熱成形的應(yīng)用與質(zhì)量控制技術(shù)

??本文介紹了熱成形零件的類型以及這幾種類型在白車身上的分布以及應(yīng)用情況；同時(shí)，從熱成形的微觀和宏觀兩個(gè)方面介紹了熱成形的質(zhì)量控制技術(shù)。

??世界節(jié)能與環(huán)境協(xié)會(huì)的研究報(bào)告指出：汽車整車重量降低10%，燃油效率可提高6%～8%，面對(duì)國(guó)內(nèi)汽車保有量不斷攀升、排放增大、環(huán)境污染日趨嚴(yán)重、全球資源短缺、新能源汽車?yán)m(xù)航能力不足等問(wèn)題，汽車輕量化將是未來(lái)汽車重要的發(fā)展方向之一。綜合比較鋁合金、鈦合金、鎂合金，以及非金屬碳纖維復(fù)合材料等輕量化材料，高強(qiáng)度鋼是目前滿足車身輕量化，同時(shí)提升碰撞安全性能的最佳材料之一。近年來(lái)，熱成形在主機(jī)廠的應(yīng)用越來(lái)越廣泛；同時(shí)，隨著熱成形技術(shù)的不斷創(chuàng)新，新的熱成形類型應(yīng)運(yùn)而生并且技術(shù)越來(lái)越成熟，給主機(jī)廠帶來(lái)了更多的選擇。本文著重介紹目前已經(jīng)量產(chǎn)的幾種類型。

??由于熱成形零件涉及很復(fù)雜的金屬材料熱、力、相變等多物理場(chǎng)耦合等等問(wèn)題，所以相對(duì)冷沖壓件，熱成形零件在質(zhì)量控制上有很多特殊的要求。在這種背景下，熱成形的工藝過(guò)程控制技術(shù)，將作為主機(jī)廠和熱成形供應(yīng)商共同研究的一個(gè)課題并且會(huì)持續(xù)不斷更新。

??熱成形零件的類型，分布以及應(yīng)用

??隨著熱成形技術(shù)的發(fā)展，熱成形種類越來(lái)越多，并且也越來(lái)越成熟。表1是目前比較成熟的熱成形類型在成形前的板料截面示意圖，這幾種類型已經(jīng)應(yīng)用到很多車型上并且已經(jīng)量產(chǎn)。另一方面，由于車身輕量化以及碰撞的要求越來(lái)越高，熱成形零件在白車身上的分布越來(lái)越廣，單車上熱成形零件使用數(shù)量也越來(lái)越多。根據(jù)碰撞時(shí)力的傳遞，白車身上有接近40個(gè)零件都是可以使用熱成形工藝的。

??以下是熱成形類型在成形前的板料截面介紹。

??⑴等厚。熱成形前的板料為一塊等厚板料。等厚是目前應(yīng)用最廣的類型，一個(gè)白車身上等厚的熱成形零件占所有熱成形零件的90%以上。

??⑵激光拼焊板（TWB）由兩種料厚不一致，材料不一致的料片通過(guò)激光拼焊的方式連接在一起，兩塊料厚最佳比例為1.5∶1；同時(shí)，強(qiáng)度較弱的部位，如中立柱下部區(qū)域采用的是一種新的可用于熱沖壓成形鋼種Ductibor600，兩種材料拼焊后再熱成形。激光拼焊板可以實(shí)現(xiàn)同一個(gè)零件不同強(qiáng)度，目前普遍應(yīng)用在中立柱加強(qiáng)板上,還可以應(yīng)用在前縱梁、后縱梁上。但是激光拼焊結(jié)構(gòu)要保證焊縫起弧位置的強(qiáng)度。某車型中立柱加強(qiáng)板就曾遇到過(guò)起弧處撕裂的情況，所以保證激光拼焊的焊縫強(qiáng)度是材料供應(yīng)商重要的研究項(xiàng)目。同時(shí)，激光拼焊板在模具調(diào)試階段較其他車型相對(duì)困難，所以，對(duì)于主機(jī)廠來(lái)說(shuō)，TWB的結(jié)構(gòu)一般都不會(huì)是最優(yōu)先選擇的結(jié)構(gòu)。

