李东华 姜春茂 张雷
北方华安工业集团有限公司 黑龙江 碾子山 161046
摘要：高强度、超高强度钢的应用是制造业节能减排的有效手段。高强度钢的应用带来模具磨损、工件回弹、成形困难等诸多问题。热冲压成形应运而生。热冲压成形是获得高性能安全件的一个有效的工艺技术。
关键词：热冲压成形零件；生产工艺控制；
前言：热冲压成形(HotForming)是将初始硬度为500~600MPa 的硼钢板加热至奥氏体化状态，快速转移至模具中高速冲压成形，在保证一定压力情况下，制件在模具本体中以大于27℃/s 的冷却速度进行淬火处理，保压淬火一段时间，以获得具有均匀马氏体组织的超高强度钢零件的成形方法。热冲压成形技术可以得到超高强度的车身零件，改善冲压成形性，提高零件尺寸精度等优点。
一、热冲压成形工艺特性
在成形工序上，热冲压同冷冲压并无较大差别，但由于温度、相变和接触等的影响，材料又具有区别于冷冲压的特征。( 1) 高温板料( 600 ～ 850 ℃) 变形抗力低，流动性能好，塑性变形能力大幅提升。( 2) 板料经历塑性变形的同时发生马氏体相变强化。室温下为铁素体/珠光体混合组织，抗拉强度400 ～ 600 MPa; 热冲压后，其组织转变为完全马氏体，抗拉强度提升到1500 MPa 左右。( 3) 摩擦系数增大。热变形条件下，受温度的影响，硼钢板的强度、硬度降低，且板料与模具接触表面之间分子吸附能力增强; 同时，高温时润滑剂的性能变坏，因而摩擦系数增大，并高达0. 5。( 4) 接触条件对成形的影响作用显著提升。板料与模具的接触时序和接触状态差异将导致板料温度梯度的产生，不仅影响其淬火相变，还会引起流动性能变化。( 5) 裸板在高温下成形，与空气接触后产生氧化，零件表面质量不佳; 镀层板在拉应力作用下则会产生镀层开裂，防氧化能力降低。
二、热冲压成形零件生产工艺与控制
1.热冲压件翻边工艺设计。冲压热成形零件设计中，应该尽量避免圆角翻边造型，目前的热冲压工艺中，进行圆孔翻边比较难以达到技术要求的产品精度，并且，很难将坯料优化到可以翻孔的位置，并且翻边后难以做激光切割。热成形零件设计翻边结构时应该注意拉深-法兰边区域，这些区域有更高的起皱、破裂倾向；外凸翻边的最终线长度比初始长度短产生压缩法兰边，容易导致起皱和折叠，且起皱的趋势随翻边高度的增加而增大；外凹翻边属于伸长类翻边，产生拉伸法兰边，竖边的长度在成形过程中会被拉长，当变形程度过大时，竖边边缘的切向伸长和厚度减薄就比较大，容易发生拉裂。法兰边越高，拉伸失稳越明显；无论是外凸翻边，还是内凹翻边，都应该降低翻边高度和曲率。总体说，热成形冲压件不宜有翻边，尤其是90°的翻边特征造型。
2.热冲压拉深工艺设计。热冲压成形中，尽量降低拉深深度，且成形深度尽可能相同；应尽量采用一次拉深成形，避免多次拉深成形。冷拉深成形中，零件易在凸模圆角处破裂。而热成形拉深时，板料与模具在凸凹模圆角处先接触，导致这些部位首先冷却硬化，变形抗力增大。变形将转向温度较高，具有良好塑性流动性的拉深侧壁，导致应变集中。由于侧壁处于平面应变状态，拉深深度的增加依靠材料厚度的减薄，因而产生拉裂，且拉裂的倾向随着拉深深度的增加而加剧。
2.3 热冲压结构工艺设计。热冲压成形件结构设计对其成形质量有着至关重要的影响，热冲压成形结构工艺设计中应该尽量避免封闭式设计，采用开放式结构设计。尽可能采取弯曲成形，减少法兰边产生起皱缺陷、破裂缺陷及过分减薄的风险等。封闭式的“杯状”结构会导致成形过程中材料在凸凹模拐角处产生压缩变形和起皱缺陷，需要采用合适的压边力。
在满足使用要求的情况下，增大零件圆角半径或侧壁的倾斜角度有利于成形。
