钢板热冲压新技术关键装备和核心技术1

钢板热冲压新技术关键装备和核心技术

徐伟力1,管曙荣2,艾　健1,罗爱辉1

(1.宝山钢铁股份有限公司,上海　201900;2.宝钢金属有限公司,上海　200120)

摘要: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,在保压阶段通过模具实现淬火并达到所需冷却速度,从而得到组织为马氏体,强度在1500MPa左右的超高强度零件的新型成形技术。对钢板热冲压新技术的关键装备、核心技术和优缺点做了系统介绍,并指出了其使用现状和前景。

关键词:热冲压;冷却;淬火

0　前言

随着国家汽车正碰、侧碰、排放等强制法规的相继推出,汽车车身钢铁用材正面临日益严峻的挑战,采用先进高强钢,如DP钢、T R I P钢、高扩孔钢等也无可争议地成为汽车用材的主流趋势。通过车身零件减薄和高强的合理匹配,不仅可以有效减轻车身重量,降低油耗,而且可以确保和提高车型的安全性和舒适性。但对冲压成形工艺而言,减薄和高强是恶化成形性的双重因素,不仅使得车身零件在成形过程中容易开裂,而且容易产生过量回弹,影响车身后续的装配。另外,减薄和高强对车身零件本身的使用性能,特别是刚度特性会产生不利影响。对于强度超过1000MPa的高强钢,传统冲压工艺往往是束手无策。一种新型的成形工艺,特殊高强度钢板的热冲压技术应运而生。钢板热冲压是另一种获得超高强度冲压件的有效途径,是最近二十多年发展和应用起来的一种新技术。这种新技术最先由瑞典的Hard Tech公司于20世纪80年代提出,经过二十多年的发展,成功实现产业化批量应用。这种钢板热冲压新技术和传统意义上的热冲压技术的本质区别在于其不是通过空冷,而是通过布置冷却回路,并通冷却水的模具对零件实现快速淬火冷却,然后得到1500MPa左右甚至更高强度的冲压件。这种超高强度的冲压件,无论是冷冲压工艺,还是传统意义上的热冲压工艺,都无法实现。在传统热冲压领域,无论是装备还是核心技术方面,公开发表的文章相对较多,国内也有较多文献报道[1-3]。而在钢板热冲压新技术领域,公开发表的研究成果则相对较少。欧洲的P Ravier,L G A randa,Y Chastel等对热冲压过程的材料热力耦合本构关系、材料特性参数、模拟件试制进行了研究[4-5]。在国内,宝钢研究院对热冲压过程热力耦合仿真分析、热冲压材料本构关系及特性参数、热冲压零件可制造性分析等内容进行了比较系统的研究。哈尔滨工业大学、同济大学、上海交通大学、北京航空航天大学等也有相关研究或研究计划。但由于钢板热冲压新技术基本上处于技术封锁和垄断状态,国内很少有人、有机会接触到工业化的热冲压产线,对这个新技术,特别是关键装备和核心技术了解不多。为此,本文结合国内第三条(至今为止也只有三条)热冲压产线,对这个新技术的关键装备、核心技术和优缺点进行了系统、全面的介绍,并指出了该技术的使用现状和应用前景。

1　钢板热冲压新技术的关键装备

钢板热冲压新技术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,快速冲压,在压机保压状态下通过模具(而不是空气)对零件进行淬火冷却(并要保证一定的冷却速度),最后获得超高强度冲压件(组织为马氏体,强度在1500MPa左右甚至更高)的新型成形工艺。钢板热冲压新技术的技术特征,决定了其有别于冷冲压甚至传统意义上热冲压的装备。

1.1　热冲压用钢板

热冲压需要一种特殊的高强钢,这种钢初始抗拉强度在400～600MPa左右,奥氏体化以后通过快速淬火处理,可以得到马氏体组织,其强度能达到1500MPa左右,甚至更高。目前安塞乐米塔尔能批量生产带A l-Si镀层的热冲压用钢板USI B OR1500,这种钢板在热冲压过程中不会产生氧化皮。另外,西欧、北欧、日本、韩国的钢厂也能

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批量生产热冲压用钢。国内,宝钢于2006年成功开发了不带镀层的热冲压用钢(冷轧B1500HS,热轧BR1500HS)并实现批量供货,宝钢也是目前国内唯一的热冲压用钢供应商。

