车身“热冲压”技术为什么这么火?

作者:石玉磬 裴华军 马国礼 崔礼春,安徽江淮汽车股份有限公司 文章来源:AI《汽车制造业》 发布时间:2015-09-14
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随着社会飞速发展,机动车数量猛增,而道路建设发展速度和安全系数并没有与之匹配,使得道路发生事故的概率骤然上升,这对汽车安全性提出了更高的要求。此外,汽车所用燃料约60%消耗于汽车自重,汽车每减重10%,油耗将减少8%,CO2排放量也将降低5%~6%,为了保护环境,减少燃油消耗和CO2排放量,汽车轻量化势在必行。

为同时满足安全性和轻量化方面的要求,超高强度钢成为汽车车身结构件用材的主流选择。但在传统冷冲压过程中,由于超高强度钢存在加工成形载荷要求高、成形性差(易开裂或产生翘曲等)以及成形精度差(回弹难以控制,易产生各种表面缺陷)等瓶颈,热冲压技术应运而生,它主要是指一种将钢板在高温奥氏体区冲压成形、淬火强化后转化为高强度马氏体的技术。

目前,热冲压技术已在提高车身部件强度方面得以实际应用,但其核心技术例如镀层热冲压钢板、热冲压设备制造等,基本上处于被外资企业技术封锁和垄断的状态。本文结合江淮汽车对热冲压件的实际应用,对该新技术工艺及核心装备进行了系统、全面的介绍。

 

热冲压工艺基本原理

热冲压工艺流程如图1所示,首先把常温下抗拉强度为400~600MPa的钢板加热到奥氏体温度Ac3(通常为950℃),使之均匀奥氏体化,然后快速送入模具内冲压成形,保压并通过模具水冷实现淬火强化,使之转化为均匀马氏体组织,抗拉强度可大幅度提升至1500MPa。

如上所述,钢板热冲压原则上只能一道冲压成形,对于一些冲压深度很深或难以在一道工序成形的工件,可以先预成形后再热冲压,但工序和设备投资也会相应增加。本文在此只讨论一般意义上的非预成形的热冲压工艺。

图1  热冲压工艺流程

 

对热冲压工艺流程中温度变化分析如下:

1.加热过程

含碳板料在步进炉中加热时,随着温度达到Ac1点,板料将进入不稳定状态,奥氏体开始形成;温度在Ac1点向Ac3点上升过程中,板料中铁素体和奥氏体共存转化,冷却后可达到的硬度也随之上升;一旦温度超过Ac3点,板料结构将完全转变成奥氏体单相,急冷后硬度可达到最高,此时加热温度即使再升高,也不会对急冷后硬度产生影响。在实际操作中,最终加热保持温度一般略高于Ac3点,以便保证在保压急冷操作前,板料结构、急冷后可达到的硬度不会发生大的改变。加热温度对冷却后硬度的影响如图2所示。

图2  加热温度对冷却后硬度的影响

 

2.冷却过程

全奥氏体化板料在保压降温工艺中,冲压成形板件从奥氏体单相状态开始急速冷却,形成马氏体。在此过程中,冷却的起始温度与冷却速度至关重要。

图3中,如(a)线所示,起始温度在Ac3点以上,此时以v1速度急冷将产生马氏体单相。如(b)线所示,先以v0速度缓慢降温,但只要在第二相(铁素体、珠光体和贝氏体)析出之前开始以v1速度急冷也会产生马氏体单相。(b)线所示的情况接近于热冲压时板料的实际状态,其中v0速度相当于加热钢板在输送过程中温度下降的速度,急冷开始温度相当于板料成形开始时的温度。v0速度越慢,第二相开始析出的温度越高,所以要想得到马氏体单相,急冷开始的温度是受限的。如(c)线所示,以v0速度缓慢冷却时,一旦错过急冷开始的温度下限,过程中即有第二相析出,此时即使急冷也不能得到马氏体单相。

图3  急冷开始温度产生的影响

 

热冲压设备

热冲压设备主要包括以下几种:

1.拆垛系统和打标站

主要用机器人进行钢板的拆垛,在工作台上进行双料检查,并打生产标记。

2.加热炉

加热炉是热冲压生产线的关键设备。钢板加热到奥氏体通常需300~360s,为与成形、保压阶段节拍匹配,国内多采用辊底式加热炉,需注意非镀层钢板加热时,为避免形成氧化皮,加热炉需维持保护气氛。国外先进热冲压生产线目前采用多层箱式加热炉,主要特征在于其内部设有多个隔热屏将炉内分割为多个加热室,每个加热室均设有气密性良好的炉口及炉门,并均设有放料轨道、进气管路,可分别控制加热。加热炉设有控制系统,用于控制炉门开合和机械手的短程往复精准送料。表1列出了辊底式加热炉和多层箱式加热炉的特征对比。

目前,加热炉制造技术国内尚未成熟,尤其是在高度自动化、炉内温度分布控制等方面有所欠缺。另外,为降低能耗,追寻更高效率的加热方式也是热冲压加热设备的开发重点。

表1  辊底式加热炉和多层箱式加热炉的特征对比

 

辊底式加热炉

多层箱式加热炉

占地面积

较小,空间利用率高

能耗

较小

加热效果

辊面可能结瘤,造成钢板表面缺陷

不会产生结瘤,并利于钢板均匀加热

维修

需停工等待维修

检修方便,无需停工,维护成本低

产业化情况

国内生产线多有应用

欧洲企业垄断

 

