鋼板熱沖壓新技術(shù)介紹

1、第16卷第4期2009年8月塑性工程學(xué)報(bào)Vol116No14Aug12009doi:1013969/j1issn1100722012120091041009鋼板熱沖壓新技術(shù)介紹(寶鋼鋼鐵股份有限公司研究院,上海201900)徐偉力(寶鋼金屬有限公司,艾健3羅愛輝4上海200120)管曙榮2摘要:鋼板熱沖壓是一種將先進(jìn)高強(qiáng)度鋼板加熱到奧氏體溫度后快速沖壓,在保壓階段通過模具實(shí)現(xiàn)淬火并達(dá)到所需冷卻速度,從而得到組織為馬氏體,強(qiáng)度在1500MPa左右的超高強(qiáng)度零件的新型成形技術(shù)。文章對鋼板熱沖壓新技術(shù)的關(guān)鍵裝備、核心技術(shù)和優(yōu)缺點(diǎn)做了系統(tǒng)介紹,并指出了其使用現(xiàn)狀和前景。關(guān)鍵詞:熱沖壓;冷卻;淬火中圖分

2、類號:TG38文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:100722012(2009)0420039205Introductionof2li1AIJian3LUOAi2hui4&Co1,LTD1,R&DCenter,Shanghai201900China)GUANShu2rong2(BaoteelMetalCo1,Ltd,Shanghai200120China)Abstract:BlankhotformingisanewtechnologywhichisrealizedbyheatingtheadvancedhighstrengthsteeltoAusteniticphase,quickstam

3、ping,andquenchingindieduringpressholdingtomeettherequiredcoolingspeed.Bythisnewformingtechnology,thephaseofthepartscanbechangedtomartensite,andthestrengthofthepartscanbeabout1500MPa.Inthispaper,Keye2quipments,keytechnology,advantageanddisadvantageofblankhotformingareintroduced,andtheapplicationstatu

4、sandtrendsisproposed.Keywords:hotforming;cooling;quench本身的使用性能,特別是剛度特性產(chǎn)生不利影響。引言隨著國家汽車正碰、側(cè)碰、排放等強(qiáng)制法規(guī)的相繼推出,汽車車身鋼鐵用材正日益面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),采用先進(jìn)高強(qiáng)鋼,如DP鋼、TRIP鋼、高擴(kuò)孔鋼等也無可爭議地成為汽車用材的主流趨勢。通過車身零件減薄和高強(qiáng)的合理匹配,不僅可以有效減輕車身重量,降低油耗,而且可以確保、提高車型的安全性和舒適性。但對沖壓成形工藝而言,減薄和高強(qiáng)是惡化成形性的雙重因素,不僅使得車身零件在成形過程中容易開裂,而且容易產(chǎn)生過量回彈,影響車身后續(xù)的裝配。另外,減薄高強(qiáng)對車身零件

5、對于強(qiáng)度超過1000MPa的高強(qiáng)鋼,傳統(tǒng)沖壓工藝往往束手無策。一種新型的成形工藝,特殊高強(qiáng)度鋼板的熱沖壓技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。鋼板熱沖壓是另一種獲得超高強(qiáng)度沖壓件的有效途徑,是最近20多年發(fā)展、應(yīng)用起來的一種新技術(shù)。這種新技術(shù)最先由瑞典的HardTech公司于20世紀(jì)80年代提出,通過20多年的發(fā)展成功實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化批量應(yīng)用。這種鋼板熱沖壓新技術(shù)和傳統(tǒng)意義上的熱沖壓技術(shù)的本質(zhì)區(qū)別在于,不是通過空冷,而是通過布置冷卻回路,并通冷卻水的模具對零件實(shí)現(xiàn)快速淬火冷卻,然后得到1500MPa左右甚至更高強(qiáng)度的沖壓件。這種超高強(qiáng)度的沖壓件,無論是冷沖壓工藝,還是傳統(tǒng)意義上的熱沖壓工藝,都無法實(shí)現(xiàn)。鋼板熱沖壓新技術(shù)在國

6、外還有4個(gè)主要的稱謂,即hotstamping,presshardening,diequenching和hotpressing。在傳統(tǒng)熱沖壓領(lǐng)域,無論是裝備還是核心技術(shù)方面,徐偉力E2mail:weilixubaosteel1com作者簡介:徐偉力,男,1971年生,首席研究員收稿日期:2008204218;修訂日期:200920323040塑性工程學(xué)報(bào)第16卷公開發(fā)表的文章相對較多,國內(nèi)也有較多文獻(xiàn)報(bào)道123。而在鋼板熱沖壓新技術(shù)領(lǐng)域,公開發(fā)表的研究成果相對較少。歐洲的PscalRavier,LuciaGar2ciaAranda,YvanChastel等425對熱沖壓過程的材料熱力耦合本構(gòu)關(guān)

