和奇瑞汽车、宝钢研究院等相关研究单位在对热冲压技术、关键设备进行研究。国内大学研究高强度汽车板热冲压工艺取得成果较多的是同济大学机械与材料学院，他们选用的是安赛乐生产的USIBOR1500高强度钢板，采用热模拟机和量身订制的模具进行试验研究。国内实验研究表明：高强度汽车板热冲压加热温度为850950为宜；模具在室温下，即原始温度1050对热冲压成形没有明显影响；保压时间一般为155260s，冷却速度一般21/s，淬火后零件温度为200左右，冷却水临界经济流速为0.7m/s。国外对此工艺研究的比较早，由于技术封锁，很难见到有实际意义的生产

8、线的技术文献和有关高强度汽车板热冲压生产实践性资料，但国外尤其是欧洲已有设备生产企业能够提供高强度汽车板热冲压生产线。如瑞典AP&T公司具备提供整套热冲压设备能力、德国舒勒公司能够提供全套的钢板热冲压设备，舒勒已向一家德国汽车制造厂提供6条全自动热成形生产线，国内热冲压整套和部分设备都还没有厂家能够生产。高强度汽车板热冲压技术主要用于生产轿车车身结构中对强度要求高的部件，如：门内侧梁、柱，底板中央通道、车身纵梁和横梁、门槛、保险杠等安全防撞件。这些部件的强度级别直接关系轿车的安全性能，尤其是国家提高了对汽车防撞级别的要求，这些部件的强度级别更是关系到整车的安全星级。研究显示，德国大众B

9、6车型、沃尔沃XC90和C70、马自达6采用了高强度硼钢和热冲压成型工艺。国内某自主品牌汽车也在部分车型中采用了此项技术以提高碰撞安全级别。目前对热冲压工艺的自动控制研究还基本没有，因而需要加强研究和消化，以免在工艺的生产控制方面受制于人。同时强化操作人员培训，提高生产水平。钢板热冲压新技术的核心技术对于强度超过1000MPa的高强钢，传统冷冲压工艺束手无策，一种新型热冲压技术则应运而生，即钢板热冲压新技术。 钢板热冲压新技术是瑞典的Hard Tech公司于20世纪80年代最早提出，最近二十多年逐渐应用和推广开来，是一种将特殊的高强度钢板加热到奥氏体温度范围，快速移动到模具，通过模具冲压，然后

10、淬火冷却获得强度超过1500MPa甚至更高的马氏体组织冲压件的新型成形工艺。其核心技术是：      1.工序设计特点。      采用冷冲压工艺的零件，需要通过3-6个工序来成形所需的外形、尺寸。钢板热冲压只能通过一道冲压成形，因此零件外形设计上要充分考虑其工艺特点，对于冲压深度很深、成形难度大的中通道类零件，可以先采用冷冲压预冲压，然后再进行热冲压。      2.模具特点。      1)模

11、具型面设计时需要考虑钢板的热胀冷缩效应，采用特定的热补偿方案。      2)模具内部冷却回路设计要充分考虑到冷却孔径大小、冷却孔的间距和布置方式、冷却孔中心离模具型面的距离、冷却水的流动方式。      3)考虑模具分块及精密装配技术。      3.定位技术改动。      冷冲压而言，常采用定位销对毛坯进行定位。对热冲压而言，为最大限度避免毛坯在冲压之前过早地和模具表面接触，以减小温降，提高

12、热冲压成形性，要专门的支撑机构支撑毛坯。      4.热冲压CAE(计算机辅助工程) 分析。      CAE分析分为用于预测零件热冲压可制造性的热冲压过程分析、用于预测零件组织和力学性能的保压淬火过程分析、用于预测零件的成形精度的回弹分析。      1) 热冲压过程分析。需要准确的材料性能参数、如弹性模量、泊松比、高温状态下的应力应变关系和钢板摩擦特性等。可以成功预测零件的热冲压成形缺陷，同时优化和改进零件外形及热冲压模具型面。 

