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摘要: 汽車輕量化已經(jīng)成為世界汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然道路。作為多種新型成形工藝之一，熱成形技術(shù)助力汽車輕量化的發(fā)展，已越來(lái)越多地獲得汽車生產(chǎn)廠商的關(guān)注，可預(yù)見未來(lái)10年熱成形技術(shù)在我國(guó)汽車行業(yè)將有更多的應(yīng)用。
在汽車業(yè)界，對(duì)于熱成形技術(shù)的優(yōu)劣，以及其是否符合汽車產(chǎn)業(yè)長(zhǎng)期可持續(xù)發(fā)展的要求，還有很多見仁見智的不同看法。為此，上海市汽車工程學(xué)會(huì)聯(lián)合中國(guó)汽車工程研究院、材料成形與模具技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、軋制技術(shù)及連軋自動(dòng)化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室共同舉辦了“現(xiàn)代汽車制造系列論壇——2013中國(guó)汽車行業(yè)發(fā)展與熱成形技術(shù)論壇”。論壇旨在集合國(guó)內(nèi)從事高強(qiáng)度鋼熱成形研究與應(yīng)用的企業(yè)，共同就汽車行業(yè)目前及未來(lái)需要解決的技術(shù)難題一一探討，攻堅(jiān)克難，從而對(duì)熱成形技術(shù)在汽車行業(yè)的應(yīng)用和發(fā)展有一個(gè)正確的認(rèn)識(shí)。
國(guó)內(nèi)汽車熱成型技術(shù)現(xiàn)狀
中國(guó)汽車工程研究院副總工程師馬鳴圖先生表示， 汽車工業(yè)發(fā)展、汽車產(chǎn)量增多、汽車保有量的加大帶來(lái)了三大問(wèn)題：油耗、環(huán)保和安全，針對(duì)這三大問(wèn)題，各國(guó)都制定了相應(yīng)的法規(guī)。除了改善發(fā)動(dòng)機(jī)效率、傳動(dòng)系統(tǒng)效率與汽車風(fēng)阻等提高燃油經(jīng)濟(jì)性的措施之外，輕量化是必不可少的手段。輕量化和汽車安全功能的提升導(dǎo)致高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用，特別是熱沖壓成形在超高強(qiáng)度用鋼的生產(chǎn)和應(yīng)用，輕量化的同時(shí)，保證了汽車的安全性。
高強(qiáng)度鋼應(yīng)用中的問(wèn)題有：成形性尚需進(jìn)一步改進(jìn)；回彈；成形模具的壽命需要提升；連接方法或點(diǎn)焊后的評(píng)價(jià)方法；設(shè)計(jì)準(zhǔn)則；數(shù)據(jù)需要積累，數(shù)據(jù)庫(kù)需要建立。既要改善高強(qiáng)度鋼的成形性，又要獲得制件的超高強(qiáng)度，熱沖壓成形技術(shù)就應(yīng)運(yùn)而生。
2008-2010年之間，國(guó)外大約有110條熱沖壓生產(chǎn)線，主要分布在美國(guó)、德國(guó)、日本、法國(guó)、西班牙、瑞典等國(guó)家。中國(guó)僅有5條生產(chǎn)線，分別是長(zhǎng)春BENTLER、昆山GESTAMP，上海BENTLER、上海嘉定COSMA及上海寶鋼。熱沖壓生產(chǎn)線大多由瑞典AP&T公司及德國(guó)Shuler公司提供，兩家公司幾乎壟斷了全球所有的熱沖壓成形生產(chǎn)線市場(chǎng)。隨著熱沖壓成形技術(shù)的不斷發(fā)展，國(guó)內(nèi)熱沖壓生產(chǎn)線的數(shù)量也不斷上升，目前已建成的熱沖壓成形生產(chǎn)線有近40條，主要分布在東北、華北和華東地區(qū)。除此之外西南、東南、華中等地區(qū)也有熱成形生產(chǎn)線建設(shè)計(jì)劃，預(yù)計(jì)到2014年，中國(guó)將會(huì)有超過(guò)40條熱沖壓成形生產(chǎn)線，遍布全國(guó)各地。
