热冲压成形技术研究与汽车轻量化应用现状

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【汽车轻量化在线】摘要： 高强钢和铝合金是汽车结构中主流轻量化材料，最终会取代传统汽车制造材料。热冲压技术原理主要是利用金属在高温下具有的良好塑性，使常温下成形性能差的高强度金属能够实现复杂形状零件的冲压成形加工。铝合金热冲压技术利用了2、6、7系铝合金板材在出厂后经过固溶、淬火、时效等一系列可以改变其微观组织结构的热处理过程改善了材料的机械性能。组成热冲压生产线的工艺设备主要包括拆垛开卷设备、落料冲剪设备、加热设备、搬运设备、冲压设备、时效热处理设备等。国内热冲压成形技术从2000年开始起步，由国外引进发展到自主研发，能完成汽车铝合金零件热冲压工艺设备尚处实验室应用阶段，可以实现汽车A柱、B柱、门板等白车身主要构件的冲压成形。铝合金热冲压技术将成形与热处理进行有效结合，解决了铝合金材料强度与成形性能之间的矛盾，在保证车身机械强度的同时实现汽车轻量化。

关键词： 热冲压成形技术；汽车轻量化；应用现状

1 引言

随着石油危机和环境污染问题的日趋严重，世界主要发达国家自20世纪70年代起就在大力发展新能源汽车，对汽车行业的轻量化制造要求越来越高[1]。热冲压技术作为一种复杂形状板材件的成形工艺，在汽车制造行业中的应用越来越多。其中，铝合金热冲压成形工艺突破了传统高强铝合金成形的技术瓶颈，使铝合金结构件的强度得到较大提高，让铝合金作为汽车白车身构件成为可能，进一步提高了新能源汽车轻量化制造的技术水平。汽车制造业广泛采用的热冲压生产线及配套工艺技术都是针对钢板结构件的冲压成形，而目前针对铝合金板材的热冲压工艺试验线仅在个别高校或研究机构存在，尚没有工业化或商业化铝合金热冲压生产线[2]。目前，轻量化制造是汽车行业的重要发展趋势，汽车企业在未来将着力推进铝合金板材件热成形工艺的研发与应用，并开发相应的铝合金专用热冲压成形生产线。

2 铝合金热冲压成形工艺2.1 铝合金材料

目前，汽车企业着力推进汽车轻量化所使用的材料主要有高强钢、铝合金和复合材料。从短期来看，高强钢和铝合金同是汽车结构中主流的轻量化材料，而从中长期发展来看，超高强度的钢铝合金和复合材料将成为最理想的候选材料，势必会在汽车制造领域中的应用越来越广，最终取代传统的汽车制造材料。

铝合金在工业中的应用十分广泛，其密度只有钢铁材料的1/3，相较于钢材，铝合金车身构件对冲击的吸收效果良好，表面生成的氧化膜又具有较好的耐腐蚀性，是替代传统钢质车身结构件的理想轻质材料[3]。铝合金根据其化学成分的不同主要分为1、2、3、4、5、6、7等几个系列的铝合金材料。其中，1、3、4、5系为不可热处理铝合金，强度较低，延展性较好，适于冷冲压，由于其不可热处理的特性，成形的零件机械性能较差，不适用作为汽车的承载构件。2、6、7系为可热处理铝合金，强度较高，但常温下成形性较差，很难用冷冲压工艺形成复杂的板材零件，但其在高温下具有较好的塑形，成形后利用其可热处理的特性进行淬火、时效等一系列处理，恢复其初始的强度，这就是铝合金热冲压成形的基本原理。

2.2 热冲压工艺技术发展现状

热冲压成形技术最开始是在欧洲发展起来的，近年来，国内企业与研究机构也开始关注这项新技术，目前，已经成为了国际汽车行业的重点发展方向之一。产业界和学术界都做了大量工作，在相关领域先后取得了一系列重要成果[4]。从原材料供应商(钢铁生产企业)方面来看，占据全球热冲压原材料(硼钢产品)供应市场较大份额的瑞典SAAB公司和法国Arcelor公司十分重视该技术，均处于该领域内的领先地位[5]。

从汽车生产制造商的角度来看，国际品牌的市场占有量大、技术实力雄厚，由于国外相关法规要求严格，大多一线品牌对该项先进的制造技术提早进行了布局，较早地实现了通过热冲压工艺冲压高强度钢零件，以降低汽车产品的车身重量，提高车身的整体强度。比较有名的德国大众、美国福特、法国标致和雪铁龙等汽车都采用了热冲压成形的高强钢车身构件。

