1、汽車技術汽車用高強度鋼熱成型技術高強度鋼的熱成型技術可解決傳統成型高強度鋼板在汽車車身制造中遇到的各種問題。 介紹了汽車用高強度鋼熱成型的加工工藝、加工關鍵技術、熱成型零件的檢測方法以 及國內外的研究現狀。以用于熱沖壓成型的高強度鋼一一硼鋼為例，對我國熱成型技術的應用情況及未來熱成型技術需要解決的問題進行了闡述。主題詞：高強度鋼板熱 成型硼鋼1汽車用熱成型高強度鋼長期以來，鋼鐵一直是汽車工業的基礎，雖然汽車 制造中鋁合金、鎂合金、塑料及復合材料的用量不斷增加，但高強度鋼以其具有的高 減重潛力、高碰撞吸收能、高疲勞強度、高成型性及低平面各向異性等優勢1,2,已經成為汽車工業輕量化的主要材料。21

2、世紀的汽車行業以降低燃料消耗、減少 CO2和廢氣排放成為社會的主要需求，為適應這種發展趨勢，鋼鐵業已開發出許多種類的高 強度鋼板來幫助減輕汽車質量，同時提高汽車的安全性。為兼顧輕量化與碰撞安全性 及高強度下沖壓件回彈與模具磨損等問題，熱成型高強度鋼及其成型工藝和應用技術應運而生。目前凡是達到 U-NCAP碰撞4星或5星級水平的乘用車型，其安全件（A/B/C柱、保險杠、防撞梁等）多數采用了抗拉強度為1 500 MPa、屈服強度為1200 MPa的熱成型高強度鋼。同時， 為解決高強度鋼冷成型中的裂紋和形狀凍結性不 良等問題，出現了熱沖壓成型材料，已用其進行了強度高達1 470 MPa級汽車部件的制

3、造。本文首先介紹高強度鋼熱成型加工工藝及其關鍵技術，然后分析了國內外熱成 型研究成果與現狀，最后對熱成型技術的應用發展進行了展望。2高強度鋼熱成型加工工藝2.1熱成型加工工藝2.1.1理論基礎與傳統的冷成型工藝相比，熱成型工藝的特點是在板料上存在一個不斷變化的溫度場。在溫度場的影響下，板料的基體組織和 力學性能發生變化，導致板料的應力場也發生變化，同時板料的應力場變化又反作用于溫度場，所以熱成型工藝就是板料內部溫度場與應力場共存且相互耦合的變化過程（見圖1）。這就要求熱成型用鋼板的成分要適應熱成型過程中的熱循環。圖 1應力 場、溫度場和金屬微觀組織的相互作用2.1.2加工工藝熱成型工藝過程為：

4、首先將常溫下強度為500600 MPa的硼合金鋼板加熱到 880950 C ,使之均勻奧氏體化， 然后送入內部帶有冷卻系統的模具內沖壓成型，最后快速冷卻，將奧氏體轉變為馬氏 體，使沖壓件得到硬化,大幅度提高強度。這個過程被稱為 沖壓硬化”技術3。實際 生產中，熱沖壓工藝又分為直接工藝和間接工藝，如圖2所示。直接工藝即下料后直接將鋼板加熱然后沖壓成型，主要用于形狀簡單且變形程度較小的工件；對于形狀復雜或拉深深度較大的工件則需要采用間接工藝（圖2b）,即先將下好料的鋼板進行預成型，然后再加熱實施熱沖壓。（a）直接工藝（b）間接工藝圖2熱成型工藝過程 示意2.2熱成型加工關鍵技術高強度鋼板的熱成型技

5、術的關鍵是用鋼選擇、鋼的表面 鍍層、模具設計及熱成型零件的檢測。2.2.1熱成型用鋼選擇目前，熱成型用鋼均選用 硼鋼，因微量的硼可有效提高鋼的淬透性，使零件在模具中以適當的冷卻速度獲得所需的馬氏體組織，從而保證零件的高強度水平4, 5。而且硼合金鋼板的強度可達到1 500MPa,是普通鋼板強度的 34倍，將其應用于汽車車身上不僅可直接減少料厚，減輕車身質量，還可提高車身的被動安全性。鋼板的熱成型性主要包括深沖成型性、 脹形成型性、延伸凸緣成型性及彎曲成型性等。通常深沖成型性取決于鋼板的r值；脹形成型性取決于鋼板的延性（均勻延伸性或加工硬化指數）；延伸凸緣成型性及彎 曲成型性則取決于鋼板的局部變

