目前，汽車工業(yè)界對(duì)于汽車輕量化有著日益緊迫的要求。車身輕量化發(fā)展主要有兩個(gè)方向：
一是優(yōu)化汽車框架和結(jié)構(gòu)，即利用有限元法和優(yōu)化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，以減輕車身骨架、發(fā)動(dòng)機(jī)和車身鋼板的重量；
二是在車身制造上采用高強(qiáng)度低密度材料，如高強(qiáng)度和超高強(qiáng)度鋼板。在目前看來(lái)，車用高強(qiáng)度和超高強(qiáng)度鋼板以其輕質(zhì)、高強(qiáng)度的特點(diǎn)在汽車生產(chǎn)中越來(lái)越受關(guān)注，并已成為滿足汽車減重和增強(qiáng)碰撞強(qiáng)度、提高安全性能的重要途徑。
但是，眾所周知，超高強(qiáng)度鋼板在室溫下變形能力很差。
一方面，超高強(qiáng)度鋼板強(qiáng)度高，在室溫下塑性變形范圍很窄，所需的沖壓力大，而且容易開裂；
另一方面，沖壓成形后零件的回彈增加，導(dǎo)致零件尺寸和形狀穩(wěn)定性變差。因此傳統(tǒng)的冷沖壓方法難以解決超高強(qiáng)度鋼板在汽車車身制造中遇到的問(wèn)題。超高強(qiáng)度鋼板的熱沖壓成形技術(shù)是能夠解決上述問(wèn)題的一種新型的成形技術(shù)。
近年來(lái)，世界各國(guó)汽車業(yè)投入大量的精力來(lái)開展超高強(qiáng)度鋼板開發(fā)和熱沖壓成形技術(shù)的研究，歐美和日本的主要汽車制造企業(yè)已開始嘗試使用通過(guò)熱沖壓成形技術(shù)生產(chǎn)的超高強(qiáng)度鋼板構(gòu)件，如車門防撞桿，保險(xiǎn)杠加強(qiáng)梁，A、B、C柱，門框加強(qiáng)梁等。
德國(guó)蒂森克虜伯公司、美國(guó)本特朗特公司、安賽樂米塔爾公司都可提供超高強(qiáng)度的熱沖壓部件。
1 熱沖壓成形對(duì)鋼板和模具的要求
熱沖壓超高強(qiáng)度鋼板。熱沖壓成形工藝一般是將板料加熱到再結(jié)晶溫度以上某個(gè)適當(dāng)?shù)臏囟龋蛊渫耆珚W氏體化后再進(jìn)行沖壓成形，沖壓成形后須保壓一段時(shí)間使零件形狀尺寸趨于穩(wěn)定。
在成形和保壓過(guò)程中，為了防止板料強(qiáng)度降低，須進(jìn)行淬火處理以獲得在室溫下具有均勻馬氏體組織的超高強(qiáng)度鋼構(gòu)件。
由于熱沖壓是在板料沖壓成形的同時(shí)進(jìn)行了淬火處理，故熱沖壓用鋼板的成分設(shè)計(jì)要適應(yīng)熱沖壓過(guò)程中的熱循環(huán)，如含硼鋼板，在鋼的組織轉(zhuǎn)變時(shí)，可以延遲鐵素體和貝氏體的形核進(jìn)而增強(qiáng)了鋼的強(qiáng)度。
此外，鋼板被加熱至再結(jié)晶溫度以上時(shí)，在空氣中不可避免地會(huì)出現(xiàn)表面的氧化和脫碳，進(jìn)而影響鋼板的強(qiáng)度。因此，熱沖壓成形鋼板應(yīng)具備抗高溫和耐腐蝕的鍍層。
熱沖壓成形模具。在熱沖壓過(guò)程中鋼板和模具都要經(jīng)過(guò)從900℃以上到室溫這一復(fù)雜的溫度變化。模具集對(duì)板料成形與淬火作用于一身，其材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都有嚴(yán)格的要求，對(duì)于熱沖壓部件最終性能有著重要影響。
在超高強(qiáng)度鋼板的熱沖壓工藝中，不僅要求成形模具具有足夠的結(jié)構(gòu)剛性、表面硬度和疲勞壽命，更要求模具能夠穩(wěn)定地工作在劇烈的冷熱交替條件下，同時(shí)能夠抵抗高溫板料對(duì)模具產(chǎn)生的強(qiáng)力熱摩擦，以及脫落的氧化層碎片和顆粒在高溫下對(duì)模具表面的磨粒磨損效應(yīng)。根據(jù)模具的加熱溫度，一般需要參考熱鍛用模具鋼，選用合理的模具材料。