近年来，随着国内相关技术和的法律法规不断成熟和完善，市场对汽车产品安全性和环保性的要求越来越高，相应的钢材生产企业(宝钢)和汽车生产企业(一汽、上汽)对热冲压技术也十分重视，不断进行深入研究，逐步增加了高强钢冲压零件在汽车生产中的应用比例[6]。科研机构方面，瑞典吕勒奥理工大学、德国纽伦堡大学、意大利帕多瓦大学、慕尼黑理工大学都对钢材的热冲压技术进行了研究。在国内，同济大学、哈尔滨工业大学也较早地介入了该领域的研究，开展了大量成效显著的工作[7]。

2.3 热冲压工艺技术原理

热冲压技术的原理主要是利用金属在高温下具有的良好塑性，使常温下成形性能差的高强度金属能够实现复杂形状零件的冲压成形加工。汽车行业的热冲压工艺最早应用于高强钢材质车身零件的成形制造，技术也较为成熟，主要通过加热使钢板奥氏体化，在此状态下进行一次或多次冲压，然后根据构件的强度需求进行一系列热处理，使构件达到设计需求。

钢板热冲压工艺的流程一般是先将钢板开卷并按设计的初始板料形状切割下料，之后将板料输送至加热炉中，使其达到奥氏体转化温度以上并保持一段时间，在板材充分奥氏体化后再转移至冲压机中完成成形，然后，利用模具本身的吸热能力或冷却水道使零件快速降温，以达到淬火目的。工件完成冲压后，在热处理的作用下会析出特定的金相组织，使零件的强度恢复到加热前的水平，从而实现了高强钢复杂形状车身构件的冲压成形。汽车行业应用铝合金进行车身制造时，往往通过不可热处理的铝合金冷冲压成形来实现，其强度较低。为了保证车身刚度，其板材选用较厚，减重效果不明显，而且全铝合金车身工艺造价成本极高，主要应用于高端豪华车型，难以普及。

2.4 铝合金热冲压技术

针对铝合金冲压成形存在的问题，英国帝国理工学院金属成形团队在2008年提出了HFQ(Heat Treatment-Forming- Quenching)铝合金热冲压模内淬火成形工艺技术。该技术利用了2、6、7系铝合金板材在出厂后经过固溶、淬火、时效等一系列可以改变其微观组织结构的热处理过程改善了材料的机械性能。

HFQ技术将热处理与热成形两个过程相结合，提高了高强度铝合金的成形极限，降低了成形后的变形与回弹量。此技术工艺过程先将铝合金板加热到固溶温度以上并保持一段时间，使各成分金相组织充分溶解并保持均匀，既进行了固溶热处理，又提高了材料的塑形和成形极限，此时，便可将加热好的板材快速转移至成形模具内并完成冲压过程。

材料经过固溶热处理后，零件强度、硬度等机械性能下降得十分严重。为了使冲压好的零件强度恢复到初始状态，要先通过淬火达到过饱和固溶体。与高强钢热冲压技术一样，铝合金材料时效处理的前提也是从固溶状态快速降温，使其达到过饱和状态，其降温速率会直接影响到后期构件强度。因此，需要进行大量的仿真模拟与实验来确定淬火的临界降温速率。零件在模具内的降温速率取决于零件与模具界面的换热系数，会受到合模压力、表面粗糙度、润滑剂、涂层等众多因素影响，其中，压力影响最大。根据材料、零件大小、后期强度，可以选择冷模具或带有冷却水道的模具。

铝合金板材冲压件时效强化的原理主要在于过饱和固溶体在自然或人工时效下析出的强化相对材料的形变与流动产生的阻碍。过饱和固溶体具有不稳定的状态，有自动析出二次相的趋势，这一过程在室温下就可以缓慢自发进行，这一行为被称为自然时效。为了提高生产效率，也为了根据需求定制材料强度，可以将工件在高于室温的条件下静置，加快二次相脱溶速率，这一行为被称为人工时效。经过时效处理的零件强度得到了明显提高，实现了高强铝合金复杂形状板材的热冲压成形。