6、形能和顯微組織均勻性。硼在延伸凸緣成型性和彎曲成型性的顯微組織均勻化方面起到了重要作用，其中 22MnB5鋼的成型原理與此相符, 是典型的熱沖壓高強度鋼（成分見表1）,它利用微量的硼元素，通過熱成型后快速冷卻的方法獲得高的成型性和極高的強度（見圖3）。目前，熱成型 MnB鋼板在歐美和日本等主要汽車制造企業已經開始使用。表1 22MnB5鋼的化學成分圖3熱成型過程中22MnB5鋼的性能變化示意2.2.2熱成型用鋼的表面鍍層在熱成型過程中，鋼板在高溫下暴露于空氣中會引起表面氧化而形成氧化鐵皮，為不影響后續的涂裝工序，熱成型后的零件需要經過噴丸或酸洗去掉鋼板表面的氧化鐵皮，這無形中增加了生產 成本。

7、而且鋼板在氧化的同時也會引起鋼板表面的脫碳，進而影響鋼板的強度。止匕外， 隨著汽車零件耐腐蝕性能要求越來越高，表面進行鍍層處理的鋼板越來越受到人們的重視，一系列熱成型用鍍層鋼板被相繼開發出來。同常規的冷成型用鍍層鋼板不同， 熱沖壓用鋼板的鍍層需要具備抗高溫和耐腐蝕的特點。目前開發的用于熱成型的鍍層 板包括鍍Al板、鍍Al-Si合金板和鍍Zn板等。韓國POSCO鋼鐵公司正在開發納米鍍 層板，以提高鍍層的結合力，防止鍍層在加熱和成型淬火過程中剝落。C Si Mn CrB0.22 0.2 1.2 0.25 0.003 板材落料 機械手加熱爐模具冷卻系統轉移沖壓后處理與空氣 接觸氧化與空氣接觸氧化轉移

8、沖壓后處理加熱爐機械手板材落料/預成型/切邊模具冷卻系統0 200 400 600 800 1 000 1 200 1 400806040200熱成型原始狀態成品狀態第2步第1步伸長率/%抗拉強度/MPa應力場溫度場12微觀組織演變64 53材料 工 藝設備57汽車技術2.2.3熱成型模具設計在熱成型過程中，鋼板及模具都要經過從室溫到900 c以上的溫度變化，并且模具集板料成型與冷卻淬火過程于一身，所以模具設計是熱成型技術的另一個難點6, 7。其主要技術包括模具表面設計、模 具冷卻系統設計和模具結構設計等，可利用ABAQUS、LS-DYNA等軟件進行成型模擬和冷卻過程模擬。利用材料的高溫性能，

9、如流變曲線、摩擦因數、 FLD等參量進行成 型模擬，同時進行熱傳遞模擬，這一過程實際是熱力學、機械學耦合模擬過程。模擬 結果將作為模具設計的重要依據，并據此進行試生產或批量生產。2.2.3.1模具材料的選擇熱成型的模具材料不僅要求其具有良好的熱強度、熱硬度、高的耐磨性和疲勞性 能，而且要能保證成型件的尺寸精度 8,同時要能夠抵抗高溫板料對模具產生的強大 熱摩擦、脫落的氧化層碎片及顆粒在高溫下對模具表面的磨損效應，并且能夠穩定地在劇烈的冷熱交替環境下工作。根據模具需要的加熱溫度，參考熱鍛用熱作模具鋼，選用合理的模具材料。如蒂森的熱沖壓模具就采用了一種具有很高熱傳導系數的Al2O3/Cu復合材料。

10、2.2.3.2模具凸、凹模設計由于熱脹冷縮的影響，零件最終尺寸與沖壓成型時的尺寸存在一定誤差，因此為保證零件的尺寸精度，在確定凸、凹模尺寸時必須考慮熱脹冷縮效應。2.2.3.3冷卻機構的設計對于熱成型零件冷卻機構的選擇不僅要保證零件的冷卻速度足夠快，而且還要避免零件和模具因冷卻速度過快而引起的開裂。通常采用在模具內通冷卻水的方式對成型后的零件進行冷卻。2.2.4熱成型工藝的缺點a.零件成型后冷卻速度和保壓時間較難控制。b.熱成型件冷卻至室溫的過程中，不同部位冷卻速度不同會導致零件發生嚴重變形，從而影響成型零件的尺寸精度。c.由于熱成型零件后續加工難度大，因而只能應用于一道工序即可成型的簡單零件