7、系、材料特性參數(shù)、模擬件試制進(jìn)行了研究428。國內(nèi),寶鋼研究院對熱沖壓過程熱力耦合仿真分析、熱沖壓材料本構(gòu)關(guān)系及特性參數(shù)、熱沖壓零件可制造性分析等進(jìn)行了比較系統(tǒng)的研究,哈爾濱工業(yè)大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、上海交通大學(xué)、北京航空航天大學(xué)也有相關(guān)研究或研究計(jì)劃。但由于鋼板熱沖壓新技術(shù)基本上處于技術(shù)封鎖和壟斷狀態(tài),國內(nèi)很少有人、有機(jī)會接觸到工業(yè)化的熱沖壓產(chǎn)線,對這個(gè)新技術(shù),特別是關(guān)鍵裝備和核心技術(shù)了解不多。為此,本文結(jié)合國內(nèi)第4條(至今為止也只有4條)熱沖壓產(chǎn)線,對這個(gè)新技術(shù)的關(guān)鍵裝備心技術(shù)和優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)存在在噴丸過程中容易產(chǎn)生變形,但鋼板加熱過程中,鍍層不會與加熱爐的套磁輥發(fā)生粘結(jié),因此帶鍍層和無鍍層熱沖

8、壓用鋼板各有利弊。112熱沖壓產(chǎn)線鋼板熱沖壓產(chǎn)線包括板料拆垛系統(tǒng)、打標(biāo)站、加熱爐、上料裝置、壓機(jī)、下料裝置、零件堆垛系統(tǒng)等部件,如圖1所示。圖1熱沖壓產(chǎn)線Fig11Hot2formingline1加熱爐鋼板熱沖壓新技術(shù)需要對鋼板進(jìn)行加熱,為避免鋼板表面在加熱過程中產(chǎn)生氧化皮,爐子需要通保護(hù)氣體。為了實(shí)現(xiàn)在給定生產(chǎn)節(jié)拍下的連續(xù)自動化生產(chǎn),爐子必須具備自動化進(jìn)料和出料功能;必須有足夠的加熱功率以實(shí)現(xiàn)在設(shè)定時(shí)間內(nèi)使?fàn)t子里的鋼板完全奧氏體化;必須保證出爐以后的鋼板有足夠的定位精度。另外,爐子必須配備應(yīng)急發(fā)電機(jī),并在控制系統(tǒng)上確保意外斷電后的自動啟動功能,以保護(hù)爐子內(nèi)的陶瓷輥。目前全球范圍內(nèi)的數(shù)十條鋼板

9、熱沖壓產(chǎn)線,其加熱爐全部由歐洲供應(yīng)商提供,國內(nèi)至今還沒有成熟、可靠的產(chǎn)品。11212上料裝置對于連續(xù)自動化冷沖壓生產(chǎn)而言,可以采用機(jī)器人帶吸盤的方式抓取鋼板,并把鋼板放到模具上。對于連續(xù)熱沖壓而言,由于出爐以后的鋼板處于高溫狀態(tài),無法采用吸盤,其上料裝置只能采用針對特定毛坯形狀設(shè)計(jì)的夾持器,并依靠機(jī)器人或機(jī)械手的動作把高溫狀態(tài)的鋼板送入模具。夾持器的設(shè)計(jì)必須考慮鋼板在高溫狀態(tài)下的膨脹效應(yīng),同時(shí)既要考慮平穩(wěn)地抓取鋼板,又要盡可能地減小夾持點(diǎn)處鋼板的局部溫降。為盡量減少鋼板表面的氧化皮,并減小鋼板熱沖壓之前的溫降,上料時(shí)間必須盡可能地短,采用高速機(jī)械手是最佳的選擇。而目前,國內(nèi)既沒有成功設(shè)計(jì)熱沖壓