13、     2) 保压淬火过程分析。要提高保压淬火CAE分析精度，需要准确预测在设定的热冲压生产节奏下，冷却水以设定的入口温度、压强和流量流过模具冷却回路时对高温状态钢板能够产生的冷却速度，接着是复杂的热力偶合分析，预测零件的组织和力学性能。完成奥氏体向马氏体转变的精确分析。      3) 回弹分析。目前基本上是通过制作样模进行试冲，来检验零件的力学性能和尺寸精度。热冲压可以得到超高强度的车身零件、成形性相对较好、冲压需要800t小吨位液压机就能完成、尺寸精度好。热冲压作为一个新兴的成形技术，在汽车制造领

14、域具有广阔的应用前景。(成王)超高强度钢板热冲压成形CAE技术的研究现状与发展趋势随着人们环保意识的逐渐加强和对汽车安全性能要求的日益提高，世界各国对汽车安全和环保法规的控制越来越严格。各大汽车公司纷纷通过汽车轻量化来减少燃油消耗、降低发动机的废气排放（在降低油耗、减少排放的诸多措施中，减轻车重的效果最为明显，车重减轻10%，可节省燃油3%8%）。为保证轻量化后仍能满足碰撞安全要求，各大汽车公司在优化汽车框架和结构的同时，把工作重点转向了新材料、新工艺的应用。在这种背景下，超高强钢板热冲压技术应运而生。超强度钢板热冲压是一种将先进高强度钢板加热到奥氏体温度后快速冲压成形，在保压阶段通过模具实现

15、淬火并达到所需的冷却速度，从而得到组织为均匀马氏体，强度在1500MPa左右的超高强度零件的新型成形技术。通过对先进高强度钢和超高强度钢热冲压技术的研究和推广应用，提高了汽车的碰撞性能，实现了汽车轻量化。超高强度钢板热冲压作为一种新兴的技术，该领域公开发表的成果较少，存在技术封锁和垄断。国内外对超高强度板料热冲压核心技术的研究大都还处在探索与尝试阶段，尤其是CAE分析部分。本文综述了超高强度钢板料热冲压CAE分析技术的研究现状，指出了存在的问题和发展方向。1 热冲压成形CAE分析的研究现状CAE分析作为超高强钢板热冲压领域的关键技术，可以分为成形过程分析（预测零件的热冲压可制造性）、保压淬火过

16、程分析（预测零件的组织和力学性能）和回弹分析（预测零件的成形精度）3个方面，下面分别加以论述。1.1 成形过程的CAE分析热冲压成形过程是指高温奥氏体状态下的板料在热冲压模具内所进行的短时间内快速成形的过程。由于板料在高温奥氏体状态下，因此，进行高强钢板热冲压过程的CAE分析，首先要获得高强钢板在高温下的力学性能。在国外，意大利Padova大学以Nakazima试验为基础进行了相位转变试验与高温成形试验，获得了高强钢板的热成形下的成形极限图(Forming Limit Diagram，FLD)，为热冲压的有限元仿真提供了准确的数据。在国内，哈尔滨工业大学机电工程学院和材料科学与工程学科将坯料加

17、热到950左右使其奥氏体化，并保温一段时间使奥氏体均匀化，从加热炉中取出坯料，在等温和非等温成形条件下进行V形弯曲和槽形件成形试验，从而获得22MnB5的高温力学性能。同济大学选用安赛乐生产的USIBOR1500高强度钢板，对其进行了高温力学性能试验的相关研究。其次，热冲压成形阶段CAE分析还需要根据材料的弹性模量、泊松比、高温状态下的应力应变关系和钢板摩擦特性等来分析预测热冲压的可制造性。在国外，瑞典律勒欧理工大学在2002年就用Gleeble 1500热模拟试验机进行了对热冲压钢板22MnB5的高温压缩试验和热膨胀的测量，获得了材料的力学性能和热性能数据，建立材料模型模拟分析了热冲压过程中

18、的成形力、板料厚度分布和硬度分布等。结果表明：在成形淬火过程中，板料因其内部组织的不同，力学性能变化很大；应变速率对不同温度下的流动应力影响不同。德国亚琛工业大学通过有限元模拟并试验验证了22MnB5钢热冲压成形过程的参数变化。纽伦堡大学在德国研究基金(DFG)项目的支持下对淬火钢板的热冲压成形过程进行了相关研究，并在2005年进行了热冲压成形的基础研究。在国内，近些年来上海宝钢集团通过大量试验，在钢板热冲压零件可制造性方面取得了一系列的突破，并能满足部分工业要求。比如国内某些车型的B柱加强板的热冲压可制造性分析（图1），并做了零件试冲和结果对比。可以说宝钢的热冲压可制造性分析能较准确的预测零

