超高强度钢热冲压成形研究进展_下_马鸣图

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1、前 沿 FRONTIER 新材料产业 NO.10 201565 超高强度钢热冲压成形 研究进展 （下） 文 / 马鸣图 1 张宜生2 宋磊峰1 吴娥梅3 王义林2 路洪洲4 1. 中国汽车工程研究院股份有限公司 2. 华中科技大学，材料成形与模具技术国家重点实验室 3. 重庆新材料工程中心 4. 中信微合金化技术中心 / 中信金属有限公司 （上接第9期） 四、热冲压成形零件的后续加工 1. 零件的激光切割技术 激光切割是热冲压成形零件最后 加工成形的工艺技术， 激光切割的工 艺参数将影响切割面的质量和加工精 度， 切割加工面临靠近热影响区的组 织， 激光切割输入能量的大小还会影 响到切割面附近

2、的工件的变形， 因此 应对激光切割技术和装备应进行合理 的制定和选择。 文献33曾对相硬化 零件激光切割的周期性条纹和显微组 织进行模拟， 计算了激光切割时的横 截面的温度场， 表面形貌以及相关的 影响因素。 图6示出了3种类型的数字 表面预测形貌， 根据预测和试验结果， 对激光切割工艺参数的制定提出了建 议。 文献34曾进行了3D光纤激光切 割机器人对热冲压成形门防撞杆的切 割加工工艺的优化研究,在激光切割 中通过引入摄影测量技术， 得到了尚 未切割的3D模型， 从而推出了离线程 序的创新方法， 通过事先避免交界面 干涉， 选择合适的介入点， 调整法向常 数和合适的工艺参数， 改进了切割质

3、量和切割效率。 2. 不同的加热技术 目前热冲压成形的加热方式主要 有辊道式炉子加热， 多层箱式炉加热。 为了提高生产率， 进行了直接通电加 热和感应加热的研究35。 结果表明， 虽 然通电加热可以提高加热效率， 但是 对不同形貌的构件要保证其温度均匀 性， 尚有难度 ； 感应加热也需要考虑 不同形状板坯加热的困难。 就目前来 讲， 通电加热和感应加热的应用还受 到限制， 重庆新材料工程中心曾对镀 锌板和铝硅镀层板进行了直接通电加 热和感应加热试验， 发现2种加热方 式对镀层板的质量和镀层微裂纹产生 都有明显的不良影响。 因此关于这方 面的技术尚需进一步探讨。 3. 热冲压超高强度板的点焊技术

4、 文献36对连接技术电阻点 焊进行了研究， 所用试样为1 500MPa 的热冲压成形钢， 板厚是1.8mm,研究 了焊接电流、 焊接时间、 电极压力对最 大剪切力的影响以及对熔核直径的影 响， 有关试验结果见图7。 目前正在探 讨点焊冲击状态下的失效模式和焊核 直径、 板材厚度、 冲击功之间的关系。 10.indd 652015/10/12 9:24:51 前 沿 FRONTIER Advanced Materials Industry 66 4. 热冲压成形质量的检测和构件 功能的检测 对热成形零件应进行力学性能、 显微组织、 尺寸精度、 刚度及动态性 能检测， 文献37曾基于磁性巴克豪 森

5、噪声法 （Magnetic Barkhausen Noise， MBN） 开发了热冲压成形零件 硬度的非破坏检测装置， 为热冲压成 形零件的质量快速检测提供了有前景 的检测手段。 热冲压成形零件多用于 汽车的安全件， 它又是轻量化的零件， 因此必须进行刚度和碰撞吸能等方面 的检测。 五、热冲压成形的模具设计和 制造 热冲压成形模具设计和制造是热 冲压成形的关键技术之一， 和冷冲压 模具不同， 冷冲压模具只是冲压成形问 图 6 3 种数字预测表面形貌 (400 W；1.8 m/min；0.6MPa) 35 30 25 20 15 10 5 0 35 30 25 20 15 10 30 28 26