10、上料夾持器的經(jīng)驗(yàn),也沒有鋼板熱沖壓上料所需的快速機(jī)器人或機(jī)械手的供應(yīng)商。11211鋼板熱沖壓新技術(shù)是一種將特殊的高強(qiáng)度鋼板加熱到奧氏體溫度范圍,快速移動到模具,快速沖壓,在壓機(jī)保壓狀態(tài)下通過模具(而不是空氣)對零件進(jìn)行淬火冷卻(并要保證一定的冷卻速度),最后獲得超高強(qiáng)度沖壓件(組織為馬氏體,強(qiáng)度在1500MPa左右甚至更高)的新型成形工藝。鋼板熱沖壓新技術(shù)的技術(shù)特征,決定了其有別于冷沖壓甚至傳統(tǒng)意義上的熱沖壓裝備。熱沖壓用鋼板熱沖壓需要一種特殊的高強(qiáng)鋼,這種鋼初始抗拉強(qiáng)度在400MPa600MPa左右,奧氏體化以后通過快速淬火處理,可以得到馬氏體組織,其強(qiáng)度能達(dá)到1500MPa,甚至更高。目前

11、歐洲的Arcelor能批量生產(chǎn)帶Al2Si鍍層的熱沖壓用鋼板USI2BOR1500,這種鋼板在熱沖壓過程中不會產(chǎn)生氧化皮。另外,西歐、北歐、日本、韓國的鋼廠也能批量生產(chǎn)熱沖壓用鋼。國內(nèi),寶鋼于2006年成功開發(fā)了不帶鍍層的熱沖壓用鋼(冷軋B1500HS,熱軋BR1500HS),并實(shí)現(xiàn)批量供貨,是目前國內(nèi)唯一的熱沖壓用鋼供應(yīng)商。帶鍍層的熱沖壓用鋼板,沖壓時(shí)工作環(huán)境好,零件表面質(zhì)量好,后續(xù)無需噴丸工序,但鋼板在加熱過程中,鍍層容易和加熱爐的套磁輥發(fā)生粘結(jié);無鍍層的熱沖壓用鋼板,沖壓時(shí)工作環(huán)境差,零件表面相對較差,后續(xù)需要噴丸工序,對于薄板零件還111第4期11213徐偉力等:鋼板熱沖壓新技術(shù)介紹4

12、1壓機(jī)鋼板熱沖壓壓機(jī)要具備快速合模沖壓并保壓的目前,全球范圍內(nèi)能成功設(shè)計(jì)、制造鋼板熱沖壓模具的廠家不超過20家,而且實(shí)行嚴(yán)格的技術(shù)保護(hù)和封鎖。國內(nèi)能夠接觸到這類模具內(nèi)部結(jié)構(gòu)的人極少,至今不具備這類模具的設(shè)計(jì)能力。目前國內(nèi)僅有的4條鋼板熱沖壓產(chǎn)線所使用的熱沖壓模具全部從國外進(jìn)口,價(jià)格昂貴。通過科研攻關(guān),寶鋼在國內(nèi)率先掌握了熱沖壓模具設(shè)計(jì)技術(shù),至今已經(jīng)完成了5套批量熱沖壓模具的自主設(shè)計(jì)。毛坯定位對冷沖壓而言,常常采用定位銷對毛坯進(jìn)行定位。對熱沖壓來說,熱態(tài)毛坯在重力作用下的變形撓度很大。、提高熱沖壓成形性,。CAE分析鋼板熱沖壓新技術(shù)領(lǐng)域的CAE分析可以拆分為熱沖壓過程分析(預(yù)測零件的熱沖壓可制造

13、性)、保壓淬火過程分析(預(yù)測零件的組織和力學(xué)性能)和回彈分析(預(yù)測零件的成形精度)。目前,在這一領(lǐng)域各廠家也分別以企業(yè)技術(shù)秘密(KNOW2HOW)的形式,實(shí)行嚴(yán)格的技術(shù)保護(hù)和封鎖,見諸報(bào)道的都是分析的結(jié)果,而不是過程。在沖壓過程的CAE分析中,需要準(zhǔn)確的材料性能參數(shù),如彈性模量、泊松比、高溫狀態(tài)下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和鋼板摩擦特性等,這些參數(shù)和冷沖壓狀況是完全不同的。近幾年,寶鋼通過大量的試驗(yàn)工作,在鋼板熱沖壓零件可制造性方面取得了一定的突破,已能夠滿足一定的工業(yè)需要。圖2是寶鋼對國內(nèi)某車型的B柱加強(qiáng)板開展熱沖壓可制造性分析的結(jié)果,圖3是該零件試沖結(jié)果,可以看出,寶鋼開展的熱沖壓可制造性分析能夠成功