19、件的热冲压成形缺陷，这对优化、改进零件性质及热冲压模具都有重要作用。中国工程物理研究院计算机应用研究所与重庆大学机械工程学院利用SuperForm软件，对带直边大型厚壁半球形封头的热冲压成形过程进行了有限元模拟，得到了部分热冲压变形中坯料与模具摩擦等因素对成形影响的资料数据，给板料热冲压技术的发展提供了参考数据。吉林大学材料科学与工程学院应用三维弹塑性有限元模型和MSC.Marc软件对桥壳的热冲压成形过程进行了模拟分析，通过在不同的温度、冲压速度、摩擦条件下的成形过程分析，发现在桥壳热冲压成形过程中，应力和温度值虽然会随冲压温度等工艺参数的变化而变化，但它们的分布规律不变。在此基础上确定了最佳

20、的热冲压工艺参数，其中冲压成形温度应高于700，冲压速度应小于20mm/s。同济大学机械与材料学院以安赛乐生产的USIBOR1500高强度钢板为材料，采用热模拟机和专门模具，主要研究了热冲压成形过程中板料加热温度、内部组织结构模式和冲压速度等对冲压成形的影响。华中科技大学材料科学与工程学院与吉林大学材料科学与工程学院以会议Numisheet 2008提供的B柱热冲压考题为基础，建立了B柱热冲压模型，耦合数值分析得到了成形过程中的厚度分布。结果表明；截面厚度分布基本在试验结果的±5%范围内，在尾部圆角处厚度减薄量较大；热冲压的力能参数约为冷冲压的十分之一左右。1.2 淬火过程的CAE分

21、析超高强钢板热冲压保压淬火过程是指板料在快速成形后，在模具内保持压力的状态下从奥氏体状态以一定的冷却速度进行淬火并得到均匀马氏体组织零件的过程。该过程CAE分析主要是根据模具的冷却系统进行复杂的热力耦合分析来进行预测成形零件的组织和力学性能，图2为模拟得到的成形表面的硬度分布。该技术是目前全球范围内亟待攻克的技术难题，至今没有很好的解决方案。保压淬火涉及零件内部组织从奥氏体向马氏体的转变，以及由此带来的零件力学性能变化。要提高保压淬火的CAE分析精度，首先要准确预测在设定的生产节拍下，冷却水以设定温度、压强和流量流入模具冷却回路时对高温钢板能够产生的冷却速度，并考虑模具冷却系统分布方式和尺寸等

22、对整个零件淬火过程的影响，然后才是复杂的热力耦合分析，进而预测零件的组织和力学性能。德国亚琛工业大学通过有限元模拟并试验验证了22MnB5钢热冲压保压淬火过程的温度与冲压力变化。德国戴姆勒-克莱斯勒公司对热冲压淬火过程模拟中可能出现的难点进行了分析，特别阐述了热冲压模拟中的接触传热和板料温度分布的不均匀性。意大利帕多瓦大学在2006年用热膨胀计获得了22MnB5的连续冷却转变特征参数，得到马氏体相变的初始温度为382，并采用Gleeble 3800热模拟试验机对22MnB5材料进行了连续冷却单向拉伸试验，分析了不同初始温度和不同应变速率条件下的流动应力，发现温度是影响流动应力的主要因素，应变速

23、率的影响较小。并且参照Nakazima试验装置开发了一种新型的高温成形性能试验装置。伊朗Arak大学研究了热变形条件对马氏体转变的影响。通过热膨胀试验和热单向压缩试验，分析了变形初温、应变量和应变速率对马氏体开始转变温度及马氏体含量的影响。同济大学机械工程学院与上海第二工业大学机电学院，运用传热学基本理论对热冲压淬火过程中传热进行分析，根据其传热特点建立解析模型并通过试验验证得出结论，热冲压过程中钢板温度呈指数变化。同济大学机械材料学院以安赛乐生产的USIBOR1500高强度钢板为材料，采用热模拟机和专门模具，研究了保压淬火过程中板料内部组织结构变化、保压时间、冷却临界速度（淬火速度）、冲压模