??⑶打補(bǔ)?。≒ATCH）由一個(gè)或者幾個(gè)小的料片在熱成形前通過(guò)懸點(diǎn)焊的方式與另一個(gè)大的料片焊接在一起，然后再進(jìn)加熱爐。小料片的材料和大料片一致，但是大小尺寸不一樣，料厚也可能不一致。PATCH結(jié)構(gòu)能起到局部加強(qiáng)的作用，一般應(yīng)用在風(fēng)窗支柱加強(qiáng)板以及中立柱加強(qiáng)板上部。該結(jié)構(gòu)對(duì)焊點(diǎn)的數(shù)量以及布置要求很高。熱成形后由于硬度、強(qiáng)度很高，PATCH焊點(diǎn)的檢測(cè)非常困難。目前普遍采用的是檢測(cè)熱壓前的焊點(diǎn)強(qiáng)度，所以需要將熱壓前的焊點(diǎn)強(qiáng)度和熱壓后的焊點(diǎn)強(qiáng)度做一個(gè)對(duì)應(yīng)關(guān)系的比對(duì)，通過(guò)檢測(cè)熱壓前的焊點(diǎn)強(qiáng)度來(lái)評(píng)判熱壓后的焊點(diǎn)強(qiáng)度。

??⑷原材料為軋制不等厚（TRB），同一塊板料上實(shí)現(xiàn)幾種不同的料厚，不同的料厚之間為漸變式過(guò)渡區(qū)域。TRB可以滿足不同區(qū)域、不同強(qiáng)度的需求，一個(gè)零件可以取代幾個(gè)零件，目前全球僅一家提供TRB的板料，原材料采購(gòu)周期長(zhǎng)；原材料成本相對(duì)較高。TRB目前主要應(yīng)用于縱梁以及中立柱加強(qiáng)板上，某款車型的縱梁有9處不同的料厚，如圖1紫色零件所示。

??⑸軟區(qū)。板料為一個(gè)等厚料片，通過(guò)熱成形加熱爐設(shè)備或者模具實(shí)現(xiàn)不同區(qū)域、不同強(qiáng)度的功能。同一個(gè)零件上分成了2個(gè)區(qū)：硬區(qū)和軟區(qū)。硬區(qū)抗拉強(qiáng)度仍為1500MPa,屈服強(qiáng)度為950MPa；軟區(qū)屈服強(qiáng)度有3種，1)軟區(qū)屈服強(qiáng)度400MPa,抗拉強(qiáng)度600MPa；2)軟區(qū)屈服強(qiáng)度550MPa,抗拉強(qiáng)度700MPa；3)軟區(qū)屈服強(qiáng)度700MPa,抗拉強(qiáng)度900MPa。如果通過(guò)加熱爐來(lái)實(shí)現(xiàn)軟區(qū)和硬區(qū)，需要增加設(shè)備投資；所以目前一般通過(guò)模具實(shí)現(xiàn)：硬區(qū)布置冷卻水道，冷卻速度快，軟區(qū)布置加熱器，冷卻速度慢。這對(duì)供應(yīng)商的調(diào)試能力要求很高。

??對(duì)于需要不同潰縮量的同一個(gè)零件，可以采用軟區(qū)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，例如前縱梁前部可以設(shè)計(jì)成軟區(qū)；中立柱下部潰縮量比上部大，則中立柱可以采用軟區(qū)結(jié)構(gòu)，中立柱下部可以設(shè)計(jì)成抗拉強(qiáng)度550MPa,屈服強(qiáng)度500MPa。同樣，后縱梁也可以采用軟區(qū)的結(jié)構(gòu)。軟區(qū)較其他幾種類型，模具成本較高，但是其輕量化比較明顯。所以，對(duì)于類似中立柱加強(qiáng)板/前縱梁/后縱梁，可以采用多種熱成形結(jié)構(gòu)時(shí)，需要從質(zhì)量、成本、周期、性能和輕量化等幾個(gè)方面綜合考慮后，最終確定一種設(shè)計(jì)方案。

??熱成形零件質(zhì)量控制技術(shù)

