热冲压成形中的先进加热技术及设备

热冲压成形中的先进加热技术及设备

陈枫、吕浩、林凡红、杨昊、潘凤军 王波

北方华安工业集团有限公司 黑龙江 碾子山 161046

摘要：热冲压成形技术是汽车工业中常用的零部件加工技术，通过热冲压制造的成形件具有强度高、质量轻等特点。由此可见，热冲压成形技术可以很好的满足新时期汽车工业对材料轻量化、高强度的技术要求，具有非常广阔的应用前景。

关键词：热冲压成形；加热技术；设备

前言

热冲压成形技术是一种常见的零件加工方式，尤其在汽车工业中应用最为普遍。将材料先加热至奥氏体化状态，该状态下钢板材料的塑性较好，强度低，并且具有一定的韧性，然后使用冲压机在模具中进行冲压并淬火，获得相应形状的高强度金属零件。通过热冲压成形技术获取高强度的冲压件来代替传统的厚钢板，不但可以有效降低零部件自身的重量，而且能大幅度地提升抗拉强度。

1热冲压技术原理

热冲压技术是一种将钢板材料加热至奥氏体形态下，快速进行冲压成形，并且通过模具对零件进行淬火冷却，获得强度为1500MPa左右的马氏体成形件。可以说热冲压技术是将钢板材料由奥氏体向马氏体转化的过程。奥氏体（Austenite）是钢铁的一种层片状的显微组织，该状态下的钢板材料ɣ-Fe中固溶少量碳的无磁性固溶体，因此也称为沃斯田铁或者ɣ-Fe。马氏体（Martensite）是黑色金属材料的一种组织名称，是碳在α-Fe中的过饱和固溶体。马氏体和奥氏体的不同在于，马氏体是体心正方结构，奥氏体是面心立方结构。奥氏体向马氏体转变仅需很少的能量，因为这种转变是无扩散位移型的，仅仅是迅速和微小的原子重排。马氏体的密度低于奥氏体，所以转变后体积会膨胀。相对于转变带来的体积改变，这种变化引起的切应力、拉应力更需要重视。热冲压成形技术可以分直接冲压和间接冲压两种形式，其中直接冲压是将钢板材料加热至奥氏体后，直接传送至模具上冲压，模具表面有冷却通道，可以在钢板材料冲压的过程中进行淬火冷却，获得马氏体成形件。间接冲压则是钢板材料先进行冷冲压，然后再加热成奥氏体进行淬火和校准，确保成形材料强度达到1500MPa的马氏体。

2热冲压成形技术优点

传统冷冲压成形技术,包括加热、成形、冷却及后续处理等多个工艺过程,且不同加工环节的工艺参数也不尽相同。热冲压成形技术主要由落料、预成形、加热、转移、冲压成形、淬火和后续处理这几个工序组成。热冲压成形技术的主要优点是：回弹易控制、变形抗力小；零件表面刚度、硬度特性较好；零件成形尺寸精度高,抗凹性特性好；冲压性能好,钢材成形抗力低；生产周期短,车身零件强度高；零件厚度及加强板数量减少,有利于实现车身的有效减重等。在热冲压技术中,为了减少生产周期,提高生产效率,应注意以下事项：加热温度不能过高,应保持在再结晶温度以上；炉内需保温一定的时间,且保温时间不宜过长；要有较高的冲压速度和一定的保压时间；在冷却淬火相变阶段,冷速不宜过低；冲压板料厚度不宜过厚；模具材料需进行合理地选择和设计。

3高强板热成形生产线的主要组成及装备

3.1高强板热成形生产线的组成

高强板热成形生产线一般由冷料传送机构、加热炉、高速传送系统、热成形压力机、热成形模具和辅助工装、总控系统(包含安全及温度监控等)组成。随着高强板热冲压生产工艺、技术的不断改进和提高，热成形生产线的工艺排布及设备配置也在不断改进，生产线上相关的生产装备也在不断迭代。热成形生产线的方案应根据用户的实际使用状态(产能、资金投入、占地面积等)进行合理规划设计。