11、(如梁、柱等)。同時，熱成型工序并入現有冷成型車間的難度較大。d.由于受到模具材料的強度、模具熱處理工藝、高應力集中、模具表面溫度頻繁升高和降低等諸多 因素的影響，熱成型模具容易失效，導致模具使用壽命降低。這些因素的存在，直接導致了現階段熱成型加工的成本增加、難度增大，使得熱成型工藝的應用具有一定的 局限性。但是，隨著熱成型技術的進一步發展，這種局面會進一步改善。2.2.5熱成型零件的檢測熱成型零件的加工通常需要經過激光切割、沖裁孔、點焊、冷成型、裝 配及油漆等工序，因此需要對熱成型零件進行力學性能檢測、形狀檢測、厚度分布檢 測等，還要根據不同零件的不同要求，采用不同的方法進行實物性能檢測。一

12、個合格 的熱成型零件應滿足高強度、輕量化和安全性的要求，同時還應具備強度與韌性的結 合性、尺寸穩定性、可加工性及可焊接性等。3國內外研究現狀3.1國外研究現狀國外許多學者對高強度熱成型用鋼 硼鋼做了大量的研究9, 10。美國的 B.Shapiro11針對2008年國際板料成型數值模擬會議( NUMSHEET)的Benchmark BM03標準考題， 使用LS -DYNA對22MnB5鋼進行車身B柱的熱成型數值仿真分析， 提供了熱成型數值仿真中的關鍵技術參數，包括材料模型的選用、熱力機械性能參數、一定應變速率下的應力應變曲線等。并且分別選用MAT-106與MAT-244材料模型進行研究，最后還提

13、供了詳細的仿真過程及計算結果與分析。德國的 David Lorenz12 及瑞典的G.Bergman與M.oldenburg13采用LS-DYNA顯式積分計算對高強度鋼板進 行熱沖壓成型及淬火冷卻仿真分析。提出使用TSHELL (Thermal Shell Element )單元建立有限元模型，通過不同時間步長的熱力機械耦合分析實現了單元在平面及厚度方 向上的熱接觸傳導，并通過試驗驗證了 TSHELL單元建模的有效性。瑞典的 PaulAkerstrom14以試驗為基礎對硼鋼熱成型過程的數值模擬方法進行了研究。提出了一 種建立高強度鋼熱成型仿真模型的方法，準確地預測了板料的變形和力學響應性能。其

14、研究成果表明，準確、可靠的材料模型是提高高強度鋼熱成型數值模擬精度的關鍵。 3.2國內研究現狀目前，我國熱成型工藝研究與應用仍處于起步階段。同濟大學林建平教授1517以阿賽洛公司的一種典型淬火硬化超高強度硼鋼板USibor1500為研材料工藝設備582010年第8期參數額定值合模最大力/kN 8 000工作平臺(寬 度x深度)/mm x mm 2 200 2 000滑塊最大行程/mm 900滑塊閉合最快速度/mm s-1 600滑塊回程最快速度/mm s-1 420電爐內部加熱尺寸/mmx mnK mm 4 500 X1 600 X200加熱爐最高溫度"C 1 000裝機功率/kW

15、200究對象，提出了針對該材料的熱 沖壓成型工藝流程，并對主要工藝參數的選擇與優化作了理論闡述；通過有限元數值 模擬仿真軟生LS-DYNA對高強度鋼板的熱成型工藝進行分析，闡述了板料在成型過程中溫度場及應力場的分布與變化特點，并且研制了采用嵌入式凹模設計、封閉式冷卻水槽的高強度鋼板熱成型專用模具，最后成功地加工出了一批淬火硬化超高強度硼鋼板U型制件。經過對制件尺寸精度的檢測及基體組織的金相觀測，證實了高強度鋼板熱成型工藝的本質與特點及其可行性與可靠性。北京航天航空大學的李楊18以某型號鈦合金唇口零件為例，利用DYNA-FORM軟件進行成型仿真。其研究方法是：忽略復雜零件模具的熱脹影響；在恒溫條