24、具温度变化等对淬火效果的影响。华中科技大学材料科学与工程学院与吉林大学材料科学与工程学院以Numisheet 2008提供的B柱热冲压考题为基础，建立B柱热冲压模型，通过热力耦合数值模拟分析了保压淬火过程，得到了热冲压过程中板料的温度及厚度分布规律。结果表明：板料压边区域温度下降较快，但直到成形结束其温度高于600，不会导致该处材料成形困难；零件尾部圆角处温度过高，局部温度过高会使板料产生局部流动，导致减薄过大；成形结束后，板料压边区域温度较低，而尾部圆角及梁表面温度较高，板料整体温差在400左右。因此，使板料在保压淬火过程中温度的均匀变化是模具冷却系统设计的关键。1.3 回弹过程的CAE分析

25、板料热冲压回弹发生在保压淬火完成并撤去压力之后，弹性变形回复从而导致零件的形状和尺寸发生变化而与模具不一致，这种现象叫做回弹。由于是在高温淬火条件下成形，所以与冷冲压回弹相比要小得多。此过程CAE分析的目的是利用计算机仿真技术来预测零件的成形精度。但到目前为止，回弹分析还是整个冲压界都没有妥善解决的世界性难题。每届的国际NUMISHEET会议（板料冲压仿真会议），都有关于回弹的标准考题和回弹CAE分析的阶段性、局部性研究成果发布。由于之前的热冲压成形过程分析和保压淬火过程分析的复杂性，导致最后阶段精确的回弹分析变得非常困难。目前，业内基本上是通过制作样模进行试冲，来检验零件的力学性能和尺寸精度

26、，但延长了模具设计周期，增加了钢板热冲压零件的制造成本。国外在高强钢板热冲压回弹方面研究较多的是日本东京大学的学者们，他们对高强钢板的热冲压回弹和成形温度进行了理论研究，并通过试验对比验证了在塑形变形区或弯曲变形区温度高于750K时，成形零件的回弹有明显的减少。意大利那不勒斯东方大学采用AutoForm软件对DP600和TRIP800两种材料的冲压回弹进行了模拟。国内哈尔滨工业大学机电工程学院与材料科学与工程学院采用ABAQUS软件对高温下22MnB5高强钢板沟槽形件冲压成形进行了数值模拟研究。建立了基于热力耦合弹塑性有限元模型和热成形下的材料模型，通过对沟槽形件热成形的数值模拟，考察了压边力

27、、模具间隙和凹模圆角半径等工艺参数对热成形时温度分布和回弹的影响，分析热成形中回弹的产生机理，确定了合适的工艺参数，通过热成形试验验证了数值结果的可靠性，图3为模拟得到的压边力对回弹的影响。并研究了影响22MnB5超高强钢板热冲压成形中回弹的因素。通过等温度和非等温试验考察了变形温度、热成形终了温度和压边力对热成形后回弹的影响。得出结论：热效应是引起回弹的主要因素，蠕变应变减少了热成形后的回弹量，蠕变应变和热效应是影响热成形中回弹的主要因素。另外，华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室以回弹角作为回弹值，基于ISO2CD24213/2006方法，运用Dynaform对高强钢板的冲压成形及

28、回弹进行数值模拟，分析了板料厚度、板料宽度、压边力、拉延筋及材料性能等因素对回弹值的影响。研究发现：在一定范围内随着压边力的增大回弹值呈减小趋势。此研究为超高强度板料热冲压回弹的研究提供了参考。压边力对回弹的影响2 存在的问题和今后的发展趋势超高强度钢板热冲压成形技术是将板料热加工和淬火工艺相结合的一项较新的复杂成形技术。它使超高强度钢板具有较小的变形抗力、塑性好、成形极限高，且成形零件的精度和强度高。但其CAE分析技术的发展还存在诸多缺点和不足之处，主要体现在：(1)作为一个新兴的技术，超高强钢板热冲压CAE分析领域公开发表的成果较少，存在技术封锁和垄断，在这一领域各厂家也分别以企业技术秘密