6、 24 22 20 18 16 4 6 8 10 120.1 0.3 0.5 0.7 0.9 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 电流/kA 时间/s 时间/s 电极压力/kN 电极压力/kN 交界面断裂 交界面断裂 交界面断裂 交界面断裂 交界面断裂 交界面断裂 交界面断裂 交界面断裂 交界面断裂 dc dc dc 交界面断裂 纽扣拔出 纽扣拔出 纽扣拔出 纽扣拔出 纽扣拔出 纽扣拔出 最大剪切力/kN 最大剪切力/kN 熔核直径/mm 熔核直径/mm 熔核直径/mm 最大剪切力/kN (a) 焊接电流、 焊接时间、 电极压力对最大剪切力的影响 (b) 焊接电流、 焊接时间、 电极压力

7、对熔核直径的影响 6.0 5.5 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 6.0 5.5 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 6.0 5.8 5.6 5.4 5.2 5.0 4.8 4.6 4.4 4 6 8 10 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0.1 0.3 0.5 0.7 0.9 电流/kA 图 7 焊接工艺参数对热冲压成形钢最大剪切力和焊核直径的影响 =90=60圆弧面 题， 而热冲压模具不仅要在热状态下进 行成形， 而且还要经过成形后的零件 能够淬火使其成为超高强度的构件。 在 冲压成形过程中， 模具应具有高的耐磨 性、 耐热性、 热疲劳性能和高的导热性。

8、 设计热冲压成形模具首先应进行 模面设计， 并根据零件形状和成形性 模拟的要求， 对模面进行修改和完善。 由于冲压零件在高温状态， 故模具材 料要求高的耐热性。 在冲压成形完成 之后， 零件应在模具中进行淬火， 故为 使模具具有强的冷却能力， 以保证连 续热冲压时温度不能升高， 模具中应 该通有水道冷却。 水道的设计、 加工都 是难点。 为保证水道的分布合理， 必须 对水道和冷却系统进行计算机模拟， 10.indd 662015/10/12 9:24:51 前 沿 FRONTIER 新材料产业 NO.10 201567 以控制水的流速、 水的流量、 水的温 度。 模具的设计和制造涉及到材料学、

9、 金相学、 传热学、 流体力学等多学科知 识的集成。 六、热冲压成形装备 热冲压成形从 2000年以后开始 在中国发展， 这一技术在中国应用的 伊始， 其生产线的装备多半从国外引 进。 2010年以后， 中国的高校如华中科 技大学建立了自主的热冲压成形的试 验线， 该线采用箱式炉加热， 机器人传 递工件， 电伺服压机作为热成形冲压 设备， 同时哈尔滨工业大学威海分校、 东北大学与山东大王金泰集团有限公 司合作建立了一条以辊道式炉子为加 热装置， 机械手传递工件， 快速油压机 做热冲压设备的小批试产线， 进行了 试运行。 其压机、 炉子以及工件传递的 可靠性和匹配、 寿命有待进一步的试 验。 大

10、连理工大学和合肥锻压机床股 份有限公司结合工业信息化部的04 专项试制了高速液压机， 并建立了一 条热冲压生产线。 该生产线采用旋转 式加热炉， 机器人上料， 目前也在试验 中。 中国汽车工程研究院股份有限公 司 （简称 “中汽院” ） 、 华中科技大学和 湖北永喆热冲压零部件有限公司， 在 引进线中采纳了多层箱式炉的加热方 法， 采用快速机械手传递工件， 快速液 压机进行热冲压 ； 该线的加热炉由3 个模块， 每个模块7层加热炉组成， 年 生产量可达100万冲次以上， 目前运 行良好。 华中科技大学和中汽院等基于原 来对压机和自动化的研发成果， 和东 莞豪斯特热冲压技术有限公司合作， 新建了

11、一条具有自主知识产权的热冲 压成形生产线， 该生产线具有高效节 能、 柔性智能的特点， 并首次采用电伺 服压机， 具有良好的节能减排效果， 动 作的精度、 准确性比液压机高。 所采用 的加热炉为多层箱式炉， 其制造工艺 水平和结构优于国外的先进水平 ； 工 件传递采用快速机械手， 在多次进行 计算机模拟和修改机械手结构的基础 上， 优化了设计， 保证了工件传递的稳 定性和准确性。 这条生产线具有节能 减排的特点， 同时各种性能水平代表 了目前热冲压成形的趋势和我国自主 研发的生产设备的水平， 具有占地面 积小、 投资小、 性价比高的特点， 有广 阔的推广应用前景。 文献38也报道 了用机械伺服

