CIMT2011专利1：汽车零部件先进加工技术——车身零件热冲压技术

ＣＩＭＴ２０１１￣］Ｉ：汽车零部件先进加工技术　正如中国汽车：　某资深专家在本刊　２（】１０年ｌ２期中的文章所言：金融危机后，　全球汽车产业迅速掀起了绿色革命风暴，　但由于我国汽车零部件行业基础薄弱，有　陷入新一轮制造技术落后的危险。汽车及　零部件制造行业涉及多个领域，材料、高　端制造等技术高度交叉。本期策划着眼当　前汽车制造业中的最前沿技术，如高强度　钢热冲压技术、铝合金超塑成形技术等，　邀请国内相关领域的专家撰文，透视当前　技术发展动态，为我国汽车工业增强核心　竞争力提供一些思路。　值得一提的是，本期策划的部分作　者及其文章是来自科研院所，这是因为，　科研院所在汽车制造技术的探索中处于前　沿位置，更难能可贵的是，他们的科研成　果都已经市场化，用于国内的汽车制造企　业，为汽车工业国产高端装备的自主化做　出了应有的贡献！　策划：邢立显　强策划　￣Ｖ　ＩＭｃＣＰｌａｎ■宝钢钢铁股份有限公司研究院／徐伟力　艾　健　罗爱辉　■上海宝钢热冲压零部件有限公司／张建生　管曙荣　车身零件热冲压技术　汽车钢板冲压新技术　汽车钢板热冲压是最近３０多年发展、应用起来的一种新技术，它通过将一种抗拉强度　在４００～６００ＭＰａ之间的普通高强钢加热到奥氏体温度范围并均匀化，然后快速冲压。冲压　结束以后实行保压，在保压阶段通过模具实现淬火并达到所需冷却速度，最终得到组织为　马氏体、强度在１５００ＭＰａ左右的超高强度零件。图１为非镀层板热冲压的典型流程，图２为　镀层钢板热冲压的典型流程，至今全球已有１１０多条热冲压生产线。　Ｌ—＿－Ｌ　Ｌ—．．Ｌ　苗　喷丸　一　一　加热　快速传输（少于７ｓ）　热冲压＋保压淬火　图２镀层板热冲压的典型流程　１．热冲压优点　与传统冷冲压（零件）相比，热冲压有其独特的优点，具体表现：　（１）成形性好热冲压成形性比较好，而超高强钢（特别是强度８００ＭＰａ以上的钢　种）冷冲压对于复杂车身零件就无能为力，极易开裂。　（２）零件尺寸精度高　比较容易满足装配精度要求，图３是相同原始材料冷冲压ｕ　形件和热冲压ｕ形件的外形对比，图４是某车型Ｂ柱ＤＰ６００冷冲压零件和相同厚度Ｂ１５００ＨＳ　（典型热冲压钢板）热冲压零件的端面尺寸对比。　圈囡团圜　汽车零部件先进加工技术　■　（ｂ）　图６新一代Ｐｏｌｏ采用热冲压技术案例　（５）有效提高零件的表面硬度及耐磨性；简化车　（ａ）热冲压　●　ＩＩ　身结构和零部件设计，有效减少加强板数量。　２．热冲压缺点　（１）生产效率低生产节拍一般不到冷冲压的　１／２；一般需要后续离散的激光切割工序，产品批量切割　定位相对困难；工艺复杂，工艺影响众多，冲压、激光　切割和喷丸等工序都会影响到零件的尺寸精度；能耗相　对较大（需要大功率加热炉）。　（２）模具复杂（ｂ）冷冲压　设计、加工难度大，制造和调试　周期长，模具及其配套工装价格高，维护成本大；单件　价格相对较高。　一般而言，８００ｔ的　（３）工作环境相对较差非镀层钢板热冲压会产　图４　（３）成形所需的压机吨位小压机就能满足绝大部分车身零件热冲压所需，冲压噪声　小。　