熱沖壓成形技術(shù)、裝備、材料、工藝圍繞著熱沖壓成形零件功能的提升，質(zhì)量的可靠性、一致性、成本的下降、性價(jià)比的提升等方面在迅速發(fā)展，尤其是在中國(guó)，熱成形產(chǎn)業(yè)發(fā)展很快，針對(duì)相關(guān)問(wèn)題應(yīng)進(jìn)行深入研究，逐步形成中國(guó)熱沖壓成形的專有技術(shù)，滿足中國(guó)熱成形產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，趕上和超過(guò)國(guó)際先進(jìn)水平。
上海汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心車身部總監(jiān)邱國(guó)華介紹了熱沖壓技術(shù)在汽車車身上的應(yīng)用。他表示，歐系和美系車熱沖壓件應(yīng)用相對(duì)較多，日系車熱沖壓件應(yīng)用相對(duì)較少。全球主流新車型都使用熱沖壓技術(shù)，個(gè)別車型熱沖壓件應(yīng)用比例較高。目前普遍應(yīng)用的是等厚、等強(qiáng)度板熱沖壓技術(shù)。軋制差厚板、激光拼焊板、補(bǔ)丁板熱沖壓技術(shù)正逐步推廣應(yīng)用。
熱沖壓技術(shù)應(yīng)用的主要問(wèn)題有：(1)CAE分析能力：目前難以準(zhǔn)確描述軋制差厚板和變強(qiáng)度板的性能，導(dǎo)致CAE分析精度不高。(2)零部件成本高：現(xiàn)階段熱沖壓Al-Si鍍層鋼板、軋制差厚板和激光拼焊板全部從國(guó)外進(jìn)口，增加了原材料成本，同時(shí)沖壓件成本都比冷沖壓高很多。(3)原材料來(lái)源少：現(xiàn)階段Al-Si鍍層等厚鋼板和激光拼焊板受專利保護(hù)，只有一家國(guó)外供應(yīng)商提供，軋制差厚板也只有一家德國(guó)供應(yīng)商提供。(4)軟模件質(zhì)量差：用不帶鍍層的鋼板加工快速軟模零件時(shí)，由于加熱階段不帶保護(hù)氣氛，導(dǎo)致零件表面質(zhì)量很差；模具不帶冷卻管道，導(dǎo)致零件性能的穩(wěn)定性無(wú)法保證。
熱成型技術(shù)解決方案
上海賽科利汽車模具技術(shù)應(yīng)用有限公司技術(shù)中心副科長(zhǎng)劉磊超先生對(duì)熱成型中先進(jìn)模具的制造技術(shù)應(yīng)用做了演講。他表示，在高溫狀態(tài)下，雖然板料具有較好的流動(dòng)性，但是抗拉強(qiáng)度大大降低，不宜采用拉延工藝，基本以成形工藝為主。在制定沖壓工藝時(shí)，板料總體的流動(dòng)方向?yàn)橛蓛?nèi)及外，壓邊圈只起到輔助材料成形的作用。對(duì)于外形復(fù)雜的零件，需要在局部設(shè)計(jì)壓料板，控制材料流動(dòng)，確保成形結(jié)果。材料在高溫狀態(tài)下，流動(dòng)應(yīng)力與應(yīng)變、應(yīng)變速率和溫度三個(gè)因素相關(guān)，導(dǎo)致熱成形CAE模擬的一致性低于冷沖壓，需要結(jié)合調(diào)試經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行修正。板料與模具間的接觸熱阻與兩者間的壓力和間隙緊密相關(guān)，CAE模擬需充分考慮該影響因素。 研究表明，材料的冷卻速度不同，體積的膨脹量和收縮量不同。在熱成形過(guò)程中，同一零件上的不同部分，由于與模具的接觸順序和狀態(tài)有差異，導(dǎo)致不同部分材料的膨脹量不同，從而導(dǎo)致最終零件扭曲變形。因此需要依據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，對(duì)模具型面進(jìn)行補(bǔ)償，以得到尺寸合格的零件。
