自主開發(fā)模具生產設備 推動熱沖壓生產線國產化

2011年中國汽車產銷突破2000萬輛，汽車市場持續(xù)加溫。汽車輕量化已經成為現代汽車設計制造的主流，車身輕量化對減輕汽車整車自重，提高整車燃油經濟性和節(jié)能環(huán)保至關重要。汽車重量每降低100公斤，每百公里至少可節(jié)約1.6升燃油。輕量化可能會降低汽車的碰撞安全性，因此既能保證安全性又能實現輕量化，而且同時實現成本和效益最優(yōu)化是汽車制造業(yè)極為關注的目標。

由于鋁鎂合金性價比低，其關鍵力學性能與鋼鐵相比沒有明顯優(yōu)勢，因此采用高強度鋼板熱沖壓生產技術正呈現出欣欣向榮的趨勢，成為同時實現輕量化和提高碰撞安全性的最好途徑。

熱沖壓是相對比常見的冷沖壓成形而言的。為了克服高強度鋼板冷成形的困難，熱沖壓須將鋼板加熱實現相變再沖壓成形并進行淬火，從而獲得更高的強度，抗變形性與硬度，能夠成形抗拉強度高達1600-2000MPa的零部件，可組焊成高強度駕乘單元，承受5噸以上的靜壓而不損壞。采用這種相對于超高強度的結構件，可明顯提高汽車的碰撞安全性，同時通過減小壁厚或截面，減少汽車裝配環(huán)節(jié)中的零部件的數量尺寸，從而實現輕量化。正因為熱沖壓的技術優(yōu)勢，使得高強度鋼熱沖壓技術正受到全球汽車廠商和鋼鐵生產企業(yè)的的青睞和極大關注。

熱沖壓技術不僅有高強度比的優(yōu)點，且在高溫下材料成形性好，能消除回彈影響，零件精度高，成形質量好。近年來，國外汽車制造商已將高強度鋼板熱沖壓技術應用于前保險杠、后保險杠、A、B、C柱，車頂構架，車底框架以及車門內板，車門防撞梁在內的結構件上。例如在VOLVO車型中熱沖壓硼鋼的使用量逐年遞增，預計將達到白車身的45%以上。

熱沖壓不單是簡單的“冷轉熱”過程，涉及到了十分復雜的金屬材料熱-力-相變多物理場耦合和多尺度問題以及熱邊界摩擦非線性力學問題。高強鋼板熱沖壓的復雜性，要克服熱沖壓缺陷的產生：諸如局部過分軟化，破裂，起皺，馬氏體轉化不均勻等，還要實現最佳的奧氏體-馬氏體化溫度，最佳模內冷卻速率，最佳成形壓力，最佳保壓時間等優(yōu)化問題，這就需要從宏觀和微觀尺度進行諸如成形性分析，服役性能等進行深入研究和技術積累。

廣泛采用的22MnB5高強度硼鋼是目前從材料上實現熱沖壓的一種最優(yōu)選擇。22MnB5高強度硼鋼初始抗拉強度介于400MPa~600MPa之間，無論是熱軋還是冷軋板材產品均可在奧氏體化后通過快速淬火處理得到馬氏體組織，實現熱沖壓成形生產。目前市場上廣泛應用的熱沖壓板材，以歐洲Arcelor公司出產的帶Al-Si涂層的USIBOR1500及改型批次為代表，產品厚度為0.7mm~2.4mm不等。帶涂層的熱沖壓鋼板由于表面有效隔絕空氣與鋼鐵接觸，在熱沖壓過程中不會產生大量氧化皮，表面質量好，后續(xù)幾乎不需噴丸工序，但涂層易與加熱爐中磁輥粘結。無涂層的鋼板由于具有大量氧化皮，后續(xù)需要噴丸處理，但不會與加熱爐中磁棍粘結，二者各具利弊。其他如日本的新日鐵，神戶制鋼，韓國的浦碩鋼廠也正在積極開發(fā)生產用熱沖壓鋼板。國內寶鋼開發(fā)的冷軋B1500HS、熱軋BR1500HS已實現批量供貨，通鋼、鞍鋼等鋼鐵企業(yè)也正積極投入相關熱沖壓鋼板開發(fā)中.根據實際零部件加工難易程度，成形順序等工序，熱沖壓工藝分為一次成形和二次成形方式。直接沖壓工藝是指高強度鋼板板料加熱到奧氏體化溫度并保溫一段時間后，直接放入具有冷卻系統(tǒng)的模具里進行沖壓成形及淬火，一次成形，但需要增加激光切割設備，其主要優(yōu)點有兩個。一是板料在一套模具中進行沖壓成形及淬火,節(jié)省了預沖壓成形模具費用并加快了生產節(jié)奏，二是材料被加熱前為平板料，這樣不僅節(jié)省了加熱區(qū)面積進而節(jié)省能源，而且可以選取多種加熱方式，例如可以采取感應和輻射加熱爐進行奧氏體化加熱。

