自主開(kāi)發(fā)模具生產(chǎn)設(shè)備 推動(dòng)熱沖壓生產(chǎn)線國(guó)產(chǎn)化

2011年中國(guó)汽車產(chǎn)銷突破2000萬(wàn)輛，汽車市場(chǎng)持續(xù)加溫。汽車輕量化已經(jīng)成為現(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)制造的主流，車身輕量化對(duì)減輕汽車整車自重，提高整車燃油經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能環(huán)保至關(guān)重要。汽車重量每降低100公斤，每百公里至少可節(jié)約1.6升燃油。輕量化可能會(huì)降低汽車的碰撞安全性，因此既能保證安全性又能實(shí)現(xiàn)輕量化，而且同時(shí)實(shí)現(xiàn)成本和效益最優(yōu)化是汽車制造業(yè)極為關(guān)注的目標(biāo)。

由于鋁鎂合金性價(jià)比低，其關(guān)鍵力學(xué)性能與鋼鐵相比沒(méi)有明顯優(yōu)勢(shì)，因此采用高強(qiáng)度鋼板熱沖壓生產(chǎn)技術(shù)正呈現(xiàn)出欣欣向榮的趨勢(shì)，成為同時(shí)實(shí)現(xiàn)輕量化和提高碰撞安全性的最好途徑。

熱沖壓是相對(duì)比常見(jiàn)的冷沖壓成形而言的。為了克服高強(qiáng)度鋼板冷成形的困難，熱沖壓須將鋼板加熱實(shí)現(xiàn)相變?cè)贈(zèng)_壓成形并進(jìn)行淬火，從而獲得更高的強(qiáng)度，抗變形性與硬度，能夠成形抗拉強(qiáng)度高達(dá)1600-2000MPa的零部件，可組焊成高強(qiáng)度駕乘單元，承受5噸以上的靜壓而不損壞。采用這種相對(duì)于超高強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)件，可明顯提高汽車的碰撞安全性，同時(shí)通過(guò)減小壁厚或截面，減少汽車裝配環(huán)節(jié)中的零部件的數(shù)量尺寸，從而實(shí)現(xiàn)輕量化。正因?yàn)闊釠_壓的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，使得高強(qiáng)度鋼熱沖壓技術(shù)正受到全球汽車廠商和鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)的的青睞和極大關(guān)注。

熱沖壓技術(shù)不僅有高強(qiáng)度比的優(yōu)點(diǎn)，且在高溫下材料成形性好，能消除回彈影響，零件精度高，成形質(zhì)量好。近年來(lái)，國(guó)外汽車制造商已將高強(qiáng)度鋼板熱沖壓技術(shù)應(yīng)用于前保險(xiǎn)杠、后保險(xiǎn)杠、A、B、C柱，車頂構(gòu)架，車底框架以及車門內(nèi)板，車門防撞梁在內(nèi)的結(jié)構(gòu)件上。例如在VOLVO車型中熱沖壓硼鋼的使用量逐年遞增，預(yù)計(jì)將達(dá)到白車身的45%以上。

熱沖壓不單是簡(jiǎn)單的“冷轉(zhuǎn)熱”過(guò)程，涉及到了十分復(fù)雜的金屬材料熱-力-相變多物理場(chǎng)耦合和多尺度問(wèn)題以及熱邊界摩擦非線性力學(xué)問(wèn)題。高強(qiáng)鋼板熱沖壓的復(fù)雜性，要克服熱沖壓缺陷的產(chǎn)生：諸如局部過(guò)分軟化，破裂，起皺，馬氏體轉(zhuǎn)化不均勻等，還要實(shí)現(xiàn)最佳的奧氏體-馬氏體化溫度，最佳模內(nèi)冷卻速率，最佳成形壓力，最佳保壓時(shí)間等優(yōu)化問(wèn)題，這就需要從宏觀和微觀尺度進(jìn)行諸如成形性分析，服役性能等進(jìn)行深入研究和技術(shù)積累。

