热成形技术在汽车冲压领域的应用_伍宏昆

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1、AT&M FIELD OF VISION AT & M 视 界 汽 车 工 艺 与 材 料 AT&M2010年第4期10 热成形技术在汽车冲压领域的应用 由于人们环保意识的加强和对汽车安全性要求的日益提高，世界各国对汽车安全和环保法 规的控制越来越严格。通过对先进高强度钢和超高强度钢的研究和使用，提高了汽车的碰撞性 能，同时也为实现轻量化做出很大贡献。为了解决高强度钢板冷成形的难题，人们研发出一种 针对高强度、超高强度钢板的热冲压成形技术。与冷冲压成形相比，热冲压成形具有成形后板 料回弹量很小、零件的贴模性好、尺寸精度高等优点。 奇瑞汽车股份有限公司规划设计院 伍宏昆 目前汽车厂家对整车的质量

2、和经济性越来越重 视，而车身作为整车质量比例最大的单元，承担着 较大的减轻质量压力，故大多数厂家对采用新技术 特别是采用高强度和超高强度钢板材料提出了更多的 需求。采用高强度钢板和超高强度钢板（通常达到1 000 MPa以上），使设计时可以在达到强度要求的同 时有效减少钣金数量和材料厚度，从而达到减轻车身 质量的目的（提高经济性）；另一方面，采用高强度 钢板可以使车身更容易达到安全性能指标。目前的冷 冲压工艺在对高强度钢板进行成形的方面存在着明显 的不足，无法满足设计的要求，而热成形工艺可以弥 补这个缺陷。因此，热成形工艺技术目前广泛应用于 全球各大汽车公司的多种车型，重点使用在对碰撞要 求较

3、高的部位，如门槛、前保险杠横梁、B柱、侧门 防撞板等。 1 热成形技术 1.1 由来 高强度钢板冷冲压的瓶 颈问题： a.成形性差，容易开裂； b.成形精度差，回弹大， 容易产生各种表面缺陷； c.所需设备吨位大； d.超高强度钢板冲压极其困难，甚至根本无法 冲压。 基于以上情况，热成形技术应势而生。 1.2 原理 热成形工艺就是利用在高温状态金属塑性和延展 性会迅速增加、屈服强度迅速下降的特点，使用模具 令零件成形的工艺。通过对特殊的高强度钢板加热到 900 左右，使之易于拉延成形，再经过速冷，使钢 板抗拉强度达到1 450 MPa以上，从而达到零件超高 强度的要求。目前，BENTELER所

4、采用的热成形材料 为BTR165(钢板)和BTR155（钢管），两种材料的特 性相差不大。BTR165在加热成形过程中强度、伸长 率的变化如图1。 图1 BTR165在加热成形过程中强度、伸长率的变化 AT & M 视 界 2010年第4期 11 汽 车 工 艺 与 材 料 AT&M AT&M FIELD OF VISION 昂贵的激光切割设备完成工作。 (2)冷冲压工艺成形的零件特点 a.由于是在室温下成形和采用冷轧板，零件表面 光滑； b.由于材料的塑性有限，在成形过程中零件易起 皱和破裂，易回弹，尺寸稳定性比较差； c.材料在加工过程中产生了加工硬化。 2.2 生产设备 热冲压生产设备主

5、要有落料压机、加热炉、液压 机、水循环装置、激光切割设备、去氧化皮设备以及 零件传送机器人。 冷冲压生产设备主要有落料压机、 机械压机或压机生产线。 2.3 生产工装 (1)热冲压工艺的工装(如图3) a.落料模和预成形模； b.料片加热定位夹具； c.热成形模（在模具结构中需要设计出水冷却循 环回路）； d.去氧化皮夹具和激光切割夹具。 (2)冷冲压工艺的工装（如图4） a.落料模； b.冷冲压系列工序模具。 以本特勒公司BTR165材料为例，其成形前后的 材料性能如表1。 1.3 热成形工艺 热成形工艺流程如图2。热成形前，常温下高强 度硼合金钢板强度500600 MPa；热成形后，其强