12、压机， 改进热冲压成形 时的生产率和能源消耗。 七、热冲压成形的应用 2008-2010年之间， 国外大约有 110条热冲压生产线， 主要分布在美 国、 德国、 日本、 以及法国、 西班牙、 瑞 典等国家。 中国仅5条生产线， 分别是 长春本特勒 （BENTLER） 、 上海昆山 海斯坦普 （GESTAMP） ， 上海本特勒、 上海嘉定卡斯马 （COSMA） 及上海宝 钢集团公司热冲压零部件有限公司。 热冲压生产线大多由瑞典APT公司 及德国舒乐 （Shuler） 公司提供， 2家公 司几乎垄断了全球所有的热冲压成形 生产线市场。 随着热冲压成形技术的 不断发展， 国内热冲压生产线的数量 也不

13、断上升， 主要分布在东北、 华北和 华东地区。 除此之外西南、 东南、 华中 等地区也有热成形生产线建设计划， 2015年， 中国将有超过40条热冲压成 形生产线， 主要分布在中国的东北、 华 北、 华东、 华中及东南等地。 随着中国 汽车工业对轻量化认识的深入， 中国 油耗和安全法规的提升， 人们对轻量化 的兴趣进一步提升， 计划投资建设的热 冲压成形生产线还有10余条。 全世界热 冲压成形生产线的总数已超过180条， 欧洲2013年汽车产量将近1 000万辆， 具有60条热冲压成形生产线， 而中国 2014年汽车产量为2 372万辆。 以此推 算， 热冲压成形生产线还有很大的发 展空间。

14、八、热冲压成形的认识和热点 问题 1. 关于热冲压成形的认识 在中国， 对热冲压成形的认识有 2种倾向。 一种认为热冲压成形工艺很 简单， 就是把板材烧红， 然后在模具中 热冲压成形即可。 正是基于这种认识， 不少企业盲目上了一些简单或改造的 生产线， 无法满足热冲压成形严格的 工艺要求， 难以保证产品的质量和性 能的一致性， 这种局面需要改进。 另一 种认识是热冲压成形装备、 材料、 工 艺、 检测、 评价等具有技术含量高、 难 度大， 在目前条件下中国企业尚难以 解决相关技术问题， 因此相关装备和 技术必须引进国外， 盲目崇拜国外， 导 致多条生产线重复引进。 由于生产线 的引进价格较高，

15、 包括今后的维修、 配 件成本都很高， 因此， 生产成本偏高导 致企业负担很重， 难以拿出性价比高 的热冲压成形零件使企业缺乏竞争能 力， 再加上国外的公司有意在配套的 关系建立中以引进装备为条件， 影响 了热冲压成形设备的国产化和热冲压 成形技术的发展。 以上2种认识都比较片面， 需要 深度讨论。 应该说， 热冲压成形技术、 材料、 装备、 工艺在国外发展多年， 有 了较多的积累， 综合技术和配套水平 已确实处在较高水平， 但这一技术绝 非高不可攀。 通过国内产学研联合攻 关， 我国在热冲压成形相关的技术和 装备中的有关问题是完全有能力解 10.indd 672015/10/12 9:24:

16、51 前 沿 FRONTIER Advanced Materials Industry 68 决的， 只要组织好国内顶级团队， 将国 内高水平的设备制造厂家、 自动化装 备的厂家、 模具生产厂家、 以及从事材 料开发和工艺技术研发的高校、 科研 单位， 组织起来联合攻关， 一定会开发 出具有自主知识产权的节能减排、 高 性价比的热冲压成形的装备和相关技 术， 提高我国热冲压成形零部件的配 套水平和竞争能力。 东莞豪斯特的生 产线， 已经展示了这样一种趋势。 2. 关于热冲压成形的热点问题 （1）热冲压成形的钢板材料 热冲压成形的钢板材料需要注意 以下问题 ： 加大工艺窗口， 为工艺的 实施和性能的稳定性创造条件 ； 提高 表面抗氧化性， 在无氮气保护和无涂 层的情况下使冲压成形零件的表面质 量满足设定的要求 ； 提高热冲压成形 用钢材的性价比 ； 在高强度下改善钢 材的强韧性和零件的延迟断裂性能。 （2）热冲压成形的工艺技术 热冲压成形的工艺技术需要注意 以