為滿足熱沖壓成形零件淬火和批量生產(chǎn)的要求，在熱沖壓模具中須設(shè)置冷卻系統(tǒng)。在冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)既要使零件的冷卻速度足夠快，使奧氏體組織盡可能多地轉(zhuǎn)化成馬氏體組織，以保證零件的強(qiáng)度；還要通過(guò)該冷卻系統(tǒng)迅速帶走每次熱沖壓后模具儲(chǔ)存熱量，保證每次沖壓前模具初始條件相同，從而穩(wěn)定沖壓質(zhì)量和產(chǎn)品質(zhì)量。
2 熱沖壓成形超高強(qiáng)度鋼板研究現(xiàn)狀
熱沖壓超高強(qiáng)度鋼板的開發(fā)現(xiàn)狀。目前，全球最大的鋼鐵公司安賽樂米塔爾開發(fā)了熱沖壓成形鋼板USIBOR1500。該鋼板為鍍鋅板，鍍層質(zhì)量為120g/m2-160g/m2。淬火后力學(xué)特性明顯，強(qiáng)度值可達(dá)到1600MPa。
該鋼板可保持良好的韌性，沖擊韌度達(dá)到800J/m2。此外，該鋼板低溫脆性和焊接性能也較好。采用此種鋼板生產(chǎn)的汽車零件可以使同等強(qiáng)度、剛度的零件減重50%以上。
德國(guó)蒂森克虜伯開發(fā)了錳硼合金鋼，其熱沖壓淬火后最高強(qiáng)度可達(dá)1600MPa。此外，美國(guó)西渥斯托公司和戴姆-克萊斯勒公司共同開發(fā)出了熱沖壓硼鋼，用于取代載重車架橫梁以減輕重量，而且提高了耐疲勞性能。
對(duì)汽車大梁的研究表明，由硼鋼制成的零件比原有模式制成的零件更加耐用。用硼鋼代替中等鋼制成的零件重量減輕了20%。
超高強(qiáng)度鋼板熱沖壓技術(shù)研究現(xiàn)狀。在汽車工業(yè)中，基于減重和環(huán)保的目的，超高強(qiáng)度鋼板的熱沖壓成形技術(shù)逐漸受到關(guān)注和重視，各大鋼鐵公司、汽車制造廠商和部、分大學(xué)紛紛開始了超高強(qiáng)度鋼板的熱沖壓成形技術(shù)的研究。
由于超高強(qiáng)度鋼板熱沖壓成形具有集成形與淬火工藝于一體的特殊性，其研究集中在以下幾個(gè)方面：
第一，從宏觀上探索超高強(qiáng)度鋼板連續(xù)冷卻工藝的特性和在高溫下的流動(dòng)性能。超高強(qiáng)度鋼板連續(xù)冷卻工藝特性和高溫流動(dòng)性能是制定熱沖壓工藝的基礎(chǔ)。
一方面，采用熱膨脹和淬火工藝試驗(yàn)確定鋼板的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變特征參數(shù)，如預(yù)熱溫度、預(yù)熱時(shí)間和冷卻速度；另一方面，通過(guò)熱模擬試驗(yàn)，再現(xiàn)熱沖壓物理過(guò)程，獲得鋼板在高溫下的流變行為。
第二，采用數(shù)值模擬技術(shù)研究熱沖壓成形過(guò)程，分析各參數(shù)對(duì)部件性能的影響規(guī)律。隨著計(jì)算技術(shù)尤其是有限元理論和方法的不斷發(fā)展，描述宏觀尺度的塑性變形物理模型、數(shù)值計(jì)算方法日臻完善，數(shù)值模擬成為研究塑性變形過(guò)程的有力手段。
借助數(shù)值模擬技術(shù)可以對(duì)熱沖壓變形過(guò)程中的溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬，并分析熱沖壓過(guò)程參數(shù)對(duì)于熱沖壓過(guò)程的成形力、板料厚度等的影響規(guī)律。
第三，從微觀上研究熱沖壓成形過(guò)程中材料組織變化情況以期預(yù)測(cè)熱沖壓部件最終的強(qiáng)度性能。美國(guó)一些學(xué)者認(rèn)為，產(chǎn)品的內(nèi)部微觀組織結(jié)構(gòu)是決定產(chǎn)品最終性能的重要因素。