29、的形式，实行严格的技术保护和封锁，见诸报道的都是分析的结果，而不是过程；(2)准确的材料力学性能数据是高强钢板热冲压CAE分析获得正确结果的前提，目前对高强钢板在高温条件下力学性能的研究还较少，对淬火冷却过程中的组织转变及其对力学性能的影响还不是十分清楚；(3)在确定导热系数和摩擦系数时也存在大量的不确定因素，使得模拟结果与实际情况存在较大偏差；(4)对热冲压模具冷却水道的研究较少，在合理设计及优化模具的冷却水道方面还有待于进一步的深入研究；(5)对成形后零件的回弹研究较少，板料回弹分析没有找到相适应的理论准则，使得回弹分析仍然是整个冲压界都没有妥善解决的世界性难题；(6)缺乏专用于高强钢板热

30、冲压工艺的有限元模拟及优化软件；(7)高强钢板热冲压过程的CAE分析，既涉及对板料成形及回弹过程等宏观尺度的模拟，也涉及对奥氏体向马氏体转变过程的微观尺度模拟，而目前还没有关于高强钢板热冲压过程多尺度模拟的文献报导。为此今后可以在以下几个方面加大对超高强钢板热冲压CAE技术的研究力度：(1)以热冲压过程的成形阶段为研究对象，通过试验设备测量材料在奥氏体状态下的硬度、微观组织、流动曲线、材料热物性参数、力学性能参数和成形极限等，建立由应变、应变速率和温度表示的奥氏体状态宏观流动应力模型，为数值模拟研究提供可靠数据；(2)为得到均匀马氏体组织，需要研究热冲压冷却阶段相变机理，计算相关情况下的材料流

31、动应力和组织转变，建立考虑材料成形温度、降温速率及相变行为本构关系模型，加强对向马氏体转化的控制理论的研究，即向马氏体的转化百分比和晶粒大小及均匀程度等，为淬火冷却过程的CAE分析奠定基础；(3)研究热冲压工艺成形过程的热粘塑性有限元理论及建模方法；(4)研究热冲压工艺冷却阶段的热弹塑性有限元理论及建模方法；(5)借鉴塑料模具和挤出模具在冷却水道CAE分析和优化设计方面的成功经验，深入开展高强钢板热冲压模具冷却水道的CAE分析和优化技术的研究；(6)大力开展超高强钢板热冲压零件回弹的CAE分析，在准确进行成形过程和淬火过程CAE分析的基础上，提高回弹预测的准确性；(7)同时考虑板料成形、回弹过

32、程的宏观变形和冷却过程中奥氏体到马氏体的转变的微观过程，开展热冲压过程的多尺度模拟研究，将成为超高强钢板热冲压CAE分析的一个重要方向；(8)在理论研究的基础上开发出专用于热冲压工艺的有限元模拟及优化软件，以便使工程技术人员可以利用模拟及优化软件对相应零件的热冲压工艺进行数值分析及工艺优化，并根据模拟及优化的结果制订合理的热冲压工艺方案。3 结语超高强钢板热冲压技术是世界汽车业今后的发展趋势，而CAE分析技术是高强钢板热冲压成形的核心技术。国外热冲压CAE技术比较成熟，已经广泛应用于实际的模具生产中。但由于技术封锁等原因，我国超高强钢板热冲压CAE分析的研究还不够深入和系统，这极大地阻碍了超高

33、强钢板热冲压技术在我国汽车业的应用。大力开展超高强钢板热冲压CAE分析技术的研究，才能打破国外在高强钢板热冲压领域的技术垄断，促进作为我国国民经济的支柱产业之一的汽车工业的快速发展，降低制造成本，提高企业竞争力，早日使我国从世界汽车制造大国转变为世界汽车制造强国。(end)自主开发模具生产设备 推动热冲压生产线国产化2011年中国汽车产销突破2000万辆，汽车市场持续加温。汽车轻量化已经成为现代汽车设计制造的主流，车身轻量化对减轻汽车整车自重，提高整车燃油经济性和节能环保至关重要。汽车重量每降低100公斤，每百公里至少可节约1.6升燃油。轻量化可能会降低汽车的碰撞安全性，因此既能保证安全性又能

34、实现轻量化，而且同时实现成本和效益最优化是汽车制造业极为关注的目标。由于铝镁合金性价比低，其关键力学性能与钢铁相比没有明显优势，因此采用高强度钢板热冲压生产技术正呈现出欣欣向荣的趋势，成为同时实现轻量化和提高碰撞安全性的最好途径。热冲压是相对比常见的冷冲压成形而言的。为了克服高强度钢板冷成形的困难，热冲压须将钢板加热实现相变再冲压成形并进行淬火，从而获得更高的强度，抗变形性与硬度，能够成形抗拉强度高达1600-2000MPa的零部件，可组焊成高强度驾乘单元，承受5吨以上的静压而不损坏。采用这种相对于超高强度的结构件，可明显提高汽车的碰撞安全性，同时通过减小壁厚或截面，减少汽车装配环节中的零部件