14、預(yù)測零件的熱沖壓成形缺陷,對優(yōu)化、改進(jìn)零件外形及其熱沖壓模具型面具有重要指導(dǎo)作用。213功能。顯然,目前用于冷沖壓的壓機(jī)不能完全適合于鋼板熱沖壓工藝,因?yàn)閭鹘y(tǒng)的液壓機(jī)不具備快速合模及沖壓的功能,而傳統(tǒng)的機(jī)械壓力機(jī)又不具備保壓功能。由于鋼板熱沖壓壓機(jī)要兼顧傳統(tǒng)液壓機(jī)和機(jī)械壓力機(jī)的優(yōu)點(diǎn),因此需要量身定做。目前全球范圍內(nèi)近百條鋼板熱沖壓產(chǎn)線中的壓機(jī)是由歐洲23家供應(yīng)商提供。下料裝置對于連續(xù)自動化冷沖壓生產(chǎn)而言,可以采用機(jī)器人帶吸盤的方式,抓取已沖壓的零件并放到平臺或料箱。對于鋼板連續(xù)熱沖壓而言,由于保壓淬火以后的零件溫度尚在200左右,無法采用吸盤,只能采用針對特定零件設(shè)計(jì)的夾持器,箱。經(jīng)驗(yàn),機(jī)械手

15、的供應(yīng)商。112142211鋼板熱沖壓的核心技術(shù)零件外形和工序設(shè)計(jì)采用冷沖壓工藝的零件,其外形設(shè)計(jì)自由度相對較大,并可以通過35道工序來成形所需外形、尺寸的零件。鋼板熱沖壓原則上只能一道沖壓成形,因此零件的外形設(shè)計(jì)要充分考慮其工藝特點(diǎn)。對于沖壓深度很深、成形難度很大的中通道類零件,可以先采用冷沖壓進(jìn)行預(yù)成形,然后再進(jìn)行熱沖壓,但設(shè)備投資和零件價(jià)格會相對較高。212熱沖壓模具與冷沖壓模具及傳統(tǒng)意義上的熱沖壓模具不同,鋼板熱沖壓新技術(shù)所需的模具具有其特殊性,核心技術(shù)體現(xiàn)在:1)由于車身沖壓件裝配精度要求較高,模具型面設(shè)計(jì)時(shí),需要考慮鋼板的熱脹冷縮效應(yīng),并采取有效補(bǔ)償方案,同時(shí)模具型面不能設(shè)計(jì)冷沖壓

16、模具中常用的拉深筋;2)模具內(nèi)部冷卻回路的設(shè)計(jì)(冷卻孔徑的大小、冷卻孔的間距和布置方式、冷卻孔中心離模具型面的距離、冷卻水的流動方式等);3)基于加工工藝性,特別是鉆孔工藝性的模具分塊及其精密裝配技術(shù);4)模具冷卻水泄漏的有效解決方案。圖2B柱加強(qiáng)板熱沖壓成形性仿真分析Fig12HotformingsimulationforB2pillarreinforcement42塑性工程學(xué)報(bào)第16卷碰撞性能,實(shí)現(xiàn)車身的有效減重;2)成形性相對較好;3)沖壓所需的設(shè)備噸位較小,一般800t的高速液壓機(jī)就能滿足大部分車身零件熱沖壓所需;4)尺寸精度好,圖4是熱沖壓用鋼BR1500HS在相同工藝條件下冷沖壓件

17、和熱沖壓件的外形對比。熱沖壓件的強(qiáng)度在1500MPa左右?guī)缀鯖]有回彈,這在鋼板熱沖壓新技術(shù)發(fā)明應(yīng)用之前是不能想象的。圖3B柱加強(qiáng)板試沖結(jié)果Fig13Try2outforB2pillarreinforcement關(guān)于保壓淬火過程的CAE分析,更是全球范圍內(nèi)急待攻克的技術(shù)難題,至今沒有很好的解決方案。保壓淬火涉及零件內(nèi)部組織由奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變,以及由此帶來的零件力學(xué)性能的突變。要提高保壓淬火的CAE分析精度,首先,預(yù)測在設(shè)定的熱沖壓生產(chǎn)節(jié)拍下,入口溫度、,才是復(fù)雜的熱力耦合分析,預(yù)測零件的組織和力學(xué)性能。至于回彈CAE分析,對于整個(gè)沖壓界而言,都是還沒有妥善解決的世界性難題。每屆的國際NUMI