通過(guò)研究熱沖壓過(guò)程中奧氏體分解和組織轉(zhuǎn)變，預(yù)測(cè)并控制產(chǎn)品最終組織分布和強(qiáng)度性能。
第四，超高強(qiáng)度鋼板熱沖壓成形試驗(yàn)研究。試驗(yàn)研究是一種直觀有效的方法。在熱沖壓成形工藝分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)成形性能試驗(yàn)裝置以期獲得材料高溫下成形性能，制造熱沖壓模具，進(jìn)行熱沖壓零件制備，通過(guò)調(diào)節(jié)各工藝參數(shù)優(yōu)化熱沖壓工藝。
3 熱沖壓成形技術(shù)的關(guān)鍵問(wèn)題
目前，有關(guān)人員雖然對(duì)超高強(qiáng)度鋼板熱沖壓成形技術(shù)進(jìn)行了研究，取得了一定的成果，但對(duì)其關(guān)鍵問(wèn)題的研究還不夠系統(tǒng)和深入，從而限制了熱沖壓成形技術(shù)在工程中的廣泛應(yīng)用，主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：
第一，應(yīng)考慮成形溫度、降溫速率和相變形為的熱沖壓成形極限。在以彎曲為主的成形情況下，熱沖壓非常有利，不會(huì)發(fā)生冷加工成形時(shí)的問(wèn)題，即彈性變形回復(fù)，但在對(duì)復(fù)雜部件進(jìn)行成形時(shí)，須進(jìn)行凸肚、深沖和凸緣等成形加工，因此必須弄清它們?cè)诟邷叵碌某尚螛O限。
變形阻抗不僅與溫度有關(guān)，而且沖頭接觸部分溫度的下降和氧化鐵皮的潤(rùn)滑效果也會(huì)對(duì)其產(chǎn)生復(fù)合影響。通過(guò)改進(jìn)常溫成形極限試驗(yàn)裝置，考慮成形溫度、降溫速度和材料相變行為等，建立熱沖壓成形極限涵十分有必要。
第二，對(duì)熱沖壓零件的質(zhì)量控制。熱沖壓零件最終質(zhì)量既受宏觀工藝條件影響，又由材料微觀組織變化決定。沖壓過(guò)程中零件的溫度不均勻會(huì)直接導(dǎo)致最終零件性能的不均勻。
如果在沖壓零件沒有充分冷卻時(shí)就將其從金屬模具中取出，制品的硬度和形狀精度會(huì)下降。因此，針對(duì)不同零件，在進(jìn)行模具結(jié)構(gòu)及其冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)、改進(jìn)冷卻溝槽的布置、提高模具的冷卻速度的同時(shí)，保障零件均勻降溫是熱沖壓零件質(zhì)量控制的可行之舉。
結(jié)語(yǔ)
隨著世界經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，節(jié)能、舒適、降低排放和提高安全性已經(jīng)成為現(xiàn)代汽車結(jié)構(gòu)、性能和技術(shù)的重要發(fā)展方向。作為汽車輕量化的重要途徑，超高強(qiáng)度鋼板熱沖壓成形技術(shù)正備受世界各國(guó)學(xué)者的普遍關(guān)注。
這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展歷史雖然并不長(zhǎng)，但其在減輕車身質(zhì)量、增強(qiáng)部件強(qiáng)度和尺寸精度方面所顯示出的潛力無(wú)疑是巨大的。因此，系統(tǒng)地、深層次地展開此方面的研究對(duì)世界汽車業(yè)的發(fā)展具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。
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