3.上下料装置

出炉后的钢板处于高温状态,无法使用冷冲压吸盘端拾器输送,只能采用针对板料特定形状尺寸设计的耐高温夹持装置。压机下料时的钢板经保压淬火后温度约为200℃,同样只能用特定设计的夹持装置。上下料均使用机械手,需具备高速性和平稳性,使温度损失尽量最低。夹持器上安装有气刀,可在冲压之前及时清理模具上的残存氧化皮。目前,国内生产线使用的夹持装置和高速机械手基本均为国外进口。

4.压力机

为避免局部温降过大以及有效提高成形质量,热冲压钢板需要快速合模、成形,并需要一定时间的保压。传统的液压机速度不够,机械压力机又实现不了保压,只有高速油压机或者伺服压力机可实现这一复杂的成形过程。目前,国内生产线的热冲压压力机基本均从欧洲进口,国内虽已进行了研究,但技术仍未成熟,在高速、密封性等细节方面仍有欠缺。作为热冲压核心设备,国际上对热冲压压力机的研究一直是热冲压方面的热点,同时滑块运动曲线的优化将是一个重要发展方向。

5.外部冷却系统

热冲压模具不但需要完成高温冲压成形,而且需在保压时对零件实现急冷淬火,冷却速度一般要求大于50℃/s,故模具内部设计有复杂的水冷系统。外部冷却系统为模具提供循环冷却水,进行降温。外部冷却系统需配备蓄水池与冷却回路,同时使用添加防锈剂的纯水进行循环,以防止杂质污染与氧化锈蚀回路,造成不必要的损伤。

6.切边和冲孔

由于热冲压件强度明显提高,若采取传统冷冲压的切边冲孔模式,国内压机和模具无法胜任,一般采用激光切割设备进行切边、冲孔。但是由于激光切割速度较慢,单件成本高,目前国际趋势正往少或无激光切割的方向发展。目前,某些外资企业采用特殊材料制成的模具,配合大吨位压机,批量进行切边、冲孔,有效降低了冲压件平均成本;国内一些公司也在进行这方面的研究和产业化实践。

7.喷丸和涂油

非镀层板热冲压零件表面易残存氧化皮,故需要喷丸处理,以得到所需的零件表面质量。实际应用中,优化喷丸大小、压强和速度等工艺参数,使氧化皮去除彻底是此项技术的核心要求,另外,为防止薄壁类零件产生过大的喷丸变形,在喷丸处理时应优化零件悬挂方式。同时喷丸处理后,应快速涂防锈油避免冲压件表面氧化锈蚀。

 

热冲压技术应用及发展前景

热冲压工艺应用于汽车车身关键部件的制造,大幅提高了车身强度,强化了整车的安全性能;同时正是由于其实现了高强度,板材厚度可适当降低,车身设计可趋于简化,从而可实现车身结构的系统优化。

基于汽车车身制造业的发展需求,在研究和产业化方面,国外各大材料及设备供应商如Arcelor、AP&T和Schuler等公司看好中国市场,积极寻求合作;国内部分厂家也已开始了热冲压工艺的研究与应用。目前,热冲压件已普遍应用于汽车制造业,如鸟笼式车身骨架中的关键部位(包括A柱、B柱和防撞梁等)可由高强度热冲压件打造,让车身在受到撞击时能抵抗外部的强大冲击力,尽量减少变形。

江淮汽车与国内外有技术攻坚能力的设备生产厂商、原材料供应商合作,在近几年开发的车型中均进行了热冲压件的设计应用。据统计,车身关键部位采用热冲压件,可有效降低单件重量达20%~30%,同时整车重量平均下降了3.74kg,车身碰撞试验性能也有了显著提高。表2以某身单侧某总成为例,进行了冷冲压和热冲压两种情况下该结构方案的对比。

表2  江淮汽车某车型车身单侧某总成结构方案对比

总成

零件

某总成

(单侧)

编号

冷冲压

热冲压

厚度/mm

材料

重量/kg

厚度/mm

材料

重量/kg

1

1.5

B410LA(激光拼焊)

2.777

1.2

B1500HS(合并)

2.222

2

1.0

1.304

1.2

1.565

3

1.2

DC01

0.112

1.2

DC01

0.112

4

1.0

B340LA

0.696

1.0

B210P1

0.275

5

1.5

B340LA

0.295

1.5

B210P1

0.296

6

1.5

B340LA

0.111

1.5

B340LA

0.111

减重

 

 

 

 

 

 

0.712

 

 

通过热冲压工艺,该总成共减重1.42kg,材料利用率提高了16%。通过板材费用、加工费用和模检具费用等多方面比较,热冲压单件费用(10万件公摊内)约比冷冲压高16.9元,热冲压单件费用(10万件公摊内扣除工装)约比冷冲压低34.3元。可见,在满足一定产量的前提下,热冲压工艺可有效降低生产成本。

在热冲压工艺中,国外企业对于整个工艺流程、关键设备和生产物料有着极强的话语权与技术封锁,而国内企业还处于研究摸索中。热冲压成形技术对于中国整车制造行业有着深远的影响,如何通过学习和借鉴掌握该技术,从而具备热冲压工装的开发能力,提高中国汽车制造在全球业界的话语权,成为亟待解决的问题。江淮汽车与多家企业合作,致力于掌握热冲压车身件设计与工艺实现的核心技术,同时积极进行正向研发,为尽早实现热冲压成形技术国产化、市场化不懈努力。

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