1.2　加热炉

钢板热冲压新技术需要对钢板进行加热,为了避免钢板表面在加热过程中产生氧化皮,炉子需要通保护气体。为了实现在给定生产节奏下的连续自动化生产,炉子必须具备自动化进料和出料功能,必须有足够的加热功率,以实现在设定时间内使炉子里的钢板完全奥氏体化,必须保证出炉以后的钢板具有足够的定位精度。另外,炉子必须配备应急发电机,并在控制系统上确保意外断电后的自动启动功能,以保护炉子内的陶瓷辊。目前,全球范围内的数十条钢板热冲压产线,其加热炉全部由欧洲供应商提供,国内至今还没有成熟、可靠的产品。

1.3　上料装置

对于连续自动化冷冲压生产而言,可以采用机器人带吸盘的方式,抓取钢板,并将钢板放置于模具上。对于连续热冲压而言,由于出炉后的钢板处于高温状态,无法采用吸盘,其上料装置只能采用针对特定毛坯形状设计的夹持器,并依靠机器人或机械手的动作,将高温状态的钢板送到模具上。夹持器的设计必须考虑钢板在高温状态下的膨胀效应,同时既要考虑平稳地抓取钢板,又要尽可能地减小夹持点处钢板的局部温降。为了尽量减少钢板表面的氧化皮,并减小钢板热冲压之前的温降,上料时间必须尽可能地短,采用高速机械手是最佳的选择。目前国内既无成功设计热冲压上料夹持器的经验,也无钢板热冲压上料所需的快速机器人或机械手的供应商。

1.4　压机

钢板热冲压压机要具备快速合模冲压并保压的功能。显然,目前用于冷冲压的压机不能完全适用于钢板热冲压工艺,因为传统的液压机不具备快速合模、冲压的功能,而传统的机械压力机又不具备保压功能。由于钢板热冲压压机要兼顾传统液压机和机械压力机的优点,因此需要量身定做。目前全球范围内近百条钢板热冲压产线中的压机是由2-3家欧洲供应商提供的。

1.5　下料装置

对于连续自动化冷冲压生产而言,可以采用机器人带吸盘的方式,抓取冲压以后的零件,并放置于平台或料箱。对于钢板连续热冲压而言,由于保压淬火后的零件尚有200℃左右的温度,无法采用吸盘,只能采用针对特定零件设计的夹持器,并依靠机器人或机械手的动作,将热态的零件放到输送平台或料箱。目前国内既无成功设计热冲压下料夹持器的经验,也无钢板热冲压下料所需的快速机器人或机械手的供应商。

1.6　切边和冲孔

对于冷冲压而言,可以在压机上利用模具来批量进行切边、冲孔处理。但对于钢板热冲压而言,由于零件强度非常高,因此经常采用激光切割的办法进行切边、冲孔。国外企业也在采用大吨位压机和特殊材料制作的模具来批量进行切边、冲孔,但国内没有这方面的技术和经验积累。

2　钢板热冲压的核心技术

2.1　零件外形和工序设计

采用冷冲压工艺的零件,其外形设计自由度相对较大,并可以通过3-6个工序来成形所需外形、尺寸的零件。钢板热冲压原则上只能一道冲压成形,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、成形难度很大的中通道类零件,可以先采用冷冲压进行预成形,然后再进行热冲压,但设备投资和零件价格会相对较高。

2.2　热冲压模具

和冷冲压模具及传统意义上的热冲压模具不同,钢板热冲压新技术所需的模具具有其特殊性,核心技术体现在:

(1)由于车身冲压件装配精度要求较高,模具型面设计时需要考虑钢板的热胀冷缩效应,并采取有效补偿方案,同时,模具型面不能设计冷冲压模具中常用的拉深筋;

(2)模具内部冷却回路的设计(包括冷却孔径的大小、冷却孔的间距和布置方式、冷却孔中心离模具型面的距离、冷却水的流动方式等);

(3)基于加工工艺性,特别是钻孔工艺性的模具分块及其精密装配技术;

(4)模具冷却水泄漏的有效解决方案。

目前,全球范围内能成功设计、制造钢板热冲压模具的厂家不超过20家,而且实行严格的技术保护和封锁。国内能够接触到这类模具内部结构的人极少,至今不具备这类模具的设计能力。目前国内仅有的3条钢板热冲压产线所使用的热冲压模具全部从国外进口,价格昂贵。

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2009年第2期

2.3　毛坯定位

对冷冲压而言,常常采用定位销对毛坯进行定位。对热冲压来说,热态毛坯在重力作用下的变形挠度很大。为了最大限度地避免毛坯在冲压之前过早地和模具表面接触,以减小温降,提高热冲压成形性,需要设计专门的支撑机构来支撑毛坯。2.4　钢板热冲压CAE 分析

