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超高強鋼熱沖壓成形汽車構(gòu)件與梯度力學(xué)性能

超高強鋼汽車構(gòu)件熱沖壓成形技術(shù)的應(yīng)用

  汽車輕量化是汽車重要的發(fā)展方向，是世界各國實現(xiàn)節(jié)能、減排、降耗的重大舉措，也是國家重大科技需求。超高強鋼熱沖壓構(gòu)件的應(yīng)用能夠在減輕汽車整車重量的同時，保證車身強度及安全性，是實現(xiàn)汽車輕量化的重要途徑。燃油車整車重量每降低10%，燃油效率提升6%～8%，排放下降4%；純電動車、混合動力車等新能源汽車對重量更加敏感，整車每減重10%，續(xù)航里程增加10%～15%。
  高強度輕量化材料在汽車上的應(yīng)用能有效地推進(jìn)輕量化進(jìn)程?！吨袊圃?025》提出要提升輕量化材料等核心技術(shù)的工程化和產(chǎn)業(yè)化能力，同時推動自主品牌節(jié)能與新能源汽車同國際先進(jìn)水平接軌。然而隨著鋼板強度的提升，傳統(tǒng)冷沖壓成形中往往存在開裂、回彈、起皺等缺陷，同時成形力明顯增加又對壓力機和模具壽命提出更高的要求。為解決這些問題，一種能夠降低成形力和成形難度，且成形后所得構(gòu)件兼具超高強度和高精度的先進(jìn)材料加工技術(shù)——熱沖壓技術(shù)應(yīng)運而生。時至今日，如下圖所示，熱沖壓成形技術(shù)已廣泛用于汽車車身及底盤結(jié)構(gòu)件成形制造中。

熱沖壓成形技術(shù)的概念與特點

  熱沖壓成形技術(shù)包括直接熱沖壓和間接熱沖壓兩種形式。以常用的直接熱沖壓成形為例，其工藝流程如下圖所示，首先將高強度硼鋼板坯料加熱到奧氏體化溫度以上，并保溫一定時間使其充分奧氏體化（通常為900～950℃），隨后將加熱的坯料迅速轉(zhuǎn)移至帶有冷卻系統(tǒng)的模具內(nèi)沖壓成形，同時保壓淬火，使構(gòu)件材料發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。與傳統(tǒng)的冷沖壓相比，鋼板在高溫時成形性好，可一次成形復(fù)雜形狀的構(gòu)件，并且構(gòu)件強度可達(dá)1500MPa甚至更高。此外，熱沖壓工藝的構(gòu)件回彈小、精度高、變形抗力約為冷沖壓的三分之一、設(shè)備噸位小。
  目前熱沖壓成形材料主要用22MnB5，包括鋁硅（Al-10Si）鍍層、GI/GA鍍層、鋅鎳（Zn-10Ni）鍍層、復(fù)合鍍層及其他涂層和裸板。作為典型的第三代先進(jìn)高強度鋼，將中錳鋼加熱至750℃即可獲得全奧氏體組織，擴大了熱成形工藝窗口。

熱沖壓汽車構(gòu)件組織性能協(xié)同控制技術(shù)

  國內(nèi)已有研究團隊提出了基于急動度的伺服熱沖壓工藝設(shè)計方法，能夠有效地控制沖壓速度和成形溫度，提升成形效果；研發(fā)了低溫?zé)釠_壓技術(shù)，降低連續(xù)生產(chǎn)時的模具溫度、縮短保溫時間、節(jié)約成本；研發(fā)了熱沖壓汽車構(gòu)件組織性能協(xié)同控制技術(shù)，以改善高強度鋼板熱沖壓件綜合性能和精度；建立了A柱、B柱、C柱、前縱梁、保險杠等汽車安全結(jié)構(gòu)件熱沖壓全過程有限元模型，可以有效預(yù)測零件成形性、減薄率、馬氏體含量及抗拉強度的變化。
  通過伺服熱沖壓及組織性能協(xié)同調(diào)控技術(shù)，對B柱等樣件進(jìn)行了試制。對不同部位進(jìn)行力學(xué)性能檢測，結(jié)果表明不同區(qū)域的試樣抗拉強度基本在1500～1600MPa，延伸率范圍為8%～13%（目前文獻(xiàn)資料中多數(shù)報道為5%～8%），其微觀組織的主要成分為馬氏體，夾雜有少量殘余奧氏體。此外還對零件的成形精度進(jìn)行了檢測分析，產(chǎn)品關(guān)鍵點尺寸誤差不超過±0.21mm。試驗結(jié)果表明，相關(guān)樣件已實現(xiàn)了組織強韌性和精度的協(xié)同控制，完全滿足裝車要求。