二次成形過程是通過將一次成形并切邊的零件再進行加熱-定形-淬火，最終可獲得減少激光切邊成本的高強度結構件，最主要的優(yōu)點是可進行更復雜形狀的車體結構件沖壓成形。板料預沖壓成形后，后續(xù)熱沖壓成形工藝不需要過多考慮板料高溫沖壓成形性能，可確保板料充分淬火得到所需要的馬氏體組織。板料預沖壓成形后可以進行修邊，翻邊，沖孔等工藝加工，避免板料淬火硬化后加工困難問題。但由于增加了二次模具冷卻,其不可避免的增加了制造過程中的模具成本。

“高強度鋼板熱沖壓成形生產線是實現這一先進成形技術的關鍵環(huán)節(jié)。熱沖壓成形技術特征決定了它不同于常規(guī)沖壓的裝備及關鍵技術，它是將落料、加熱、防氧化、沖壓、淬火冷卻、切形和噴丸處理等為一體的綜合制造集成加工系統(tǒng)，是體現機械加工、電控和材料化工緊密交叉的國際前沿高新技術。”據國際模協秘書長羅百輝介紹，目前國內現有的5條熱沖壓生產線全部為高價進口的國外生產線(如寶鋼、上?？ㄋ宫數?，用于國產速騰，奧迪等幾款轎車核心零部件生產(如A柱、B柱、前后保險杠等)，耗資巨大，造成市場成本居高不下。

羅百輝認為，要從根本上解決上述瓶頸問題，需要我們的企業(yè)立足于自主開發(fā)和制造主要設備及模具，自主研發(fā)具有完全知識產權的高效率熱沖壓裝備生產線。對于以實現產業(yè)化目標而言，熱沖壓成形生產線裝備主要包括四大部分：滿足快速合模，保壓要求高速專用液壓機;具備最優(yōu)冷卻回路設計及滿足成形工藝要求的水冷模具;保證定位精度的具備防氧化，節(jié)拍可控的專用加熱爐;具備中央可控聯調功能的自動化傳輸系統(tǒng)。其中，生產線中央集成控制成套裝備和熱沖壓零件質量穩(wěn)定性控制是衡量和評價熱沖壓生產線品質的關鍵環(huán)節(jié)，也是實現產業(yè)化之路的重中之重。

目前，國內以長春偉孚特汽車零部件有限公司為代表的高科技企業(yè)，開展了產-學-研全面合作，已打破國外公司的技術壟斷，建立了熱沖壓高強度鋼板在成形過程中的熱-力-相變多物理場耦合本構理論和動力顯式彈塑性大變形有限元算法，自行成功研制出具有完全自主知識產權的節(jié)能型高強度鋼板熱沖壓成套技術，仿真軟件和批量的自動化生產裝備線。在保證高技術附加值的基礎上具有價格優(yōu)勢和技術競爭力。這些高強度鋼板熱沖壓成套自動化生產線和制造工藝中的各種關鍵技術，已經能夠為國內自主汽車廠商(如奇瑞、一汽等)小批量生產熱成形件，具有突出的市場優(yōu)勢。目前正在開展汽車A柱、B柱、車頂構架、車底通道框架、前后保險杠以及車門防撞梁等熱沖壓件的模具設計和批量生產準備。

雖然高強度鋼板熱沖壓技術具有巨大的市場前景和生命力，但在成形過程和熱處理過程中仍存在各種技術問題，如：熱軟化、破裂、馬氏體轉換的不均勻性、塑性變形能力低、表面氧化等;另一方面，由于高強度鋼板熱沖壓技術還處于起步階段，還有很多產業(yè)化實際問題需要解決和完善。例如制造工藝參數優(yōu)化、生產效率產品質量、熱沖壓成形過程微觀機理研究、采用非鍍層鋼板時需要進行噴丸處理、激光切割成本偏高等。因此熱沖壓技術今后應朝著高效率、低成本、強韌化、防氧化方向發(fā)展;力學、機械、化學和材料學要緊密合作，讓多學科交叉融，為解決強韌化和防氧化問題提供堅實的技術保證;優(yōu)先研究解決“試錯”——這一影響提高技術效率和降低成本的關鍵問題，那樣，熱沖壓生產線國產化就會成為大勢所趨。