6、度超过1 500 MPa，提高200%300%。 a.把特殊的高强度硼合金钢加热，使之奥氏体化； b.红热的板料送入有冷却系统的模具内冲压成 形，同时被具有快速均匀冷却系统的模具冷却淬火； c.钢板组织由奥氏体转变成马氏体，因而得到强 化、硬化，强度大幅度提高。 2 热冲压与冷冲压工艺对比 2.1 零件质量 (1)热冲压工艺成形的零件特点 a.由于选择在高温下成形，零件表面存在氧化， 表面质量不佳； b.零件在冷却过程中由于温度分布不均匀，易产 生热应力和热变形； c.由于材料的高塑性，在成形过程中零件不易起 皱和破裂，基本没有回弹，尺寸稳定性比较好； d.材料通过加工变形和快冷，晶粒得到了细

7、化， 力学性能得到了提高。 e.材料经过变形和硬化后，强度提高，冷冲压切 边冲孔已无法达到工艺和零件精度的要求，需要利用 图2 热成形工艺流程 表1 BTR165成形前后的材料性能对比 P0.2 / MPam / MPa/% 热轧30068044085012（80min） 冷轧280450450 20（80min） 冲压硬化1 1001501 45015093（5 ） （b） （a） 图3 热冲压成形的工装 AT&M FIELD OF VISION AT & M 视 界 汽 车 工 艺 与 材 料 AT&M2010年第4期12 2.4 国内热成形技术的应用状况 a.国内汽车钢板的主要供应商（如

8、宝钢）对热成形 技术非常重视，已经开展了热成形高强度汽车板的研 究，并成功开发出商品化热成形用高强度硼合金钢板， 这无疑会推动热成形技术与装备在我国的发展和应用。 b.目前，国内仅有一两家公司用高昂价格从国外 引入生产线，用于速腾、迈腾、宝来、奥迪等几款轿 车的A柱、B柱、前后保险杠等冲压件的生产。 c.一汽、二汽、奇瑞、长安、吉利等汽车公司 图4 冷冲压成形的工装 图5 热成形件在车身上的分布 正在迫切寻求用该项技术来提高汽车的轻量化及安 全性。 d.08雅阁车型在C-NCAP中得到5+的高分，其 中一个主要原因就是将高强度钢板的用量从13%提高 到48%，并且其中的关键部件如车门防撞杆等均

9、采用 热成形技术。 3 奇瑞公司在热成形冲压件上的研究 与探索 3.1 热成形技术在车身结构上的应用 采用热成形技术可极大提高车身整体结构的刚度 和强度，大幅度提高整车碰撞安全性能与NVH性能； 大量运用该技术可有效减轻整车的质量，提高整车的 经济性能。根据车身结构强度的要求，车身以下部位 推荐使用热成形件，如图5。 3.2 热成形技术在某新车型B柱上的应用 （1）性能分析 a.本新车型通过采用热成形工艺得到超高强度 的车身零件。表2为采用不同工艺冲压后零件的性能 对比。 b.改善冲压成形性，控制回弹，提高零件尺寸精度。 表2 采用不同工艺冲压后零件的性能对比 类型材料屈服强度/MPa抗拉强度

10、/MPa伸长率/% 冷冲压B340/590DP（1.5 mm）340500590 18 热成形BTR165（1.8 mm）1 1001501 45015093 AT & M 视 界 2010年第4期 13 汽 车 工 艺 与 材 料 AT&M AT&M FIELD OF VISION 碰效果及减轻质量分析如表5。 a.热成形方案B柱采用1.8 mm料厚。 能使B柱部分单边减轻质量0.9 kg，实现整车减 轻质量1.8 kg。 b.热成形方案B柱采用1.5 mm料厚。 能使B柱部分单边减轻质量1.9 kg，实现整车减轻质量3.8 kg。 c.如果焊装能购置一台中频凸焊 机，就不需要B柱上下铰链加

11、强板， 则能在上面2个减轻质量方案的基础 上，再减2.4 kg。 说明：若要通过欧美的碰撞法规， 采用热成形方案的话，初步判断B柱料厚需 采用1.8 mm以上的，1.5 mm只能满足C-NCAP的需求。 在某车型试制过程中，由于B柱加强板上、下铰 链安装面精度差，与侧围外板组合焊接时，与侧围外 板之间存在间隙，造成侧围外板上下铰链安装面扭 曲，匹配困难，如图6。 B柱加强板采用热成形方案能有效解决这个 问题。 c.提高车身安全性（侧碰性能） 参照CAE侧碰（C-NCAP）分析报告，采用热成 形方案使B柱变形模式改善，中部没有明显折弯，门 图6 侧围外板上、下铰链安装面扭曲 槛侵入有所减少。此次