生氧化皮；对外部气候环境有一定敏感性，特别是样件　制作过程。　（４）车型碰撞性能优异如图５所示，使用热冲压　３．冷、热冲压综合比较　综合比较，热冲压的优点更加吸引人。对于　１５００ＭＰａ左右不规则形状的超高强度零件，热冲压工艺　零件某车型的正面碰撞，驾驶室完好；可以实现更高程　度零件减薄高强化，在保障车型碰撞特性的前提下有效　实现轻量化，降低了汽车油耗和排放，如图６ａ所示，Ｂ　是惟一的选择，很好地避开了超高强钢冷冲压容易开裂　　ｅ琨代露部件，２０１１ｇ第‘．　辫２７　ＷＷｋＩ￣ｍｃ１９５０，ｃｏｍ　Ｍ　＾１ｌ蓄．ｒ：１∞０＿＿靠奎ＩＩ：Ｏ　　＾　｝ｉｌ”ｆ１　－尢，ｒ．ｉ阵上１Ｉ一：　眷　一成本：优化车身设计，大幅度减薄和减少车身“补丁”数量；优化炉内保护气氛，加强　整个生产线的自动化程度，加快高温钢板的传输速度，能有效减少氧化皮数量；通过一　模多腔（多件）提高生产效率；优化板料形状，实现少（无）激光切割。　基于以上情况，热冲压技术在汽车制造工业，特别是在欧洲得到大力推广应用、方　兴未艾。在中国，无论是研发还是产业化，热冲压都是一个热点课题。　和回弹大的瓶颈问题。与此同时，通过以下工艺措施，可以有效控制白车身的综合制造　热冲压技术现状　１．典型热冲压产品　在汽车领域，热冲压零件属于车身零件，典型产品有Ａ柱、Ｂ柱、Ｃ柱，前后保险　杆，中通道，前围下挡板，车顶加强梁及车门防撞梁（杆）等。图７是车身中典型热冲压　车身零件及其分布情况。图８是欧洲汽车界为提高车型碰撞特性而设计的典型热冲压小总　成，图９是日系车型中常用的车门防撞管，其实质也是热冲压成形的一种。　柱）　图７　图８　图９　２．应用现状　热冲压技术在欧美，特别是欧　洲得到非常广泛的应用（见图ｌ０），　被普遍认为是有效减轻车重、提高碰　８０ｏ　７ｏｏ　鲫　一欧洲　一北美　撞性能和降低车身制造成本的有效手　删　段。大众系列车型中一般有１０％（车　旺５０ｏ　．＿中国十韩国（部分）　一总计　—啦／　器枷　３ｏ０　２００　身重量的百分比）以上的热冲压零件　使用热冲压制造，ＦＩＡＴ拟在后续新　０－　车型中使用１６％以上热冲压零件，而　ｖｏｌｖ０拟在后续新车型中使用３５％以上　２ｏｏｅ　２０Ｏ７　２ＯＯ８　２Ｏ０Ｏ　２０１０　２０１１　２们２　２０１３　图ｌｏ　年份　代露部件　汽车零部件先进加工技术　热冲压零件。图１　１为全球热冲压汽车零件数量的　冲压零件，其中三款新车型采用宝钢提供的热冲压零件后在　欧　ＩＥ—ＮＣＡＰＮＩ］试中均取得历史最好成绩。　现状和预测。从中可以看出，近几年热冲压技术　在汽车领域的应用日益普及。　３．装备现状　图１４所示是典型热冲压产线，典型配置有拆跺系统和打　标站、加热炉、上料自动化设备、压机（高温测量仪）、下　１５０　料自动化设备、零件堆跺系统及外部冷却系统，整线高度自　４４－１００　衄　动化控制。　５Ｏ　０　１９８８　ｌ９９２　１９９６　２ｏｏＯ　２００４　２ｏ０８　２Ｏ１２　年份　图　１１　Ｆｉａｔ５００是意大利２０世纪三四十年代以来最流　行的车型（见图１２），设计师吉阿科萨也因此成　为名留青史的传奇人物。