35、的数量尺寸，从而实现轻量化。正因为热冲压的技术优势，使得高强度钢热冲压技术正受到全球汽车厂商和钢铁生产企业的的青睐和极大关注。热冲压技术不仅有高强度比的优点，且在高温下材料成形性好，能消除回弹影响，零件精度高，成形质量好。近年来，国外汽车制造商已将高强度钢板热冲压技术应用于前保险杠、后保险杠、A、B、C柱，车顶构架，车底框架以及车门内板，车门防撞梁在内的结构件上。例如在VOLVO车型中热冲压硼钢的使用量逐年递增，预计将达到白车身的45%以上。热冲压不单是简单的“冷转热”过程，涉及到了十分复杂的金属材料热-力-相变多物理场耦合和多尺度问题以及热边界摩擦非线性力学问题。高强钢板热冲压的复杂性，要克

36、服热冲压缺陷的产生：诸如局部过分软化，破裂，起皱，马氏体转化不均匀等，还要实现最佳的奥氏体-马氏体化温度，最佳模内冷却速率，最佳成形压力，最佳保压时间等优化问题，这就需要从宏观和微观尺度进行诸如成形性分析，服役性能等进行深入研究和技术积累。广泛采用的22MnB5高强度硼钢是目前从材料上实现热冲压的一种最优选择。22MnB5高强度硼钢初始抗拉强度介于400MPa600MPa之间，无论是热轧还是冷轧板材产品均可在奥氏体化后通过快速淬火处理得到马氏体组织，实现热冲压成形生产。目前市场上广泛应用的热冲压板材，以欧洲Arcelor公司出产的带Al-Si涂层的USIBOR1500及改型批次为代表，产品厚度

37、为0.7mm2.4mm不等。带涂层的热冲压钢板由于表面有效隔绝空气与钢铁接触，在热冲压过程中不会产生大量氧化皮，表面质量好，后续几乎不需喷丸工序，但涂层易与加热炉中磁辊粘结。无涂层的钢板由于具有大量氧化皮，后续需要喷丸处理，但不会与加热炉中磁棍粘结，二者各具利弊。其他如日本的新日铁，神户制钢，韩国的浦硕钢厂也正在积极开发生产用热冲压钢板。国内宝钢开发的冷轧B1500HS、热轧BR1500HS已实现批量供货，通钢、鞍钢等钢铁企业也正积极投入相关热冲压钢板开发中.根据实际零部件加工难易程度，成形顺序等工序，热冲压工艺分为一次成形和二次成形方式。直接冲压工艺是指高强度钢板板料加热到奥氏体化温度并保温

38、一段时间后，直接放入具有冷却系统的模具里进行冲压成形及淬火，一次成形，但需要增加激光切割设备，其主要优点有两个。一是板料在一套模具中进行冲压成形及淬火,节省了预冲压成形模具费用并加快了生产节奏，二是材料被加热前为平板料，这样不仅节省了加热区面积进而节省能源，而且可以选取多种加热方式，例如可以采取感应和辐射加热炉进行奥氏体化加热。二次成形过程是通过将一次成形并切边的零件再进行加热-定形-淬火，最终可获得减少激光切边成本的高强度结构件，最主要的优点是可进行更复杂形状的车体结构件冲压成形。板料预冲压成形后，后续热冲压成形工艺不需要过多考虑板料高温冲压成形性能，可确保板料充分淬火得到所需要的马氏体组织

39、。板料预冲压成形后可以进行修边，翻边，冲孔等工艺加工，避免板料淬火硬化后加工困难问题。但由于增加了二次模具冷却,其不可避免的增加了制造过程中的模具成本。“高强度钢板热冲压成形生产线是实现这一先进成形技术的关键环节。热冲压成形技术特征决定了它不同于常规冲压的装备及关键技术，它是将落料、加热、防氧化、冲压、淬火冷却、切形和喷丸处理等为一体的综合制造集成加工系统，是体现机械加工、电控和材料化工紧密交叉的国际前沿高新技术。”据国际模协秘书长罗百辉介绍，目前国内现有的5条热冲压生产线全部为高价进口的国外生产线(如宝钢、上海卡斯玛等)，用于国产速腾，奥迪等几款轿车核心零部件生产(如A柱、B柱、前后保险杠等