3 汽车零件热冲压生产线与工艺设备3.1 热冲压生产线的组成

热冲压工艺流程一般为开卷、落料、初始形状剪裁、加热、冲压、时效，根据成形零件的具体情况，有时会增加一些工艺步骤。例如，由于某些零件冲压深度较大，一次成形较难，就可以在加热和冲压淬火的工艺前增加预成形冲压这一工艺，降低成形难度，保证冲压零件的质量。此外，某些铝合金材料在高温下具有较特殊的成形特性，其成形性能的最优温度低于固溶温度，在高于固溶温度时成形性能反而下降。如果按照传统工艺先将板材加热至固溶温度之上再进行冲压，绝大多数会出现颈缩、裂纹甚至破裂等严重失效的情况。针对此种情况，需要对工艺流程进行调整，让板材在低于固溶温度下进行冲压成形，然后再进行二次加热淬火，以解决此种铝合金成形与强度之间的矛盾。

无论工艺步骤多少，复杂与否，组成热冲压生产线的工艺设备主要包括拆垛开卷设备、落料冲剪设备、加热设备、搬运设备、冲压设备、时效热处理设备等。每台设备对应每一项热冲压技术的工艺过程。

3.2 热冲压工艺设备的构成

上述的生产线构成不同于传统的冷冲压生产线，但也是热冲压技术的关键设备，主要为加热设备、搬运设备、冲压设备以及时效热处理设备。其中，加热设备要保证金属板材能够快速加热到固溶温度，搬运设备要能够保证工序间零件的快速转移，以保证温度损失降到最低，同时还要保证高温物体的安全性。热冲压工艺中的冲压设备要完成成形过程，其模具还要起到重要的淬火作用，对各方面要求非常高，是整套设备中的关键。时效热处理设备对零件最后形成的强度也起到了关键作用，如何能在短时间内完成人工时效工作并保证设计强度是该工艺的设计重点。

汽车行业用到最多的金属原材料一般为板材坯料，其加热方式包括热辐射加热(加热炉)、接触加热、通电加热等几种形式。其中，加热炉加热是最传统的加热方式，在热冲压上体现的优点在于成本低，加热效果不受板材形状的影响，缺点在于加热慢，设备占地面积大。接触加热过程是将两块通过电加热的金属面板直接与板料接触进行热传导来实现加热，此方式优点在于加热速度快、能量耗散低。通电加热方式更为直接，直接将板材的两侧接上电极并接入电流，利用板材自身的电阻产生热量，加热速度更为迅速，减少了加热设备的损耗。主要缺点在于目前的通电加热技术只能在形状规则的钢板材料上使用，对于形状复杂和铝合金材料尚没有较好的技术方案来实现均匀有效的快速加热，此外，对设备绝缘安全的措施要求也非常高。

在工业生产线上，工序或工段间工件转移十分常见，可以通过滚轮、输送带等形式实现连续生产线上的物料输送。但对于工序间不能实现连续输送的生产线往往就要借助于独立装置或设备实现工件的搬运。常见的搬运设备包括机械手臂、码垛机器人、吊装吸盘装置，等等。对于热冲压生产线来说，转移的工件温度往往在300℃～700℃，甚至更高，吸盘等装置明显无法适用，往往采用机械手臂作为工件转移的主要设备。

热冲压生产线的冲压设备将冲压与模内保压淬火两个过程融为一体，是该工艺技术的关键设备。经过热冲压的高强钢零件必须经过足够快速的过冷(即淬火)以保证工件较高程度的马氏体化[8]。决定工件与模具件间传热性能的热传导系数(IHTC)在很大程度上会受到压力因素影响，即在润滑剂、涂层、表面粗糙度等其他参数不变的情况下，IHTC与模具压力成正相关。因此，在冲压完成后需要进行保压淬火。同时，模具本身的温度也会影响淬火速率。理想的冷模具应具有冷却水道与循环冷却系统，这样淬火的效果最佳。但考虑到加工的难度以及生产成本的问题，工业生产中一般采用普通的冷模具进行冲压。冷模具具有相对性，在连续的工业生产中，模具温度受加热工件的影响会逐步升高，随着加工的不断进行，模具温度会稳定在70℃[9]。在此温度下，适当增加模具的压力依然可以形成有效的淬火，节省了加工成本。