钢板热冲压新技术领域的CAE 分析可以拆分为热冲压过程分析(预测零件的热冲压可制造性)、保压淬火过程分析(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)。目前,在这一领域,各厂家也分别以企业技术秘密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。在冲压过程的CAE 分析中,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,这些参数和冷冲压状况是完全不同的。近几年来,宝钢通过大量的试验工作,在钢板热冲压零件可制造性方面取得了一定的突破,已能满足一定的工业需要。图1是宝钢对国内某车型的B 柱加强板开展热冲压可制造性分析的结果,

图2是该零件试冲结果。可以看出,宝钢开展的

热冲压可制造性分析能够成功预测零件的热冲压

成形缺陷,对优化、改进零件外形及其热冲压模具型面具有重要作用。

至于保压淬火过程的CAE 分析,更是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由奥氏体向马氏体的转变,以及由此带来的零件力学性能的突变。要提高保压淬火的CAE 分析精度,首先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,然后才是复杂的热力耦合分析,预测零件的组织和力学性能。

至于回弹CAE 分析,对于整个冲压界而言,都是没有妥善解决的世界性难题。每届的国际NUM I SHEET 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。对于热冲压而言,由于前面的热冲压过程分析和保压淬火过程分析的复杂性,因此最后阶段高精度的回弹分析显得尤其困难。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,这无形之中也增加了钢板热冲压零件的制造成本。2.5　热冲压工艺的优化设计

热冲压零件的影响因素众多,毛坯形状、加热温度、炉内保温时间、钢板开始冲压的温度、冲压速度、保压时间、冷却速度等因素都会对零件热冲压的成形性和成形质量产生直接影响。宝钢联合国内高校,以模拟件为例,初步揭示了这些因素的影响规律。在此基础上,宝钢将在热冲压产线平台上,开展上述因素对实际车身零件热冲压成形质量的影响的研究。3　热冲压的优缺点分析

和冷冲压相比,热冲压具有明显的技术优势,主要表现在以下几个方面:

(1)可以得到超高强度的车身零件,从而减小零件厚度,减少车身加强板数量,提高车身的碰撞性能,实现车身的有效减重;

(2)成形性相对较好;

(3)冲压所需的设备吨位较小,一般而言,800t 的高速液压机就能满足大部分车身零件热冲压需要;

(4)尺寸精度好。

图3是热冲压用钢BR1500HS 在相同工艺条

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世　界　钢　铁

件下冷冲压件和热冲压件的外形对比。热冲压件的强度在1500MPa 左右却几乎没有回弹,这在钢板热冲压新技术发明应用之前是不可想象的。而冷冲压件的强度只有600MPa 左右,却有明显回弹。

(1)零件表面硬度、抗凹性和刚度特性好;(2)零件外形设计可以简化

。

图3　热冲压件和冷冲压件成形精度比较

当然,热冲压技术也有自身的缺点,主要是:

(1);

(2)由于热冲压模具价格较高,能耗相对较大,后续又要采用激光切割,所以热冲压零件的制造成本较高,这就需要在新车型或改进车型设计时优化考虑,通过减小零件厚度或减少加强板数量的方式,来控制白车身的综合制造成本;

(3)采用非镀层钢板进行热冲压时,工作环境相对恶劣;

(4)热冲压产线的固定投资较大;

(5)作为一个新兴的技术,热冲压领域公开发表的成果较少,存在技术封锁和垄断。4　钢板热冲压使用现状及其前景

热冲压作为一个新兴的成形技术,作为冲压

零件高强化的另一有效途径,在汽车领域具有广阔的应用前景。目前,国外越来越多的车型,包括经济型小车采用热冲压零件;国内从欧美引进的车型也广泛采用钢板热冲压零件。适用于热冲压的典型车身零件主要有前、后门左右防撞杆(梁)、前、后保险杠、A 柱加强板、B 柱加强板、C 柱加强板、地板中通道、车顶加强梁等。图4是典型的适用于热冲压工艺的车身B 柱加强板。

但总体而言,国内车型(

特别是自主品牌车

图4　适合于热冲压工艺的车身B 柱加强板

型)的碰撞性能,尤其是侧碰性能普遍欠佳,而合

理采用热冲压零件,既能显著提高车身的碰撞性能并减轻车身重量,又能有效控制车身的综合制造成本。国内一些自主品牌汽车厂已以战略性的眼光来看待热冲压新技术,并大胆在其新车型或改进车型中加以采用,并取得了非常显著的效果。国内某款车型,A ,B 加强板采用热冲压零件以后,其N -NCAP (国外碰撞测试)从一星级一跃上升至三星级。可以预测,钢板热冲压新技术将在汽车领域得到越来越广泛的应用,其相关装备和核心技术的研究也将成为冲压界新的研究热点。

另外,钢板热冲压新技术在农业、矿山机械领域也有广泛的应用前景,可以显著提高相关器具的强度、硬度和耐磨性。

参考文献

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