12、CAE报告中，所用热成形材料 的厚度为1.5 mm，且没有B柱下铰链加强板。 目前，BXX车型B柱采用的是热成形技术，具体 方案与图5热成形方案类似，不过料厚为2.0 mm。 侧碰经CAE分析，模拟通过IIHS法规，结果为第二等 级，在可接受的范围内。 第四轮将根据新的数据进行CAE分析。 (2)成本分析 表3为参照前期车型B柱加强板不同工艺下的模 具费用统计分析。模具为国内制作，后期存在单件精 度差的问题。新车型若采用冷冲压方案的话，为提高 单件精度，模具将在日本制作，同时模具成本也将增 加1.21.5倍。 从表3看出，B柱加强板采用热成形技术将使整 车成本增加57.2元。 表3 参照前期车

13、型B柱加强板不同工艺下的模具费用统计分析 类型厂家 单价 /元 模具费 /万元 详细费用分析 （按单件价格换算成分摊模式）/元 模具费支付 形式 公司能力 及产品质量稳定性 热成形本特勒132450.0146.5一次性支付 稳定，为国内外多 家大型汽车厂家供 应热成形件 冷冲压成形 国内某 模具厂 110787.5117.9 (3)质量分析 图7为冷冲压和热成形方案下B柱单件示例。表4 为参照前期车型B柱单件分别在冷冲压和热成形工艺 下的质量分析。 （4）热成形方案中，B柱采用不同料厚时的侧 备注：按单边计算，采用热成形技术成本比冷冲压成形多28.6元。 图7 冷冲压和热成形方案下B柱单件示例

14、 （a）冷冲压方案 （b）热成形方案 AT&M FIELD OF VISION AT & M 视 界 汽 车 工 艺 与 材 料 AT&M2010年第4期14 表4 参照前期车型B柱单件的质量分析 单件 冷冲压方案：总质量10.44 kg热成形方案：总质量9.54 kg / 8.55 kg 材料料厚/mm质量/kg材料料厚/mm质量/kg B柱加强板B340/590DP1.54.96 BTR1651.85.95 BTR1651.54.96 B柱内板加强板B340LA1.52.69 B柱上铰链加强板B340/590DP1.50.81 B柱下铰链加强板B340LA1.20.38 B柱安全带加强板B

15、340LA1.50.17 B柱内板B340/590DP1.52.79B340/590DP1.22.23 公司BXX车型为2.0 mm料厚，上海大众斯柯达- 明锐为1.8 mm料厚。 （5）方案可行性 由上述分析看出，B柱采用热成形方案对侧碰有 改善效果，且能减轻整车质量；热成形样片与冷冲压 件的焊接经过验证也可行，只是采用热成形方案单件 费用略有上涨，总体方案是可行的。 表5 不同料厚时的侧碰效果及减轻质量分析 柱热成形方案CAE分析侧碰效果减轻质量/kg 1.5 mm+ 上、下铰链加强板 一般3.8 1.8 mm+ 上、下铰链加强板 待分析1.8 1.5 mm不好6.2 1.8 mm待分析4

16、.2 AT &M （上接第5页） c.配以合适的热处理方式，可使板料发挥其最佳 的性能，为汽车提供高质量的零部件。 奇瑞公司应用热冲压成形技术的实例如图4。 目前，热冲压成形技术在国内还仅仅是一个刚开 始研究的领域。由于这是一个塑性变形和材料组织变 化同时产生的工艺，因此塑性加工技术人员和材料开 发技术人员必须比以往的冷加工成形研究更加密切协 作。加热冷却技术必须结合零部件的结构设计进行深 入研究，以便可以实现零部件不同部位到达预期强度 的要求；热成形件耐蚀性和焊接性也因其制造工艺有 一定的限制，必须进行深入研究。 图4 奇瑞公司应用热冲压成形技术的实例 (a)某车型侧门防撞梁 (b)某车型B柱加强板 4.3 热冲压成形技术应用遇到的问题 a.在热冲压成形加工过程中，材料的性能随温度 变化而变化，因此必须获得不同温度下的应力应变曲 线以及不同温度下材料参数，才能保证热