熱成形模具鋼一般采用熱作模具鋼，需要具備足夠的紅硬性、高溫耐磨性和導(dǎo)熱性能。熱導(dǎo)率越高，傳熱速度越快，能達(dá)到較高的生產(chǎn)節(jié)拍，但是往往硬度和耐磨性比較差，需要綜合生產(chǎn)綱領(lǐng)、生產(chǎn)節(jié)拍、材料價(jià)格等因素，選用適當(dāng)?shù)哪＞卟馁|(zhì)。熱成形模具含有冷卻水道，鑲塊需要整體熱處理，因此需要合理安排深孔鉆、熱處理、2D/3D加工、粗/精加工、組合加工等制造、裝配工藝，實(shí)現(xiàn)工藝流程的最優(yōu)化。
雖然熱成形零件得到了大量應(yīng)用，但是行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)也越來(lái)越激烈，產(chǎn)品價(jià)格一路下降，這對(duì)零件和模具的開發(fā)提出更高的要求，推動(dòng)技術(shù)不斷進(jìn)步。 TRB(柔性軋制板)/TWB(拼焊板)/Patch(補(bǔ)丁板)的熱成形零件，需要針對(duì)工藝特點(diǎn)，設(shè)計(jì)沖壓工藝和模具結(jié)構(gòu)，以滿足質(zhì)量要求。
本土汽車熱沖壓成形應(yīng)用
奇瑞汽車工程中心材料工程部部長(zhǎng)孫衛(wèi)健先生介紹了熱成形技術(shù)在奇瑞汽車上的應(yīng)用。他表示，熱成形鋼通過(guò)高溫加熱，實(shí)現(xiàn)材料組織轉(zhuǎn)變與零件成型同步，解決了超高強(qiáng)度鋼成型問(wèn)題。熱成形技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于：得到超高強(qiáng)度的車身零件；減輕車身重量；提高車身安全性、舒適性；改善沖壓成形性，制回彈，提高零件尺寸精度；高溫時(shí)材料屈服強(qiáng)度降低，對(duì)沖壓所需壓機(jī)噸位的要求也相應(yīng)降低；提高焊接性、表面硬度、抗凹性和耐腐蝕性。而熱成形技術(shù)的不足在于：設(shè)備投資大(冷卻系統(tǒng)、步進(jìn)爐、激光切割)；模具設(shè)計(jì)和加工復(fù)雜，制造、保養(yǎng)成本高；零件單件成本相對(duì)較高；零件連接技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。
隨著汽車環(huán)保和安全法規(guī)的日益嚴(yán)格，熱成形已被各大汽車廠廣泛采用。奧迪A3達(dá)到21.7%，占骨架重量比的26.4%，是迄今有資料顯示的熱成形用量最高的車型。奇瑞一直重視熱成形技術(shù)的應(yīng)用，來(lái)實(shí)現(xiàn)安全與輕量化的平衡。已開發(fā)的熱成形零件有B柱加強(qiáng)板、Door Beam、前保險(xiǎn)桿橫梁和A柱加強(qiáng)管等。典型案例有艾瑞澤7，應(yīng)用于A柱、B柱、門防撞板、前擋板加強(qiáng)橫梁等7個(gè)零部件，熱成型應(yīng)用總體實(shí)現(xiàn)減重8.6kg，顯著提高整車的安全性。從結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)B柱頂部與底部性能的差異化，達(dá)到TRB、TWB和熱成型局部淬火技術(shù)相同的性能。熱成形應(yīng)用于前擋板加強(qiáng)橫梁，使前碰時(shí)防火墻的侵入量得到有效的控制。
目前奇瑞的熱成形應(yīng)用與奧迪有相同的理念，但是精細(xì)的性能設(shè)計(jì)能力還是存在差距。熱成形部件應(yīng)用實(shí)現(xiàn)“理想載荷傳遞路徑”的構(gòu)建。車身呈“籠”式，前艙布置了四條縱向能量流吸收和傳遞通路，兩條連通前后保險(xiǎn)桿的縱向大梁。此外，A柱、B柱、前門防撞板采用超高強(qiáng)度的熱成形鋼板，其實(shí)際抗拉強(qiáng)度超過(guò)1500MPa。這種設(shè)計(jì)使得在前碰時(shí)確保了座艙的完整性，提高安全性。超高強(qiáng)度熱成形鋼板在A柱、B柱、前門防撞板上的運(yùn)用以及設(shè)計(jì)的合理性，減少了側(cè)碰時(shí)車身的侵入量，提高了碰撞安全性。由此可見，自主品牌產(chǎn)品技術(shù)實(shí)力提升，對(duì)新技術(shù)的需求更為迫切。
