超高强钢汽车零件热成形工艺及模具设计准则研究

贵阳万江航空机电有限公司 贵州 贵阳 550018

前言

随着节能减排理念的不断深入，加大了汽车行业对轻量化的研究力度，充分运用超高强钢板材料，是汽车行业未来发展方向，采用热成形工艺具有以下几点优势，可塑性高、低变形力、不会轻易出现开裂问题、形成的构件精准度高。进而降低了能源的消耗，在减轻车身重量的同时提升安全性，促进汽车行业发展。

一、超高强钢汽车零件热成形工艺简述

(一)工作原理。超高强钢汽车零件热成形工艺的工作原理是采用特殊高强度钢材，其具有500MPa～600MPa的抗拉强度，在加热炉中加热至温度转变为奥氏体温度以上，进行保温待完全奥氏体组织以后，将其快速转换至装有冷却模具上，在板料商温度的时候对其实施冲压工作，需要注意的是冲压工作应当保持一段时间，在这期间模具需要通过一定的装置进行冷却工艺，促使板料达到淬火效果，最后形成马氏体的冲压件，在封闭模具中完成淬火和成形工艺，以此获取所需要工件。

(二)工艺特点。超高强钢汽车零件热成形工艺特点中最明显的是在成形时需要对板料进行淬火，是一项能够将淬火工艺和成形工艺有效结合的新方式。为此，在进行冲压成形工艺之前需要对高强钢构件加热到一定程度，使其完全奥氏体化，在进行保压工艺和成型工艺过程，需要通过相关的领取装置来确保模具温度有效的降低，进而达到淬火工艺的需求。在构件完全成为奥氏体的情况时进行冲压成形工艺，然后冷却促使构件形成马氏体，进而取得高强度的构件。通过热成形获得的构件屈服强度可以达到1000MPa以上，抗拉强度可以达到1500MPa以上，同时具有稳定尺寸、无回弹的优势[1]。

总结热成形工艺的优势：提升汽车的碰撞硬度、降低油耗和CO2的排放量、构件成形的稳定强、构件表面具有较强的耐磨性及硬度、减少噪声、构件尺寸精准、车身结构简单、有效减少加强板使用数量、整体车身重量减轻，通过这一系列的优化设计，一定程度上能够起到降低成本的作用。然而超高强钢具有两面性质，因此热成形工艺带需要提高探究的方面有：生产时间长、需要运用激光技术实施冲孔、切边、相对于领冲压工艺比较复杂、会产生氧化、需要进行清理、废品率较高，单品成本高、工作环境不高、技术要求较高、实际技术相对于实验落后、调试时间长等问题。

二、钢板热成形工艺应用的构件

超高强热成形工艺主要应用的构件有，汽车中要求结构强度比较高的构件，比如，底板中央通道、门内侧梁及柱、门槛、车身纵梁及横梁、保险杠等一些安全性要求比较高的防撞件。这些构件的强度与汽车的安全性具有一定的联系，国家对汽车的抗撞性要求不断提高，而组成汽车的这些构件强度直接影响着汽车安全性，关系着车身的整体安全级别。通过查阅资料可知，德国大众B6、马自达、沃尔沃车身中就应用了热成形工艺来提高碰撞安全性[2]。

三、超高强钢热成形模具设计

针对于超高强钢汽车零件模具设计的分析，本文以B柱类汽车构件为例。

(一)超高强热成形模具材料选择。对于汽车B类构件而言，热成形板材可以选择22MNB5及BR150OHS等材料，在进行淬火工艺时，能够大幅度的提升板材的抗拉强度以及硬度，与此同时，由于模具中具有一定的加热区域，为此对于模具材料的选择要求具备较高的耐热性能，并且还需要具备较高的刚度和疲劳寿命以及表面硬度。新型热成形模具应当能够满足温度快速变冷变热并且冷热交替闪速的要求，由于温度高达900℃，高温下板材对于模具材料会形成较强的热摩擦，并且板材在模具中会产生脱落的氧化颗粒，进而对模具的板材接触表面形成颗粒摩损。因此，为了有效避免高温板材对模具产生的磨粒摩损以及热摩擦问题，在选择模具材料方面应当充分考虑这两点内容。若是选择不适合的模具材料，不仅能够对构件成形产生影响，一定程度上还会降低模具使用寿命。总结模具材料选择应当考虑的因素：模具应当具备良好的热胀冷缩性能，与构件接触面需要满足骤热骤冷条件，耐磨粒磨损能力强，进而保证模具的可塑性。通充分考虑上述因素可以运用热锻用钢，比如3Cr2W8V、H13等。

(二)超高强热成形模具设计。在超高强刚热成形工艺中，构件与模具之间的接触方式分别是模具中的加热区，和冷却区以及过渡区。因此需要将模具设计成平板型。在对模具进行设计时在加热区与冷却区之间应当留有3mm气体缝隙，用来阻碍加热区中的热量传向冷却区。为了避免构件在900℃温度下不会出现拉裂、起皱等问题，进而提升其延展性，需要对模具间隙进行合理设计[3]。为了有效避免热量传向模具的基板，需要在此期间设置陶瓷隔热毡。由于模具需要具备热胀冷缩的原理，为此，在对模具进行设计的过程中可以在冷却区垫上薄垫片。设计出的模具加热区温度约为400℃，冷却区温度约为25℃。因此在板材温度处于900℃时，放入到模具中需要保压15秒，此后应当测量板材的硬度以及强度。模具加热区设计时应当保持抗拉强度为1425MPa以及硬度为480HV；冷却区抗拉强度应当保800MPa，其硬度应当保持为240HV。

结论

综上所述，目前汽车行业不断发展与节能减排理念共同发展的时代，超高强钢的热成形技术可以有效的实现减低耗油及排放量的基础上提高安全性能。同时还解决了传统冷冲压工艺下的加工难、回弹大等情况，并且构建经过淬火工艺后质量相对于比较高，设计热成形模具对于构件成形具有重要作用。我国对于超高强刚的热成形模具设计仍然处于一个探索期。为此还需一套完整的设计准则来指导此项技术的进一步发展。