18、SHEET會議(板料沖壓仿真會議),都有關(guān)于回彈的標(biāo)準(zhǔn)考題(Benchmark)和回彈CAE分析的階段性、局部性研究成果發(fā)布。對于熱沖壓而言,由于熱沖壓過程分析和保壓淬火過程分析的復(fù)雜性,因此,對最后階段高精度的回彈分析顯得尤其困難。目前,業(yè)內(nèi)基本上是通過制作樣模進(jìn)行試沖,來檢驗(yàn)零件的力學(xué)性能和尺寸精度,無形中又增加了鋼板熱沖壓零件的制造成本。215熱沖壓工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)熱沖壓零件的影響因素眾多,毛坯形狀、加熱溫度、爐內(nèi)保溫時(shí)間、鋼板開始沖壓的溫度、沖壓速度、保壓時(shí)間、冷卻速度等因素都會對零件熱沖壓的成形性和成形質(zhì)量產(chǎn)生直接影響。寶鋼2005年聯(lián)合國內(nèi)高校開展相關(guān)攻關(guān),初步掌握了熱沖壓零件成形質(zhì)

19、量的影響因素,寶鋼制作的實(shí)際熱沖壓零件的力學(xué)性能已經(jīng)達(dá)到行業(yè)領(lǐng)先水平。而冷沖壓件的強(qiáng)度只有600MPa左右,卻存在明顯回彈。5)零件表面硬度、抗凹性和剛度好;6)。圖4熱沖壓件和冷沖壓件成形精度比較a)熱沖壓零件;b)冷沖壓零件Fig14Comparisonofdimensionaccuracybetweenhotformingpartandcoldformingpart熱沖壓技術(shù)也存在自身的缺點(diǎn),主要是:1)生產(chǎn)節(jié)拍相對要慢一些;2)由于熱沖壓模具價(jià)格較高,能耗相對較大,后續(xù)又要采用激光切割,所以熱沖壓零件的制造成本較高,這就需要在新車型或改進(jìn)車型設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)化考慮,通過減小零件厚度或減少加強(qiáng)板

20、數(shù)量的方式,來控制白車身的綜合制造成本;3)采用非鍍層鋼板進(jìn)行熱沖壓時(shí),工作環(huán)境相對惡劣,容易產(chǎn)生噴丸變形;4)熱沖壓產(chǎn)線的固定投資較大;5)作為一個(gè)新興的技術(shù),熱沖壓領(lǐng)域公開發(fā)表的成果較少,存在技術(shù)封鎖和壟斷。4鋼板熱沖壓使用現(xiàn)狀及其前景熱沖壓作為一新興的成形技術(shù),作為沖壓零件3熱沖壓的優(yōu)缺點(diǎn)分析與冷沖壓相比,熱沖壓具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢,主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:1)可以得到超高強(qiáng)度的車身零件,從而能夠減小零件厚度,減少車身加強(qiáng)板的數(shù)量,提高車身的高強(qiáng)化的另一有效途徑,在汽車領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。目前,國外越來越多的車型,包括經(jīng)濟(jì)型小車已采用熱沖壓零件;國內(nèi),歐美引進(jìn)車型也廣泛采用鋼板熱沖壓零件

21、。適用于熱沖壓的典型車身零件主要有前、后門左右防撞桿(梁)、前、后保險(xiǎn)杠、A柱加強(qiáng)板、B柱加強(qiáng)板、C柱加強(qiáng)板、地板中通道、車頂加強(qiáng)梁等,如圖5所示。第4期徐偉力等:鋼板熱沖壓新技術(shù)介紹參考文獻(xiàn)431趙清雨.橋殼熱沖壓工藝分析及其應(yīng)用J.鍛壓機(jī)械,2002.(3):282292劉惠海.大型管件封頭的熱沖壓模設(shè)計(jì)J.機(jī)械工藝師,1999.(9):162183李海峰,陳明亮,謝志毅.大型厚壁半球形封頭熱沖壓圖5適合于熱沖壓的車身零件Fig15TypicalhotformingpartsforBIW成形的數(shù)值模擬J.計(jì)算機(jī)仿真,2004.21(3):10921124RavierP,GarciaArandaL,Chastel.Hotstampingex2perimentandnumericalsimulationofpre2coatedUSI2BOR1500quenchablesteelsJ.SAE2003201228595GarciaArandaL,Chastel.Hotstampingofanautomo2bileB2pillarC.Numisheet2002,2002:1676,TThermo2mechanically:the