組織形貌分析

精度檢測

梯度力學(xué)性能熱沖壓構(gòu)件設(shè)計制造一體化技術(shù)

  傳統(tǒng)的熱沖壓成形工藝，板料的各個位置變形條件基本相同，所以得到的熱沖壓零件基本為全馬氏體組織，抗拉強度達(dá)1500MPa甚至更高。但是延伸率相對較低，造成零件塑性或韌性急劇降低、冷彎性能差。一旦發(fā)生碰撞，熱沖壓結(jié)構(gòu)件的碰撞吸能效果大大降低。
  為進(jìn)一步提升熱沖壓構(gòu)件的碰撞吸能性能，采用側(cè)碰吸能分析方法對其進(jìn)行了梯度力學(xué)性能優(yōu)化設(shè)計，得到了具有合理梯度力學(xué)性能分布的B柱構(gòu)件，相關(guān)梯度力學(xué)性能設(shè)計方案如下圖所示。
  結(jié)果表明，應(yīng)用梯度力學(xué)性能，B柱可以簡化B柱總成結(jié)構(gòu)，達(dá)到減重12.1%的輕量化目的，且能夠很好地兼顧強度與碰撞吸能性能。陶瓷熱障涂層技術(shù)制造的梯度力學(xué)性能樣件如圖所示。

具有隨形冷卻水道的超高強度鋼熱沖壓模具

  與冷沖壓模具不同，熱沖壓模具除了具有成形功能外，還具有冷卻淬火功能。為了保證其冷卻效果，在其內(nèi)部設(shè)有冷卻管道，模具結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，對模具材料的選擇及結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面要求更為嚴(yán)格。
  熱沖壓成形模具冷卻系統(tǒng)的設(shè)計需要考慮加工方式、冷卻均勻性等方面，因此冷卻管直徑、冷卻管間距、冷卻管距模具型面距離等參數(shù)都是設(shè)計的關(guān)鍵，熱沖壓B柱加強板采用鑲塊式模具結(jié)構(gòu)。為實現(xiàn)構(gòu)件冷卻效果并保證模具的強度，采用與模具型面相近的隨形冷卻水道。模芯鑲塊內(nèi)部與鑲塊之間冷卻水管道采用直徑φ10mm的孔，相鄰冷卻水管道中心距約為17～20mm，冷卻水管道中心距型面距離為15～20mm。每個鑲塊都配給相對獨立的進(jìn)出水冷卻系統(tǒng)，相鄰鑲塊之間冷卻水道不連通。采用ANSYS CFX進(jìn)行流固耦合數(shù)值模擬，并對凸凹模的冷卻水流速及溫度均勻性進(jìn)行分析。工藝循環(huán)模具冷卻水熱傳遞系數(shù)云圖如圖所示，冷卻水流速快的中間部位HTC值較高，大部分位置HTC均大于10000W/(m2·K），說明冷卻效果較好，可以滿足連續(xù)生產(chǎn)所需的冷卻效果。

  下圖為加工制造完成后的模具實物圖

先進(jìn)熱沖壓生產(chǎn)示范線

  先進(jìn)的輕量化車身結(jié)構(gòu)件伺服熱沖壓成形示范線，主要裝備包含高速伺服壓力機、數(shù)控加熱爐、熱沖壓模具、低自由度桁架機器人、激光切割機和噴丸裝備等主要裝備。通過運用工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)裝備平臺的互聯(lián)互鎖，可以完成滿足工業(yè)生產(chǎn)節(jié)拍需求的加熱、成形-保壓淬火和上、下料全過程各項功能及安全防護(hù)要求。

技術(shù)與應(yīng)用總結(jié)

  作為汽車輕量化的重要途徑，超高強度鋼板熱沖壓成形技術(shù)正在被世界各國企業(yè)和學(xué)者廣泛關(guān)注。系統(tǒng)地、深層次地開展相關(guān)研究，形成具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的熱沖壓成形工藝及裝備關(guān)鍵技術(shù)，對我國汽車行業(yè)的發(fā)展具有十分重要的現(xiàn)實意義。