40、)，耗资巨大，造成市场成本居高不下。罗百辉认为，要从根本上解决上述瓶颈问题，需要我们的企业立足于自主开发和制造主要设备及模具，自主研发具有完全知识产权的高效率热冲压装备生产线。对于以实现产业化目标而言，热冲压成形生产线装备主要包括四大部分：满足快速合模，保压要求高速专用液压机；具备最优冷却回路设计及满足成形工艺要求的水冷模具；保证定位精度的具备防氧化，节拍可控的专用加热炉；具备中央可控联调功能的自动化传输系统。其中，生产线中央集成控制成套装备和热冲压零件质量稳定性控制是衡量和评价热冲压生产线品质的关键环节，也是实现产业化之路的重中之重。目前，国内以长春伟孚特汽车零部件有限公司为代表的高科技企业

41、，开展了产-学-研全面合作，已打破国外公司的技术垄断，建立了热冲压高强度钢板在成形过程中的热-力-相变多物理场耦合本构理论和动力显式弹塑性大变形有限元算法，自行成功研制出具有完全自主知识产权的节能型高强度钢板热冲压成套技术，仿真软件和批量的自动化生产装备线。在保证高技术附加值的基础上具有价格优势和技术竞争力。这些高强度钢板热冲压成套自动化生产线和制造工艺中的各种关键技术，已经能够为国内自主汽车厂商（如奇瑞、一汽等）小批量生产热成形件，具有突出的市场优势。目前正在开展汽车A柱、B柱、车顶构架、车底通道框架、前后保险杠以及车门防撞梁等热冲压件的模具设计和批量生产准备。虽然高强度钢板热冲压技术具有巨

42、大的市场前景和生命力，但在成形过程和热处理过程中仍存在各种技术问题，如：热软化、破裂、马氏体转换的不均匀性、塑性变形能力低、表面氧化等；另一方面，由于高强度钢板热冲压技术还处于起步阶段，还有很多产业化实际问题需要解决和完善。例如制造工艺参数优化、生产效率产品质量、热冲压成形过程微观机理研究、采用非镀层钢板时需要进行喷丸处理、激光切割成本偏高等。因此热冲压技术今后应朝着高效率、低成本、强韧化、防氧化方向发展；力学、机械、化学和材料学要紧密合作，让多学科交叉融，为解决强韧化和防氧化问题提供坚实的技术保证；优先研究解决“试错”这一影响提高技术效率和降低成本的关键问题，那样，热冲压生产线国产化就会成为

43、大势所趋。未来汽车产业中的冲压技术近年来，人们对热压加工技术进行了广泛的讨论，之所以能够引起人们如此高度的关注，其重要原因之一就是：当今的高强度钢材经过这种变形加工之后能够明显降低板材的厚度。在采用热变形加工之后，变形加工的结果也得到了优化。宝马公司使用了这种新的变形加工技术，并在新型冲压机方面投进了大量的资金。 几周前，在宝马公司Dingolfing生产厂的车架钢板生产车间中，两台全新的具有创新意义的车架钢板冲压机投进了生产。这两台新型冲压机的投资总额约为5000万欧元，是专门为宝马公司未来的白车架钢材冲压生产而购置的。在这两台新型冲压机上，宝马公司将有100余名员工分3个班次进行

44、工作。这两台新冲压机中的一台首次采用了汽车产业中最新的冲压技术（热变形冲压技术）。这种新的冲压技术答应对淬火后的车架钢板进行变形加工，不但可以对强度高、重量轻的钢板进行变形加工，而且可以对具有良好防锈性能的镀锌钢板进行变形加工。第二台新冲压机被称之为Prog-Die高速冲压机，其极高的经济性给人们留下了深刻的印象。每分钟40次的冲压行程、每次的冲压力为3000t，使得这台冲压性能够在1min内完成最多160个车架零部件的冲压加工，同时也把材料利用率和能源利用率进步到了一个新的水平。在经济形势如此严重的时期，宝马公司做出这样的投资就是为了今后能够实现可持续性的发展。这两台冲压机是宝马公司创新力和