16、件下進行成型，不考慮熱交換。通過對仿真結果的分析，得到的熱沖壓唇口零件達到了工藝要求。武漢理工大學的徐勁力等19利用LS-DYNA軟件對鋼板彈簧熱成型工藝進行模擬分析，分析結果表明，模擬計算結果與鋼板彈簧熱壓成型時的實際狀況基本吻合。4熱成型技術的應用發展我國首家熱沖壓零部件有限公司于 2005年在寶鋼成立，用于熱沖壓成型的高強度鋼 硼鋼由 上海寶鋼供貨。寶鋼生產的硼鋼牌號分別為BR1500HS （1.85 mm以上熱軋） 和B1500HS （1.85mm以下冷軋），對應于歐洲熱沖壓高強度鋼22MnB5 ,其屈服強度為1 000 MPa、抗拉強度為1400 MPa ,延伸率為5%。從2005年

17、開始，試制生產線 已完成車身165個零件的試制，其中12個樣件一次試制成功，圖4為某國產車B柱熱沖壓成型件，表2為寶鋼熱沖壓機組相關參數。圖4某國產車B柱熱沖壓成型件近年來，熱沖壓件在車身上的應用越來越廣泛。大眾公司在最新的第6代PASSAT車型中有9個部件使用MnB鋼板，在新型 Golf V6車型中有5個部件使用MnB鋼板，使 用高強度熱成型鋼板的部件包括A/B/C柱、加強板、中央通道、保險杠支架等20。然而，在車身零部件強度提高的同時，熱沖壓件的沖擊韌性受到越來越多的關注。這 是因為其微觀組織由非常硬的馬氏體構成，所以導致韌性降低。而在車身碰撞試驗中，這些零件通常放在承受很高沖擊載荷的位置

18、，但是目前還沒有可靠的材料可用來進行韌性與脆性之間的轉換，所以這是熱成型鋼在今后發展中亟待解決的問題。國外有關機構已經開始對這一問題進行相關研究，如蒂森最近在對淬火一回火的厚坯的研究中提到，微量鋁元素的應用可提高熱成型鋼的韌性。表2寶鋼熱沖壓機組相關參數 5結束語綜上可知，高強度鋼的應用已成為滿足汽車減重和增加碰撞性能及安全性能的重要途徑，但常規高強度鋼在室溫下不僅變形能力差，而且塑性變形范圍窄，所需沖壓力大，容易開裂，同時成型后零件的回彈增加，導致零件尺寸和形狀穩定性變差。因此，傳統的成型方法難以解決高強度鋼板在汽車車身制造中遇到的問題，而熱沖壓成型技術解決了上述問題。近年來，世界各國汽車業

19、投入大量的精力來開展以硼鋼為主的先進高強度鋼板開發及熱成型技術的研究，并取得了長足的發展。這項技術在我國還屬于起步階段，因此有關高強度硼鋼熱成型技術的研究對我國汽車工業的發展具有 重要意義。參考文獻 1 Heller T, End B, Ehrhardt B,et al. New High Strength SteelsProduction, Properties & Applications. 40th MWSP ConfProc, ISS, 1998. 25234.2 Shi M F, Thomas G H, Chen X M. Formability Performancecom

20、parison Between Dual Phase and HSLA Steels. 43thMWSP Conf Proc. ISS, 2001, 1652174.3 谷凈巍，單忠德，徐虹.汽車高強度鋼板沖壓件熱成型技術研究.模具工業,2009,35材料工(4) :2729.4 Kolleck R,Veit R,Merklein M, et al. Investigation on Induction藝設備59汽車技術（上接第39頁）6懸架系統準主頻計算公式從以上誤差分 析看，第一近似主頻對第一主頻的相對誤差和非簧載偏頻對第二主頻的相對誤差均很 小，因而，認為式（6）和式（2）可以作為懸架系

21、統準主頻的計算公式，用來分別計算懸架頻率和懸架次頻率。要說明的是，用式（2）計算的頻率略小于第二主頻，用式（6）計算的頻率略大于第一主頻。7舉例某車前懸架為非獨立懸架，滿載軸荷1 800kg,非簧載質量130 kg ,板簧剛度56 N/mm ,此狀態下的輪胎徑向剛度為360 N/mm ,橡膠襯套徑向剛度為6kN/mm。則計算結果如表1所列。表1某車前懸架計算結果從 表1中看，簧載偏頻相對誤差達7.5% ,誤差比較明顯，而用準主頻公式計算出的結果相對誤差僅有0.07% ,幾乎等于主頻。8結束語a.由于質量比的改變幾乎不改變 簧載偏頻對主頻的相對誤差，故不論是乘用車還是商用車，用簧載偏頻公式計算懸