廣泛采用的22MnB5高強(qiáng)度硼鋼是目前從材料上實(shí)現(xiàn)熱沖壓的一種最優(yōu)選擇。22MnB5高強(qiáng)度硼鋼初始抗拉強(qiáng)度介于400MPa~600MPa之間，無(wú)論是熱軋還是冷軋板材產(chǎn)品均可在奧氏體化后通過(guò)快速淬火處理得到馬氏體組織，實(shí)現(xiàn)熱沖壓成形生產(chǎn)。目前市場(chǎng)上廣泛應(yīng)用的熱沖壓板材，以歐洲Arcelor公司出產(chǎn)的帶Al-Si涂層的USIBOR1500及改型批次為代表，產(chǎn)品厚度為0.7mm~2.4mm不等。帶涂層的熱沖壓鋼板由于表面有效隔絕空氣與鋼鐵接觸，在熱沖壓過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生大量氧化皮，表面質(zhì)量好，后續(xù)幾乎不需噴丸工序，但涂層易與加熱爐中磁輥粘結(jié)。無(wú)涂層的鋼板由于具有大量氧化皮，后續(xù)需要噴丸處理，但不會(huì)與加熱爐中磁棍粘結(jié)，二者各具利弊。其他如日本的新日鐵，神戶制鋼，韓國(guó)的浦碩鋼廠也正在積極開(kāi)發(fā)生產(chǎn)用熱沖壓鋼板。國(guó)內(nèi)寶鋼開(kāi)發(fā)的冷軋B1500HS、熱軋BR1500HS已實(shí)現(xiàn)批量供貨，通鋼、鞍鋼等鋼鐵企業(yè)也正積極投入相關(guān)熱沖壓鋼板開(kāi)發(fā)中.根據(jù)實(shí)際零部件加工難易程度，成形順序等工序，熱沖壓工藝分為一次成形和二次成形方式。直接沖壓工藝是指高強(qiáng)度鋼板板料加熱到奧氏體化溫度并保溫一段時(shí)間后，直接放入具有冷卻系統(tǒng)的模具里進(jìn)行沖壓成形及淬火，一次成形，但需要增加激光切割設(shè)備，其主要優(yōu)點(diǎn)有兩個(gè)。一是板料在一套模具中進(jìn)行沖壓成形及淬火,節(jié)省了預(yù)沖壓成形模具費(fèi)用并加快了生產(chǎn)節(jié)奏，二是材料被加熱前為平板料，這樣不僅節(jié)省了加熱區(qū)面積進(jìn)而節(jié)省能源，而且可以選取多種加熱方式，例如可以采取感應(yīng)和輻射加熱爐進(jìn)行奧氏體化加熱。

二次成形過(guò)程是通過(guò)將一次成形并切邊的零件再進(jìn)行加熱-定形-淬火，最終可獲得減少激光切邊成本的高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)件，最主要的優(yōu)點(diǎn)是可進(jìn)行更復(fù)雜形狀的車體結(jié)構(gòu)件沖壓成形。板料預(yù)沖壓成形后，后續(xù)熱沖壓成形工藝不需要過(guò)多考慮板料高溫沖壓成形性能，可確保板料充分淬火得到所需要的馬氏體組織。板料預(yù)沖壓成形后可以進(jìn)行修邊，翻邊，沖孔等工藝加工，避免板料淬火硬化后加工困難問(wèn)題。但由于增加了二次模具冷卻,其不可避免的增加了制造過(guò)程中的模具成本。

“高強(qiáng)度鋼板熱沖壓成形生產(chǎn)線是實(shí)現(xiàn)這一先進(jìn)成形技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。熱沖壓成形技術(shù)特征決定了它不同于常規(guī)沖壓的裝備及關(guān)鍵技術(shù)，它是將落料、加熱、防氧化、沖壓、淬火冷卻、切形和噴丸處理等為一體的綜合制造集成加工系統(tǒng)，是體現(xiàn)機(jī)械加工、電控和材料化工緊密交叉的國(guó)際前沿高新技術(shù)。”據(jù)國(guó)際模協(xié)秘書(shū)長(zhǎng)羅百輝介紹，目前國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的5條熱沖壓生產(chǎn)線全部為高價(jià)進(jìn)口的國(guó)外生產(chǎn)線(如寶鋼、上?？ㄋ宫?shù)?，用于國(guó)產(chǎn)速騰，奧迪等幾款轎車核心零部件生產(chǎn)(如A柱、B柱、前后保險(xiǎn)杠等)，耗資巨大，造成市場(chǎng)成本居高不下。