3.3 国内汽车钢板热冲压生产线的发展过程

我国汽车行业对热冲压技术十分重视。目前，全世界共有200条以上的热冲压生产线，我国已有50多条热冲压生产线。以欧洲为代表的生产线厂商能够提供全套的高强度钢板热冲压成套设备和模具技术，包括德国本特勒、加拿大卡斯玛、西班牙海斯坦普等厂商[10]。同时，热冲压生产线关键装备和核心技术专利均由国外公司掌握并实行技术封锁和垄断，设备购入价格较为昂贵。

国内热冲压成形技术从2000年开始起步发展，由最开始的从国外引进逐步发展到自主研发。2005年6月，德国本特勒集团在我国投资的第二家子企业本特勒长瑞汽车系统长春有限公司成立，瑞典AP&T公司为长春本特勒设计制造了第1条热冲压生产线。2007下半年，上海汇众本特勒有限公司引入了瑞典AP&T公司的热冲压生产线开始生产。2007年年底，上海宝钢热冲压零部件有限公司正式成立，从瑞典AP&T公司引进了2条热冲压生产线。2008年11月，西班牙海斯坦普汽车组件(昆山)有限公司从德国舒勒公司进口了1条高强钢热冲压线并投产。2013年7月，海斯坦普项目产品全部内销于佛山的南海大众公司、深圳的长安标致雪铁龙公司和本田公司。2013年，山东大王金泰集团有限公司、哈尔滨工业大学威海分校共同研发了国内首套高强度钢板热冲压成形自动化生产装备并投产。2014年，长城汽车引进的瑞典AP&T自动化热冲压生产线开始投产。2016年5月，苏州普莱斯勒1200T热冲压生产线开始投产。2016年9月，宝钢国际柳州宝钢“汽车零配件热成形项目”竣工投产。国内其他投产热冲压生产线的企业还包括武钢研究院、凌云、长春北特、长安星乔、重庆大江、一汽、天津顺达、上海汇众、无锡奇昊，等等。

4 铝合金热冲压技术研究与应用现状

铝合金热冲压技术无论在原理上还是实际的工艺流程上都与高强钢板材热冲压技术相近，为其在工艺研究和产品开发中提供了许多值得借鉴的思路与方法[11]。高强钢热冲压生产线的成熟技术为铝合金热冲压技术的应用奠定了坚实基础。

2008年，帝国理工大学林建国院士首次提出将铝合金热冲压成形和成性同时进行的新工艺HFQ，此后，国内外高校与研究机构围绕这一技术展开一系列研究。帝国理工大学Mohamed等人研究了AA6082铝合金材料板材零件的热冲压成形性。Fakir等人通过有限元模拟和实验验证的方法研究了冲压速度和加热温度对AA57554铝合金热冲压成形件厚度分布的影响。王礼良等人将铝合金热冲压工艺应用于AA2024铝合金的成形研究，分析了冲压温度和速度对AA2024铝合金成形性的影响。哈尔滨工业大学的凡晓波等人研究了基于铝合金热冲压工艺的冷热模具对Al-Cu-Mg系铝合金性能的影响。北京科技大学的傅垒分析了AA6111铝合金在热深冲杯形件过程中的温度、应力、应变、厚度等分布特点以及冲压力的变化规律[12]。

目前，能完成汽车铝合金零件热冲压工艺设备尚处于实验室应用阶段，已经可以实现汽车A柱、B柱、门板等白车身主要构件的冲压成形。铝合金热冲压这一技术的商用化尚处于起步阶段，虽然汽车行业已经注意到了该技术对于轻量化制造的重要意义，但距离工业化的成熟应用还有相当长的路要走。结合汽车厂家的实际需求，联合AP&T、本特勒、舒勒等重要设备供应商进行合作开发是推广应用该技术的重要途径。

5 结语

随着能源危机的到来，汽车轻量化成为了当今汽车工业发展的主要趋势之一，铝合金作为目前汽车轻量化技术中最为理想的材料之一，其成形制造技术的研究变得尤为重要。铝合金热冲压技术将成形与热处理进行有效结合，解决了铝合金材料强度与成形性能之间的矛盾，使复杂形状的高强度铝合金车身构件的加工成为可能，在保证车身机械强度的同时还减轻了车身的重量。随着汽车厂商的高度重视与大规模投资，铝合金热冲压技术的发展前景将十分广阔。

来源：期刊-《黑龙江科技》；吴文凯1，2，朱明清1，2，王云龙1，2，张 宇1，2(1.黑龙江省科学院自动化研究所，哈尔滨 150090；2.黑龙江省科学院高技术研究院，哈尔滨 150020)