45、创造力的有力代表，也充分的证实了宝马公司Dingolfing生产厂在汽车制造领域中具有的领先的技术水平和极强的市场竞争力。高强度车架零部件的轻结构设计全球首次在汽车生产领域中使用的热变形冲压技术是由宝马公司与Voestalpine Polynorm公司共同专门为大批量生产汽车零部件而研发的。这种技术能够利用高强度钢材生产出非常轻的、带有镀锌防护层的车架零部件，非常适合加工承受高负载、尤其是能够吸收碰撞能量的车架零部件，如侧围、纵梁和B立柱等。在使用了这种热冲压变形加工生产的高强度钢材之后，每个轻结构设计的车架零部件可减重20kg，因此在降低油耗中发挥了不可低估的重要作用。由这种新型热冲压变形加

46、工设备加工而成的零部件将在2009年9月首次在Dingolfing厂生产的新型宝马5系Gran Turismo轿车中使用。在今后的三年中，将会有约20种不同宝马车型的高强度车架部件采用这种热变形冲压工艺制造，同时Dingolfing生产厂将负责为宝马公司在世界各地的生产厂提供热变形冲压件。 宝马公司董事会成员Frank-Peter Arndt先生以为，通过这两台新型冲压机的投资可以充分看到宝马公司的创新力和创造力在这种新的冲压技术中，镀锌钢板首先在冷态下被冲压成型，然后在炉中加热到900，炙热的工件将再次进进到冲压模具中，用流量为2600l/min的冷却水使其在几秒钟内冷却到70，从

47、而实现淬火。经这样处理的钢板其强度比未处理的钢板高34倍，并且可以在车架制造中采用常规的焊接或粘接技术制造成车架。通过工序集成而进步效率新型的3000t Prog-Die高速冲压机是这类冲压设备中个头最大的，由于其在一个冲压行程中集成了多个冲压工位的冲压工序，因此生产效率极高，可以在1min内40次的冲压行程中完成160个零部件的生产。在这里，向冲压模具中传送工件的操纵就是直接向模具中输送带钢（即钢卷），而无需像其他机床那样先把钢卷展开，裁剪成一块块的钢板。这种冲压机的模具是一种顺序冲压模具，整套模具中最多可集成21道有先后顺序关系的冲压工序，模具本身的重量就高达50t。在每个冲压行程中，所有

48、的冲压工序都同时进行冲压：从第一道工序的冲孔开始，到不同阶段的拉延和拉伸，直至最后的冲裁件的相互压合连接。每个行程，模具中的成卷板材就向外延伸一个工件的长度，通过冲压工序的集成使得高速冲压机的金属材料利用率进步，而且与传统的冲压设备相比较，这种高速冲压机每年可节约高达500万kWh的电量，相当于1500个家庭全年的电力消耗。这两台新型冲压机是对宝马Dingolfing生产厂现有16条冲压生产线、最大冲压压力9500t的有力补充。天天，这家位于巴伐利亚的汽车零部件冲压生产厂生产的钢制和铝制车架零部件数目高达160万件，其中有很多车架零部件是为宝马公司在世界各地的生产厂提供的。高速变形加工Prog

49、-Die高速冲压机是由Göppingen市的Schuler公司制造的。在变形加工机床生产厂中，Prog-Die系列的冲压机属于低本钱高产量的冲压加工设备，是经济性好、生产可靠的变形加工设备。Schuler公司生产的Progressive-Die系列冲压机属于连续冲压型，可用于汽车车架的加工和高要求成型件的顺序冲压加工，终极组装成为一个完整的模块式组件。该机床和它的自动化装置在部件尺寸大小和功任性能方面都做到了相互匹配和优化。Prog-Die系列冲压机具有产量高、单件本钱低、灵活性高和调整时间短等优点。标准配置的Prog-Die系列冲压机带有半自动的模具更换装置，冲压时的快速行程和冲压行程由控制系统中的控制程序进行调整。Prog-Die冲压机的移动工作台长度为4100mm，工作台可左右移动，方便模具更换。在生产场地比较紧张的情况下，工作台可配置为T型工作台。在顺序冲压加工时，工件的传送运动由传送装置进行调节。在到达最后一个传送工位时，工件材料被从整条板材上切离。Prog-Die冲压