??機(jī)械性能和微觀組織的過(guò)程控制

??和冷沖壓不一樣的是，熱成形需要將板料加熱至930℃左右并保溫一段時(shí)間，保證奧氏體組織均勻化，然后再進(jìn)入帶冷卻系統(tǒng)的模具中成形并快速冷卻淬火，保壓，最終變成均勻的100%馬氏體組織；抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到1500MPa,屈服強(qiáng)度≥950MPa, 延伸率＞6%, HV50(中央)≥400。

??所以，除和冷沖壓一樣，需要對(duì)原材料的料厚，板料表面外觀（是否有裂紋，鱗片，氧化等）、原材料的化學(xué)成分、原材料的機(jī)械性能、鍍層重量、模具的閉合高度、氣墊壓力、板料在模具中的定位等等監(jiān)控外，熱沖壓件有其特有的工藝參數(shù)，主要表現(xiàn)在：

??⑴加熱爐的溫度。

??加熱爐劃分了很多溫區(qū)。例如，35m的爐子可能會(huì)劃分15個(gè)溫區(qū)，每個(gè)溫區(qū)的溫度都控制在930℃左右。將板料加熱至930℃并保溫一段時(shí)間，使板料充分奧氏體化。

??⑵加熱時(shí)間。

??因?yàn)榘辶狭虾癫灰粯?，一般不同的零件?huì)設(shè)定一個(gè)不同的加熱時(shí)間并在生產(chǎn)過(guò)程中作為參數(shù)進(jìn)行控制。但是往往在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，會(huì)遇到各種各樣的小故障，有時(shí)會(huì)間接迫使停留在加熱爐中的板料的加熱時(shí)間比參數(shù)中設(shè)定的時(shí)間要長(zhǎng)。這樣，直接會(huì)導(dǎo)致熱成形零件表面出現(xiàn)不同的顏色。如果時(shí)間更長(zhǎng)，超過(guò)某個(gè)值，機(jī)械性能以及微觀組織就會(huì)受到影響。

??顏色的變化一般會(huì)發(fā)生在鋁硅鍍層的板料上，隨著加熱時(shí)間的增加，鐵離子和鋁硅發(fā)生不同的化學(xué)反應(yīng)，從而導(dǎo)致鍍層表面顏色的變化。產(chǎn)生色差的原因是光線的干涉，干涉色是光透過(guò)膜上的反射光和底面的反射光所產(chǎn)生的干涉作用。

??通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：隨著零件加熱時(shí)間的增加，零件顏色逐漸變淺；到1000s時(shí)，顏色變深，硬度值降低。目前來(lái)講，比較安全的加熱時(shí)間是控制在1200s以內(nèi)；有的供應(yīng)商甚至控制在900s以內(nèi)，在這個(gè)區(qū)間內(nèi)，零件性能以及微觀組織基本上沒(méi)有問(wèn)題。如果在批量生產(chǎn)過(guò)程中遇到顏色的問(wèn)題，可以和供應(yīng)商共同建立色板卡，來(lái)評(píng)判零件是否合格。

??⑶成形前的坯料溫度。

??板料從加熱爐中取出到達(dá)模具進(jìn)行成形淬火前，板料冷卻主要是空氣對(duì)流散熱和輻射換熱。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，熱成形沖壓設(shè)備上都會(huì)裝有一個(gè)溫度傳感器，檢測(cè)板料成形前的溫度。不同零件成形前的溫度會(huì)有差異，理想的溫度是750℃左右。

??關(guān)于坯料從加熱爐出來(lái)移至模具型腔的時(shí)間，可以通過(guò)板料成形前的溫度，板料的厚度、尺寸、鋼板表面的熱流密度等等計(jì)算得出，并靠設(shè)備來(lái)保證該時(shí)間。

??對(duì)于上述表1中的PATCH結(jié)構(gòu)，在模具設(shè)計(jì)時(shí)，沖壓方向一定是PATCH面指向大面的方向。主要是因?yàn)椋孩旁诩訜釥t中，PATCH面不能直接接觸滾輪，而應(yīng)該保證熱成形板料的大面接觸滾輪。如果PATCH直接接觸滾輪，那么在滾輪運(yùn)動(dòng)過(guò)程中， PATCH料片有可能被卡在兩個(gè)滾輪之間，會(huì)造成停線；⑵熱成形板料從加熱爐移到模具中，由于受節(jié)拍、成本等限制，端拾器都不會(huì)設(shè)計(jì)成將板料從加熱爐中取出，旋轉(zhuǎn)180°后再放到模具中?；谝陨蟽牲c(diǎn)，在PATCH模具設(shè)計(jì)時(shí)，要特別注意限制條件。