热冲压技术使这个小车　型重新焕发了新的生命力，在同类车型中其碰撞　性能最好。　图１４　目前全球已有ｌ１０多条热冲压生产线，在国内长春、昆山　和上海共有六条左右的热冲压生产线。这些生产线基本上由　德国Ｓｃｈｕｌｅｒ、瑞典ＡＰ＆Ｔ提供。另外，德国ＮＥＦＦ、西班矛的　ＨＯＴＴＥＫＮＩＫ公司也具备生产线供应能力。而生产线中的关键　部件之一——加热炉，由德国Ｓｃｈｗａｒｔｓ公司提供。　在热冲压装备中，压机、加热炉是核心部件，而整线自　动化系统又是生产线的灵魂，直接决定生产线的效率。压机　要兼顾机械压力机速度快和液压机能保压的功能，是一种特　殊的高速液压机，备有温度监控功能，采用自润滑材料，不能　图１２　采用热敏感材料。一般而言，８００～１０００ｔ压机能满足绝大部分　综观２００８～２０１０年ＥｕｒｏＣａｒｂｏｄｙ会议的相关　信息，热冲压零件的使用比例普遍在４％～１５％之　热冲压零件的需求。为了提高冲压速度，满足中通道之类复　杂零件的热冲压成形需求，需要采用蓄力器以进一步提高冲　压速度，如图１５Ｎ示。图１６是自动控制系统示意图，热冲压　生产线的自动化要求非常高，自动化不可靠，将会造成大量　废品。　间，其中Ｂ柱、Ａ柱、前保是非常典型的热冲压零　件。图１　３是沃尔沃和宝马车型热冲压零件的使用　情况及其占白车身总重量的百分比。　沃尔沃￥６０（１７％）　图１３　宝马新５系（１２％）　国内，不仅合资品牌汽车企业，如上海大　众、一汽大众、上海通用、长安福特、武汉神龙　等在以ＣＫＤ或本土化方式使用热冲压零件，大量　自主品牌汽车企业，如奇瑞、上汽、一汽轿车、　华晨、广汽长丰、吉利、海马等也在广泛采用热　图１５热冲压压机中的蓄力器及冲压出的中通道　ＭＣ瑗代零部件２们，　第ｊ卿２９　ｗｖｃｗ．ｍｃ１９５０，ｃｏｍ　Ｍｃ策划　ＣＰｌａｎ４．技术研发现状　（１）热冲压材料热冲压所需材料是一　种含有硼元素的特殊高强钢。从有无镀层分　类，可以分为带镀层的热冲压钢板和不带镀层　的热冲压钢板。欧洲的Ａｒｃｅｌｏｒ　Ｍｉｔｔａ拥有Ａ１一　ｓ　ｉ镀层热冲压钢板的生产专利，奥钢联拥有镀　锌热冲压钢板的生产专利，宝钢是国内热冲压　Ｂｏｒｏｎ钢（非镀层板）的成熟供应商。　一图１６自动化控制系统　般而言，带Ａ１一ｓｉ镀层的热冲压钢板无法进行冷冲压预成形，只能一步热冲压。对　于某些复杂零件，如拉延深度较深的中通道，既有较高的防腐蚀要求，又无法一步热冲压　成形（要开裂）。此前很多汽车厂是牺牲防腐蚀性能，采用非镀层的热冲压钢板进行二次　冲压。目前，欧洲一些高校开发了一种后续涂镀技术，即对冷冲压预成形零件进行后续涂　镀，然后再进行热冲压，从而兼顾抗腐蚀性能要求和成形性要求。　（２）热冲压装备Ｓｃｈｕｌｅｒ、ＡＰ＆Ｔ等成熟热冲压整线供应商在进行新型热冲压生产　线的开发，如集成激光切割单元的完整产线、带旋转炉的柔性自动化生产线（占地面积　少）、带预冷的热冲压产线及压力可控的热冲压产线等。核心部件供应商（加热炉）也在　进行新型（改进）加热炉设计开发。