22、架頻率存在較大失真，尤其在低剛度比時失真更嚴重。b.用不計非簧載質量的車身-車 輪雙自由度模型計算出的懸架頻率與第一主頻的相對誤差很小，可以作為第一準主頻 以計算懸架頻率。c.用非簧載偏頻公式計算的頻率與第二主頻的相對誤差很小，可以 作為第二準主頻。五軸技術聞名于航空、航天工業，如葉輪、葉片、結構件銃削等方面的應用， 五軸聯動經過多年的應用已成為一種成熟、前沿的技術。這項技術近年來在特 殊項目及產品上也得到了廣泛的應用，如五軸激光加工技術。近幾年激光技術 得到了快速發展，已成為主流的切割技術。因其具有較好的切割質量與精度， 以及無與倫比的加工速度，板材行業普遍認為激光切割在將來極有可能取代沖

23、壓成為主流的鉞金加工技術。現在，我們就針對五軸激光切割技術在汽車模具 制作中的應用做一些簡要地介紹。1 .激光切割的原理激光切割的原理是：在激光束能量作用下（在氧助 切割機制下,還要加上噴氧 氣與到達燃點的金屬發生放熱反應放出的熱量），材料表面被迅速（感應范圍 內）加熱到幾千乃至上萬度而熔化或汽化，隨著汽化物逸出和熔融物體被輔助 高壓氣體（氧氣或氮氣等）吹走，切縫產生。在切割實際操作中有氧割和氮割之分，在保持同樣切割精度前提下，氧割熱量 大、速度快，但是切邊有褐色、薄氧化層；氮氣需要用高壓氮氣，速度慢、成 本高，但切邊無氧化、呈銀灰色，可以直接進行焊接，常用來切割要求較高的 丕銹M 一類材料。

24、2 .五軸激光加工技術在現代模具制造中的優勢激光加工已成為現代汽車制造不可或缺的技術，代替傳統的手工切割+沖裁模制造方式已成為國際上大力發展的一項先進技術。眾所周知，在模具的制作過程 中，修邊、沖孔工序一直是模具制造過程中的難點，特別是一些結構復雜的斜 切、斜沖、斜翻等大型汽車模具。修邊線的確定如果采用傳統的制作方式十分 困難，且需反反復復摸索幾次甚至十多次，給鉗工、加工設備帶來了極大的工 作量，不但對鉗工的技能水平提出了較高的要求，而且會嚴重地影響后工序模 具的調試。且現實中有很多修邊、沖孔模的切刃材質從成本上考慮采用了合金 鋼，如CU2、Cr12MoV,如果采用傳統的修邊模制作方法，就難免

25、會對刃口 進行多次堆焊，由于諸如上面的材料在進行多次堆焊的過程中，容易開裂而致 使鑲件報廢，不得不重新補料再加工，這樣，不但周期會被滯后，而且模具的 制作成本也會大幅增加。如果采用激光切割技術，對于開發如圖1所示的汽車零件，等拉延模樣件（圖 2所示）試模成功后，就可以用激光切割來替代修邊、 沖孔工序，沿圖2上所示的修邊線進行切割，把切割所得的樣件直接用于下一 道翻邊工序進行試模，把所得的最終樣件與檢具進行比較，如果有差異，通過 計算機對上次的修邊線進行修整再次切割,直至成功。整個過程節省了兩道工 序，完全改變了傳統的單線用行制作方式，很大程度上縮短了工藝流程和降低了模具制作成本。基于五軸激光加工技術在現代模具制作的過程中有著這樣明 顯的優勢，因此，倍受很多模具企業的青睞，并得到了廣泛、成功的應用。3 .多軸激光加工的工藝流程及編程策略激光多軸切割與其它多軸數控加工一樣，都會涉及到工件定位夾具的問題，來自英國Camtek公司的PEPS解決這一問題的方法非常簡單、實用。 PEPS8 用了 一個夾具自動報表，首先通過 CAD專換接口讀入產品模型數據，并對碎面 與破面等丟失或失真的數據進行修復，然后為加工模型設置參考位置進行固定， 確定需要加工的范圍、高度以及夾具材質、板厚等參數，系統會根據這些參數 產生適當的產品截面輪廓線，生成實體輪廓圖形支撐工件，在確定好夾具相應 的間距后