??⑷保壓時(shí)間。

??保壓在模具中實(shí)現(xiàn)，熱成形的模具集成形和冷卻淬火于一身。鋼板保壓淬火階段，鋼板溫度隨時(shí)間的變化主要由鋼板與模具間的熱阻和接觸面積決定。熱成形模具上帶冷卻系統(tǒng)，通過(guò)模具傳遞熱量使零件快速冷卻，最終轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。

??冷卻時(shí)間可以先模擬計(jì)算一個(gè)值，后續(xù)調(diào)試過(guò)程中，可以不斷進(jìn)行優(yōu)化。某車型中立柱加強(qiáng)板在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，冷卻時(shí)間不斷優(yōu)化，第一次將冷卻時(shí)間由11s優(yōu)化到9s；第二次由9s優(yōu)化到7s并保持不變。

??⑸冷卻速度。

??只有在冷卻速度超過(guò)某一臨界值后，才能使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，目前研究出來(lái)的熱沖壓工藝?yán)鋮s速度最小30℃/s。

??幾何尺寸的過(guò)程控制

??⑴熱成形零件的型面幾何尺寸。

??熱成形零件的型面尺寸主要取決于上下模鑲塊的加工精度、模具的閉合高度、溫度等等。熱成形模具在普通模具的基礎(chǔ)上增加了冷卻系統(tǒng)，上下模鑲塊都設(shè)計(jì)了冷卻水道；同時(shí)對(duì)于復(fù)雜零件同樣也需要增加壓料的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，先壓料再成形。目前對(duì)于熱成形零件，貼合面面位置度公差帶能控制在1mm以內(nèi)，非貼合面面位置度公差帶能控制在2mm以內(nèi)；與低強(qiáng)度冷沖壓鋼材（如DC04）相比，熱成形由于受到溫度等因素影響，型面尺寸精度穩(wěn)定性稍差；但與高強(qiáng)度鋼冷沖壓（抗拉強(qiáng)度大于400MPa）對(duì)比，由于高強(qiáng)度鋼板冷沖壓回彈較大，熱成形尺寸的符合性和穩(wěn)定性具有較大的優(yōu)勢(shì)，冷沖壓板材強(qiáng)度越高，熱成形優(yōu)勢(shì)越明顯。

??⑵熱成形零件修邊線以及孔尺寸。

??根據(jù)零件功能的需求，有些零件的部分修邊線采用預(yù)開發(fā)，后續(xù)不再進(jìn)行激光切割；有些是必須要采用激光切割的。目前，判定修邊線是否采用激光切割的公差帶臨界值基本設(shè)定在4mm。低于4mm的，采用激光切割；高于或者等于4mm的采用預(yù)開發(fā)以節(jié)約成本。

??如果采用預(yù)開發(fā)，后續(xù)不再激光切割，修邊線誤差的控制來(lái)源于以下幾個(gè)方面：

??①開卷落料所帶來(lái)的公差。

??開卷落料優(yōu)點(diǎn)是材料利用率高，但是缺點(diǎn)是多布局沖裁后獲得最終料片，存在誤差累積；誤差累積±0.5mm，生產(chǎn)通過(guò)調(diào)整關(guān)鍵位置，最多可以控制誤差量±0.4mm。

??②熱壓成形在模具中的定位誤差。

??同冷沖壓模具一樣，熱成形模具上同樣會(huì)采用定位銷定位，板料孔與定位銷間隙0.1～0.2mm，否則板料會(huì)卡住，放不進(jìn)模具。

??③熱成形過(guò)程中材料流動(dòng)。

??熱壓過(guò)程中材料在模具中流動(dòng)不均勻，產(chǎn)品形狀隨料片投入角度位置、初始觸料位置、沖壓速度（應(yīng)變速度）、沖壓變形壓力、模具溫度和環(huán)境溫度等等的變化而發(fā)生變化。所有零件均存在波動(dòng)，依據(jù)零件形狀，不同部位產(chǎn)生不同波動(dòng)。這個(gè)誤差需要根據(jù)具體零件來(lái)具體分析，以后縱梁加強(qiáng)板為例，會(huì)產(chǎn)生±0.5mm的偏差。

