姜春茂 张雷 李东华
北方华安工业集团有限公司 黑龙江 碾子山 161046
摘要：高强钢热成形技术逐渐在制造业领域得到推广应用，国内外学者也认识到，制造业零部件的安全性能与其力学性能的分布存在着相对应的关系，也就是同一个零件在不同的区域需要不同的力学性能来提高零件的整体安全性能。
关键词：高强钢热冲压成形工艺；装备；
前言：轻量化技术是实现制造业节能减排的关键技术之一，而高强钢热冲压成形技术在保证制造业安全性的同时较大幅度实现轻量化。热冲压成形条件下材料塑性和成形性好，成形载荷大幅下降，能一次成形复杂冲压件并消除回弹影响，提高零件精度。
一、高强钢热冲压成形工艺
1.不同的冷却速率。通过控制零件局部区域的冷却速率和相变路径也是获取高强钢热成形零件的一种重要方式，当冷却速率高时，奥氏体组织将转变为高强度低塑性的马氏体组织，当冷却速率降低时，奥氏体组织将转变为低强度高塑性的贝氏体和珠光体铁素体组织。 研究发现，当零件冷却率高于 27 ℃℃/s 时，将会转变成完全的马氏体组织，而当低于这一数 值时，则会转变成低强度的贝氏体和铁素体珠光体组织。实现零件不同区域不同冷却速率的方法主要有不同温度的分块模具不同热物性能的分块模具以及模具坯料表面接触状况控制等方式。通过改变模具与坯料的局部接触状况同样可以获得高强钢TTP热成形零件，坯料与模具之间间隙越大，坯料冷却速率越低，坯料与模具之间压强越大，则冷却速率越高，研究了坯料与模具之间的间隙对于零件晶粒结构和硬度的影响，当间隙值从0mm到2mm之间变化时，零件的显微硬度由471HV降低到195HV，当坯料与模具之间的间隙值为2mm时，零件冷却速率为8℃/s，贝氏体和铁素体/珠光体含量增加。通过在模具上开槽的方法获得了特定强度分布的高强钢热成形零件。
2.回火后处理。对于已经完全淬火硬化的高强钢热成形零件，在局部区域进行回火也可获得高强钢TTP热成形零件。研究了回火对于碰撞性能的影响并通过落锤实验证实了回火能增加零件的碰撞性能，通过回火处理可以更加自由定义回火区域，并且独立于整个热成形工艺。回火的方式有火焰加热，电磁感应加热和激光加热等，回火过程中对于温度的控制是关键，并且要考虑在回火过程中零件的翘曲变形，以及回火对于零件抗腐蚀性能、焊接性能和喷涂性能的影响。通过火焰加热方式对零件进行回火处理，最高回火温度793℃时使得零件强度最低达到580MPa，过渡区域的大小在40mm~45mm之间。
3.变强度热冲压成形研究。随着高强钢及热冲压成形技术在制造业中的推广应用，研究人员逐渐认识到，除了提高结构件强度之外，零部件力学性能与车身安全性要求相匹配的问题同样值得关注，即同一零件的不同区域实际上有着不同的力学性能需求，也就是高强钢变强度热冲压成形技术。零件上部需要足够的强度使得在承受冲击时能够保证完整，下部需要较好的延展性以吸收能量，防止碰撞侵入。通过对坯料进行前处理可以实现变强度，如拼焊板和特殊轧制的连续变截面薄板两种技术。研究结果表明通过拼焊板技术不仅满足了顶部和侧壁的耐撞性能的要求，还使得零件质量减少了27. 64%。利用连续变截面轧板技术获得不等厚板，使耐撞性能和轻量化水平得到了明显改善。
