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钢板热冲压生产线及其国产化

信息来源:cncbuy.com  时间:2012-02-09  浏览次数:924

    汽车轻量化是现代汽车设计制造的主流。车身轻量化对减轻汽车整车自重、提高整车燃油经济性和节能环保至关重要。汽车重量每降低100公斤,每百公里至少可节约1.6l燃油。轻量化可能会降低汽车的碰撞安全性,既能保证安全性又能实现轻量化,而且同时实现成本和效益最优化是汽车制造业极为关注的目标。
    由于铝镁合金性价比低,其关键力学性能与钢铁相比也无明显优势,因此采用高强度钢板热冲压生产技术正呈现出欣欣向荣的趋势,成为同时实现轻量化和提高碰撞安全性的最好途径。热冲压技术不仅有高强度比的优点,且在高温下材料成形性好,能消除回弹影响,零件精度高,成形质量好。
    近年来,国外汽车制造商已将高强度钢板热冲压技术应用于前保险杠、后保险杠、A柱、B柱、C柱、车顶构架、车底框架以及车门内板、车门防撞梁在内的结构件上。例如,在VOLVO车型中热冲压硼钢的使用量逐年递增,预计将达到白车身的45%以上,如图1所示。

    热冲压技术的概念
    热冲压是相对比常见的冷冲压成形而言,为了克服高强度钢板冷成形的困难,热冲压须将钢板加热实现相变再冲压成形并进行淬火,从而获得更高的强度、抗变形性与硬度,能够成形抗拉强度高达1600-2000MPa的零部件,可组焊成高强度驾乘单元,承受5吨以上的静压而不损坏。采用这种相对于超高强度的结构件,可明显提高汽车的碰撞安全性,同时通过减小壁厚或截面、减少汽车装配环节中的零部件的数量尺寸,从而实现轻量化。正因为热冲压的技术优势,才使得高强度钢热冲压技术正受到全球汽车厂商和钢铁生产企业的的青睐和极大关注。
    热冲压不单是简单的“冷转热”过程,涉及到了十分复杂的金属材料热—力—相变多物理场耦合和多尺度问题以及热边界摩擦非线性力学问题。高强钢板热冲压的复杂性要克服热冲压缺陷的产生:诸如局部过分软化-缩颈、破裂,起皱,马氏体转化不均匀等,还要实现最佳的奥氏体-马氏体化温度、最佳模内冷却速率、最佳成形压力、最佳保压时间等优化问题,这就需要从宏观和微观尺度进行诸如成形性分析、服役性能等进行深入研究和技术积累。
    广泛采用22MnB5高强度硼钢是目前从材料上实现热冲压的一种最优选择。该钢种初始抗拉强度介于400MPa~600MPa之间,无论是热轧还是冷轧板材产品均可在奥氏体化后通过快速淬火处理得到马氏体组织,实现热冲压成形生产。目前市场上广泛应用的热冲压板材以欧洲Arcelor公司出产的带Al-Si涂层的USIBOR1500及改型批次为代表,产品厚度为0.7mm~2.4mm不等。带涂层的热冲压钢板由于表面有效隔绝空气与钢铁接触,在热冲压过程中不会产生大量氧化皮,表面质量好,后续几乎不需喷丸工序,但涂层易与加热炉中磁辊粘结。无涂层的钢板由于具有大量氧化皮,后续需要喷丸处理,但不会与加热炉中磁棍粘结,二者各具利弊。其他诸如日本新日铁、神户制钢、韩国浦硕钢厂也正积极开发生产用热冲压钢板。国内宝钢开发的冷轧B1500HS、热轧BR1500HS也已实现批量供货,通钢、鞍钢等钢铁企业也正积极投入相关热冲压钢板开发中。
    不同的热冲压工艺
    根据实际零部件加工难易程度、成形顺序等工序,热冲压工艺分为一次成形和二次成形方式。直接冲压工艺是指高强度钢板板料加热到奥氏体化温度并保温一段时间后,直接放入具有冷却系统的模具里进行冲压成形及淬火,一次成形,但需要增加激光切割设备,其主要优点有二:
    (1)板料在一套模具中进行冲压成形及淬火,节省了预冲压成形模具费用并加快了生产节奏。
    (2)材料被加热前为平板料,这样不仅节省了加热区面积进而节省能源,而且可以选取多种加热方式,例如可以采取感应和辐射加热炉进行奥氏体化加热。
    二次成形过程是通过将一次成形并切边的零件再进行加热—定形—淬火,最终可获得减少激光切边成本的高强度结构件,最主要的优点是可进行更复杂形状的车体结构件冲压成形。板料预冲压成形后,后续热冲压成形工艺不需要过多考虑板料高温冲压成形性能,可确保板料充分淬火得到所需要的马氏体组织。板料预冲压成形后可以进行修边、翻边、冲孔等工艺加工,避免板料淬火硬化后加工困难问题。但由于增加了二次模具冷却,其不可避免的增加了制造过程中的模具成本。两种不同工艺的比较如图2所示。图2左侧所示为一次成形的过程和冲压件,右侧所示为二次成形的过程和冲压件。

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