??④零件在激光切割后的應(yīng)力釋放產(chǎn)生±0.2mm的偏差。

??⑤成形性的自身因素會(huì)產(chǎn)生±0.5mm的偏差。

??對(duì)于后續(xù)修邊線需采用激光切割的工藝，以下幾個(gè)參數(shù)需要控制：

??①零件在激光切割?yuàn)A具上的定位：工序件在激光切割?yuàn)A具上的定位，對(duì)成品件的穩(wěn)定性有著決定性的作用。目前最優(yōu)的定位方式是1個(gè)翻孔+型面來(lái)定位。其中翻孔孔徑φ16mm，翻邊高度1～3mm；

??②使用氣體的壓力（高壓）；

??③使用氣體的壓力（低壓）；

??④切割速度等等因素。

??一般激光切割后的孔徑公差最高可達(dá)到0.2mm，孔位以及修邊線的位置度可控制在1mm以內(nèi)。

??關(guān)于熱成形后的修邊線，除了激光切割的方式，還可以采用冷切的方案。

??激光切割設(shè)備一次性投入較高，但是設(shè)備可以供其他零件使用；單個(gè)零件上激光切割區(qū)域越多，所需時(shí)間就越長(zhǎng)，成本越高；激光切割需要投資1套夾具。冷切投入的模具費(fèi)用較設(shè)備投資相對(duì)少，但是不能與其他零件共模，生產(chǎn)效率比激光切割高。對(duì)于產(chǎn)量達(dá)到或高于一定數(shù)量的車型，用修沖孔模替代激光切割，可以減少激光切割的成本，同時(shí)提高生產(chǎn)效率，從而降低零件成本。目前，已有零件采用后續(xù)冷切的方案進(jìn)行批量供貨。

??同時(shí)，對(duì)于修邊線，從技術(shù)上來(lái)講，也可以在熱壓過(guò)程中進(jìn)行修邊。

??對(duì)于在熱壓過(guò)程中進(jìn)行修邊，有的供應(yīng)商也研究過(guò)，但是目前由于節(jié)拍達(dá)不到要求，并且控制方面穩(wěn)定性差，所以一直處于研究階段，并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

??熱成形件的可追溯性標(biāo)識(shí)

??所有的零件必須要有可追溯標(biāo)識(shí)，可追溯各個(gè)工序的生產(chǎn)信息、數(shù)量、人員及原材料。對(duì)于熱成形零件也不例外。冷沖壓件會(huì)在成形工序上打標(biāo)識(shí)。但是和冷沖壓不同的是，在熱成形過(guò)程中實(shí)現(xiàn)打標(biāo)識(shí)難度很大：⑴增加的打印標(biāo)識(shí)的鑲塊會(huì)影響冷卻系統(tǒng)；⑵在材料流動(dòng)的情況下進(jìn)行打刻，打印標(biāo)記內(nèi)容會(huì)受到影響。所以，對(duì)于熱成形零件來(lái)說(shuō)，一般在拆垛系統(tǒng)中增加一個(gè)打碼工位，機(jī)器人取料片→打標(biāo)識(shí)→將料片送至滾輪上→再進(jìn)加熱爐加熱。這套打碼的設(shè)備可以適用于不同車型的不同熱成形零件。

??結(jié)束語(yǔ)

??隨著輕量化和碰撞要求越來(lái)越高，熱成形的設(shè)計(jì)也在不斷的革新。熱成形材料供應(yīng)商，設(shè)備供應(yīng)商以及模具供應(yīng)商等和主機(jī)廠將面臨更多的挑戰(zhàn)與機(jī)遇。同時(shí)，熱成形的工藝控制技術(shù)將隨著熱成形設(shè)計(jì)的變化不斷更新，質(zhì)量控制將作為主機(jī)廠和熱成形供應(yīng)商共同研究的一個(gè)課題并不斷優(yōu)化。