3.2冷料传送机构

高强板热成形生产线的冷料传送机构按照料片的传送的顺序分为：上料工位、拆垛机构、打标机构。上料工位一般由一个或多个上料台车组成，上料台车用于将垛好的板料由准备区运送至工作区，以便拆垛机械手拆垛。上料台车上装有用于检测板料有无的开关，当检测到台车上的板料拆完后，机械手停止拆垛。冷料的拆垛机械手端拾器一般用真空吸盘，带真空及气路系统，配有防叠料装置。常用的工件打标机构有机械打标和激光打标。机械打标效率高，适用于单件大批量生产；激光打标柔性好，适用于多件小批量的试生产或试模。

3.3加热炉

钢板加热工序的目的在于将钢板加热到合适的温度，使钢板完全奥氏体化，具有良好的塑性。加热过程包括加热和保温两个阶段。热冲压成形线的加热炉必须有露点检测预警和控制装置，确保炉体及燃气管的封闭性，控制进料口或出料口节奏和密闭性嘲。常用的加热炉有两种：辊底式加热炉(也称隧道炉)和多层厢式炉，加热方式主要采用电加热。辊底式加热炉占地面积大、能耗大、投资较大，但是加热后机械手搬运的路径短、时间少、钢板温度损失少。多层厢式炉具有占用空间小，产能要求相对不高的特征，能够实现各层炉体单独温控和保温，满足单件生产、小批量生产乃至为汽车主机厂大批量供应热成形工件的多方位需求，最大程度地实现节能和降低产品成本。

3.4高速传送系统

高速传送系统包含了上料快速转运机构和下料传送机构。上料快速转运机构必须保证加热后的钢板被尽可能快地转移到模具中，一方面是为了防止高温下的钢板氧化，另一方面是为了确保钢板在成形时仍然处在较高的温度下，以具有良好的塑性。下料传送机构指的是将成形淬火后的产成品从模具中取出。为了保证效率，一般采用安装在压力机机身上的机械手形式。上料的端拾器一般采用耐热夹钳形式，下料则采用气控磁铁吸盘形式，都可以根据板料大小和形状配置。

3.5热成形冲压设备

热成形工艺对压力机的要求是能提供空行程时快下、成形阶段缓行、下死点保压和快速回程的滑块运行曲线。目前最常的是液压机、机械式伺服压力机和液压肘杆式压力机。由于热冲压模具淬火需要在下死点保持，所以通常采用可控液压机，而液压机的冲压速度不高。机械伺服压力机在热冲压成形中的应用，对提高热冲压成形性能具有重要意义。由于伺服电机的特性，伺服压力机可选择最合适的成形速度和加工曲线，可在下死点保压，能耗是相同输出压力的机械压力机的40％，油压机的30％，使汽车制造中采用高强度钢板、铝合金板材的大型覆盖件的成形成为可能同。液压肘杆式压力机由小通径快速复合油缸驱动，采用机械肘杆增力，具有较低的液压系统噪声。

3.6高强板热成形模具

加热后钢板放进模具之后要进行快速冲压成形，成形以后需要合模保压6.8s，保压时需要模具中合理布置的冷却水道对钢板进行淬火，使成形零件具有均匀的马氏体组织，从而获得需要的强度。热成形模具应注意以下几点：温度反复高低变化的工作环境、合理的模具间隙、合理的冷却水道布置和高温下裸板的氧化铁颗粒引起的磨损等。

3.7后处理设备

热成形后的零件刚从模具中取出时属于半成品，还需要对其进行切边、冲孔等处理才能符合使用要求。由于热成形零件强度非常高，很难利用模具进行切边、冲孔，因此常采用激光切割的办法来实现。

结束语

热冲压技术在汽车生产中的应用,使得我国先进超高强度冲压件的制备愈发地广泛,技术更加地成熟。其中,模具的结构、性能逐渐趋于理想化,成形件的综合性能也更好,尺寸精度更高。相比于冷冲压来说,工件经热冲压后力学性能的得到了显著的提升。未来我国的热成形技术将会不断地完善,在汽车生产中的应用面不断扩大,且热成形市场的竞争也将更为激烈。

参考文献：

[1]康斌.国内外高强度汽车板热冲压技术研究现状[J].冶金管理,2009(08):58-60.

[2]林建平,王立影,田浩彬,孙国华,王芝斌.超高强度钢板热冲压成形研究与进展[J].热加工工艺,2008(21):140-144.