热冲压加热炉普遍采用陶瓷辊以传输加热过程中的钢　板，Ａｌ—Ｓｉ镀层热冲压钢扳在加热传输过程中会和陶瓷辊发生粘接现象。Ｓｃｈｗａｒｔｓ公司开　发了一种新型的涂胶，在陶瓷辊上使用这种涂胶以后，可以有效解决镀层钢板在加热传输　过程中发生的粘接现象，如图１７所示。　圈　１，　国内高校、研究所也在竞相开展热冲压产线装备的国产化攻关，以期打破国外供应商　的垄断地位，也取得了一定成果。如果与有资质的公司进行专业化攻关，则无疑会取得更　大实效。　５．核心技术研发　（１）热冲压零件设计优化方面的研发　热冲压零件是关键的安全结构件，因此在零　件设计时首先要考虑其使用性能的要求，这一方面可以借助ＣＡＥ手段来分析热冲压零件对　碰撞性能的贡献，另一方面也可以通过样件制作、装车，通过实车试验来评价其使用性　能。在此基础上，需要考虑热冲压零件的成形性要求，保证零件后续能稳定热冲压成形。　这一方面可以借助ＣＡＥ手段来分析、评估、改善零件的热冲压成形性，另一方面，也可以　通过样件制作，对ＣＡＥ分析预测不到的成形缺陷进行分析、解决。在欧洲，汽车厂普遍具　备热冲压零件的设计能力，而在国内，特别是自主品牌汽车厂，虽然具有热冲压零件的使　用需求，但在热冲压零件设计方面，还有所欠缺。宝钢热冲压团队至今已经完成２００多个　热冲压零件（小总成）的优化设计，具备开展同步工程（ｓＥ）能力。宝钢还拥有国内领先　代露部件　Ｗ１４ｎＡＺｍｃ　７９卯ｃｏｒｎ　汽车零部件先进加工技术　的高速拉伸试验机，可以为汽车厂提供不同应变速率下　热冲压零件的应力应变曲线，协助提高车型碰撞ＣＡＥ分　析的精度。　利、西班牙均有成熟的热冲压模具供应商，而国内热冲　压模具设计开发能力相对薄弱。宝钢在国内率先掌握热　冲压模具（量产模和样模）的成套设计技术，至今已经　（２）热冲压过程效率ＣＡＥ仿真分析热冲压过程　完成六款车型１９个零件的热冲压样模设计开发，完成六　套热冲压量产模的完整设计，初步实现了热冲压量产模　的国产化，从而大大降低了国内汽车行业使用热冲压零　件的成本压力，对中国汽车产业做出了自己的贡献。　此外，国内企业和高校（哈工大、同济、北航、山　相对复杂，涉及系列ｃＡＥ分析，如热冲压成形性ＣＡＥ　分析、冷却水流动ＣＡＥ分析、冷却过程ＣＡＥ分析（进　行冷却速度预测）、热胀冷缩ＣＡＥ分析及回弹ＣＡＥ分　析（涉及组织转变、应力场重新分布）等。在热冲压　成形性ＣＡＥ分析方面，业内开展了大量的研发工作。　ＡｕｔｏＦｒｏｍ、Ｐａｒｅ—Ｓｔａｍｐ、Ｌｓ—ｄｙｎａ－大软件公司对提　东大学、大连理工等）也在抓紧热冲压模具（样模、模　拟件模具）的开发工作。　高热冲压成形性仿真分析精度作出了重要贡献，相继增　加热力耦合的热冲压仿真分析模块。ＮＵＭＩＳＨＥＥＴ（板　（４）热冲压零件成形质量控制热冲压过程工艺　影响因素众多，加热、热冲压、激光切割和喷丸等工序　都会产生一定废品率。加热过程中的加热温度、保温　时间，热冲压过程中的开始冲压温度、冲压速度、保压　力、冷却参数、外部气候条件、生产节拍，激光切割　料冲压仿真领域的奥林匹克会议）连续几年均有关于热　冲压的标准考题；全球热冲压领域的零件供应商、模具　供应商、钢板供应商和相关高校研究所均具备一定的热　冲压成形仿真分析能力。