拼焊板毛坯加工成本高，焊缝位置难以确定，小批量连续变截面轧板生产成本高，而且难以实现曲线拼接、三维拼接和扩宽拼接，通过特殊热冲压成形工艺来实现高强钢变强度热冲压成形工艺成为研究热点，主要方式有差异化的初始温度、不同热物性模具材料、模具分块加热、差异化的表面接触状况和回火后处理等。在模具内置加热器将其局部加热到指定温度，另一部分通过冷却水道使之保持为室温，实验结果表明，零件快速冷却的部位的平均硬度为450 ～ 475 HV。由加热升高温度的模具部位与板料接触的部位明显软化; 实现了模具的热导率系数变化，有效控制了板料表面的热传递; 将模具分割为加热区和冷却区，控制热成形过程的冷却速率，系统研究了接触压强和模具温度对热传递的影响;通过在模具上开槽的方法使板料局部与模具不完全接触，致使板料局部区域的冷却速率低于马氏体转变速率临界值，阻止了淬火过程的发生，获得了特定强度分布的超高强度钢零件;则利用导电加热实现了差异化的初始加热温度，实现了零件高强钢零件变强度热冲压成形则利用回火方法实现了零件变强度分布。
二、装备发展
1.随着整体工业水平的提升，生产线设备也向自动化、智能化发展。对生产线的工艺数据的采集分析，已经趋于大数据的模式，以适应智能决策的需要。1) 多工位热成形生产线。随着锌基镀层板的工艺的出现，人们希望它在一定程度上取代铝硅镀层板而广泛用于高强钢板热冲压成形强化生产。由于锌基镀层板的工艺需要，生产线增加了预冷工序，使加热坯料表面的液态锌凝固，防止液态锌侵入材料的微裂纹。新一代生产线采用多工位成形，使成形强化、冲孔切边等工艺在多工位压力机工作台上完成 ，减少成形强化后的激光切割的工作量和生产总成本。2) 接触加热变强度零件热成形生产线在开发变强度成形工艺过程中，如何控制材料的加热区或者冷却区，是个关键技术。用热模块降低坯料的冷却速率是常用的方法，但是对模具的要求较高，而长期高温容易使模块软化，磨损加剧。接触加热可以更加精确的控制坯料的加热区，从而定制热成形零件的强度分布，具有重要工程意义。接触加热改变了传统加热炉的结构原理和布置方法，减小占地面积，也提高了生产线的灵活性。辊底炉的直列长度较长，如何与压力机连接布置，影响零件模具在压力机台面上的布置，以及加热炉的出料定位方向的确定。
2.多层箱式炉生产线。这种多层箱式炉，气密性好的，批量灵活性，适用于新模具试验、新工艺及材料试验; 无炉内运动机构。坯料与炉底无接触摩擦; 减少占地面积50%以上。由于各炉层是独立的运动控制系统，所以各炉膛具有并行工作的优势，但某一炉膛发生故障时，控制系统可以自动改变流程，避免停机事故。多层箱式炉生产线的输送系统较辊底炉复杂，因此生产线的节拍低于辊底炉生产线。多层箱式炉生产线根据产能需要配置模块，一般为2 模块，少数系统有3 模块组成。用于高强钢材料的前期开发，特别是成形强化后的材料力学性能试验，需要工作参数变化范围大，操作灵活的试验线。随着模具开发的需求加大，以试模为目的的小型生产线受到青睐，已经成为热成形生产企业或专业模具制造企业的重要设备。为了实现生产线各单元的控制系统标准化、模块化，新一代智能生产线采用了具有高度灵活性的单位控制系统与工业互联网连接的总控系统集成技术。特别是可以对生产线发生的各种事件干扰(设备故障、意外事件) 进行紧急处理控制，为制定事故安全控制策略奠定了基础。从调查数据可知: 1) 要求热成形生产线对未来多种材料的热成形具有较强的适应性。例如，同一条生产线可以适应高强钢、高强铝合金的生产; 2) 要求热成形生产线能随着零件复杂性的不断提高，以及零件的力学性能定制化的普遍需要，实现大尺寸复杂零件的成形。
结束语：随着高强钢材料、工艺的发展，带动了热成形装备，特别是热成形生产线的发展。辊底炉生产线适应大规模生产，其高效率主要体现在生产节拍上。一模多腔成形模具技术，推动了热成形产品成本的下降。
参考文献：
［1］郭怡晖，马鸣图，张宜生，等． 制造业成形冷却过程温度场数值模拟［J］． 塑性工程学报，2019，20 ( 5) : 45 － 49