羅百輝認(rèn)為，要從根本上解決上述瓶頸問(wèn)題，需要我們的企業(yè)立足于自主開(kāi)發(fā)和制造主要設(shè)備及模具，自主研發(fā)具有完全知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高效率熱沖壓裝備生產(chǎn)線。對(duì)于以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化目標(biāo)而言，熱沖壓成形生產(chǎn)線裝備主要包括四大部分：滿足快速合模，保壓要求高速專用液壓機(jī);具備最優(yōu)冷卻回路設(shè)計(jì)及滿足成形工藝要求的水冷模具;保證定位精度的具備防氧化，節(jié)拍可控的專用加熱爐;具備中央可控聯(lián)調(diào)功能的自動(dòng)化傳輸系統(tǒng)。其中，生產(chǎn)線中央集成控制成套裝備和熱沖壓零件質(zhì)量穩(wěn)定性控制是衡量和評(píng)價(jià)熱沖壓生產(chǎn)線品質(zhì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化之路的重中之重。

目前，國(guó)內(nèi)以長(zhǎng)春偉孚特汽車零部件有限公司為代表的高科技企業(yè)，開(kāi)展了產(chǎn)-學(xué)-研全面合作，已打破國(guó)外公司的技術(shù)壟斷，建立了熱沖壓高強(qiáng)度鋼板在成形過(guò)程中的熱-力-相變多物理場(chǎng)耦合本構(gòu)理論和動(dòng)力顯式彈塑性大變形有限元算法，自行成功研制出具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的節(jié)能型高強(qiáng)度鋼板熱沖壓成套技術(shù)，仿真軟件和批量的自動(dòng)化生產(chǎn)裝備線。在保證高技術(shù)附加值的基礎(chǔ)上具有價(jià)格優(yōu)勢(shì)和技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力。這些高強(qiáng)度鋼板熱沖壓成套自動(dòng)化生產(chǎn)線和制造工藝中的各種關(guān)鍵技術(shù)，已經(jīng)能夠?yàn)閲?guó)內(nèi)自主汽車廠商(如奇瑞、一汽等)小批量生產(chǎn)熱成形件，具有突出的市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)。目前正在開(kāi)展汽車A柱、B柱、車頂構(gòu)架、車底通道框架、前后保險(xiǎn)杠以及車門防撞梁等熱沖壓件的模具設(shè)計(jì)和批量生產(chǎn)準(zhǔn)備。

雖然高強(qiáng)度鋼板熱沖壓技術(shù)具有巨大的市場(chǎng)前景和生命力，但在成形過(guò)程和熱處理過(guò)程中仍存在各種技術(shù)問(wèn)題，如：熱軟化、破裂、馬氏體轉(zhuǎn)換的不均勻性、塑性變形能力低、表面氧化等;另一方面，由于高強(qiáng)度鋼板熱沖壓技術(shù)還處于起步階段，還有很多產(chǎn)業(yè)化實(shí)際問(wèn)題需要解決和完善。例如制造工藝參數(shù)優(yōu)化、生產(chǎn)效率產(chǎn)品質(zhì)量、熱沖壓成形過(guò)程微觀機(jī)理研究、采用非鍍層鋼板時(shí)需要進(jìn)行噴丸處理、激光切割成本偏高等。因此熱沖壓技術(shù)今后應(yīng)朝著高效率、低成本、強(qiáng)韌化、防氧化方向發(fā)展;力學(xué)、機(jī)械、化學(xué)和材料學(xué)要緊密合作，讓多學(xué)科交叉融，為解決強(qiáng)韌化和防氧化問(wèn)題提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)保證;優(yōu)先研究解決“試錯(cuò)”——這一影響提高技術(shù)效率和降低成本的關(guān)鍵問(wèn)題，那樣，熱沖壓生產(chǎn)線國(guó)產(chǎn)化就會(huì)成為大勢(shì)所趨。