总体而言，由于热冲压过程涉　及热力耦合问题，因此其仿真精度普遍低于冷冲压仿　时的定位夹持方式、切割能源和路径，喷丸时零件的挂　片方式、喷丸压强、速度等众多因素都会对热冲压零件　真。图１８是宝钢热冲压团队通过热冲压成形性ｃＡＥ分析　来预测成形缺陷、优化零件外形，最终实现大批量供货　的一个实际案例。　的力学性能和尺寸精度产生影响，为此需要系统研究、　掌握热冲压精益成形技术。这方面的研发工作，主要依　靠热冲压零件供应商来开展，高校、研究所不具备相应　的研发条件，即缺乏相应的自动化、快节拍的生产线装　备。宝钢热冲压团队在国内率先从欧洲整线引进了热冲　压研发和生产装备，通过多年攻关，掌握了较强的热冲　压零件成形质量控制技术，具备稳定的批量供货能力。　６．热冲压技术发展趋势　（ａ）基于初始零件外形　的热冲压ＣＡＥ分析　■　（■　ｂ）基于样初件始薯试零制件　外形的　　（ｃ）　零件外形改进　（ｄ）　基于改进设计的热冲压ＣＡＥ　更好地发挥热冲压零件在车身系统中的作用，更大　程度地降低热冲压零件的使用成本是热冲压技术不断发　展的驱动力。目前，补丁板的热冲压技术（见图１９）、　拼焊板的热冲压技术（见图２０、ＩＮ２１）、超高强钢的半　热冲压技术（以提高零件的成形性、降低回弹量为主要　目的，不具备淬火强化功能）开始在欧洲得到实用。另　外，管子的热冲压技术也在欧洲车型上得到应用（见图　２２）　（ｅ）　基于改进设计的热冲压试冲（ｆ）　大批量供货零件　图１　８　热冲压成形性ＣＡＥ分析实际案例　而其他四个方面的ＣＡＥ，以提高热冲压模具设计的　科学性为主要目的，业内能力相对较弱，理论落后于实　践，需要加大攻关力度。　（３）热冲压模具设计开发该领域的技术封锁和　补丁板　补丁板零件　垄断相对严重，全球范围内掌握热冲压模具设计技术的　公司相对很少。经过２Ｏ多年的研发，德国、瑞典、奥地　Ｉ￣ｔ１９补丁板的热冲压技术　ＭＣ瑗代零部件２０１１￣ｆ第３期３４　ＷＷＩ４￣ｍＣ１９５０．ｃｏｍ　策划　ＩＶ　ＩＣＭｃｌａｎＰ２ｒａｍ　体　过渡　ｌ　５ｒａｍ　素体／渗碳体　姜　图２０拼焊板的热冲压技术　１国１ｌ１｜！ｒ１１毽翱圈　图２１拼焊板热冲压应用案例（奥迪Ｑ５侧梁）　：　图２２管子热冲压技术在沃尔沃车型上的应用　＼　、：　中国发展、应用热冲压技术的思考　国内车型在碰撞、轻量化、排放方面的性能普遍有待进一步提升，因此热冲压技　术在中国大有市场。对于汽车厂而言，需要有合理的成本意识，更多关注白车身的综合　制造成本而不是单件的成本。对于零部件供应商而言，在竞争的同时要开发、合作，促　进行业有序发展。对高校研究所而言，需要把注意力更多地集中在核心难点的技术攻关　上，例如冷却过程的ＣＡＥ分析、热胀冷缩的ＣＡＥ分析、保压淬火过程的组织转变模拟和　应力场再分布模拟、零件卸载以后的回弹模拟等。对于国家而言，需要充分实施工程　技术的创新、应用和产业化的主战场在企业这一战略，把有限的研发资金发挥最大的作　用　代雩部件