2.4 热冲压件面特征工艺设计。热冲压零件的面特征工艺设计对其热冲压成形面质量影响作用比较大，通常，在大平面如果不设计特征造型，容易出现材料拉深不足，导致产品面的塑性变形不充分，产品面刚度不足等缺陷。为此，对热冲压成形件产品面上设计吸皱筋，防止零件的起皱倾向及产品面的刚度不足缺陷。尤其，在热冲压成形件的端部和中间梁的设计中，更应该设置吸皱筋。
2.5 热冲压成形弯曲圆角工艺设计。热冲压零件的弯曲圆角工艺设计对其热冲压成形质量有重要影响，在相同条件下，不同圆角工艺会发生不同的热冲压成形质量。通常侧壁弯曲时，若弯曲处的圆角过小，则外表面容易产生裂纹。当使用涂层板时，还会引起涂层的剥离，为此规定最小弯曲半径R≥2t, 其中，R 为弯曲半径，t 为板料厚度。防止圆角在弯曲时受压产生挤料后起皱，应设计预留切口。
6.生产过程控制。通过热冲压成形的工艺过程，我们在研究中发现在生产过程中，关键参数的控制尤为重要，其对最终产品的尺寸、性能有着关键性的影响，主要控制参数如下：加热温度建议加热温度保持在930℃以上，加热温度的高低，会直接影响热冲压成形产品成形后的合金化层厚度，从而影响最终产品的性能。加热时间加热时间和加热温度是两个相辅相成的关键参数，在热冲压成形中对于加热时间的制定原则会根据产品料厚的不同而设置不同，加热时间的长短也会直接影响热冲压成形产品成形后的合金化层厚度，从而影响最终产品的性能。自动化转移时间转移时间的快慢会决定加热的料片在空气中暴露的时间长短，根据冷却的要求，理论上该参数转移时间需要尽可能的短，其会对产品的机械性能有着间接影响，终会对产品的机械性能以及成形状态和尺寸有着间接影响。冷却水流量和温度冷却水的使用会采用冰水机进行持续循环降温，其目的同样是为了保证进入模具冷却水的温度是稳定可靠的，其会对产品机械性能、零件的成形性、模具镶块的密封装置有着直接影响。压机成形压力和保压时间参数同样会对产品最终的尺寸状态和零件成形性有着直接影响。成形前温度和成形后温度监控参数的监控是为了验证以上关键参数实际生产过程中的有效性，关键参数的监控最终反映到产品上除了产品本身的尺寸外，最为直接的就是成形前的温度和成形后的温度，成形前温度决定我们加热温度、加热时间、自动化转移时间和压机滑块下行速度是否满足工艺要求，成形后温度决定我们冷却水温度、模具水道设计、压机成形压力和保压时间是否满足工艺，最为有效的监控手段为热成像系统持续监控。
三、质量追溯
所有参数控制手段都是为了保证产品生产的一致性和稳定性，但不论多么严密的控制手段和作业程序，难免会有不良品产生。⑴不接受不良品，通过来料检查，统计并记录物流厂家、品种、接收人、到货信息、物流牌号等基本信息，做有效的产前质量控制。⑵不制造不良品，通过过程质量监控，除设备固有的参数监控外，也需统计并记录生产班组、生产时间、对应工装、检查员信息、工艺程序等基本生产信息，做有效的产中质量控制。⑶不流出不良品，通过出库发货检查，统计并记录发货物流车辆、专有器具、收发人、时间、地点等等物流基本信息，做有效的产后质量控制。在统计和记录上，可以通过专有的设备给每个环节增加赋值，以此确保产品的唯一性，利用每个产品的唯一条码进行大数据的采集，采集物流仓储数据、采集质量档案，过程控制数据，采集生产管理数据，采集工艺管理数据，通过专有设备对生产产品实时在线拍照、编号并存储，以此在出现不良品时可通过这些大数据和记录的手段去调取不良批次编号、调取视频记录文件核对，实现产品有效的不良原因追溯，形成针对性问题的整改和追踪，并为同类型产品的FEMA 提供尤为重要的依据和数据库。
热冲压成形工艺设计研究结果表明，热冲压成形的翻边工艺、拉深工艺、结构设计工艺、面特征工艺及弯曲圆角设计工艺的合理设计对其热冲压成形性有重要影响，并决定冲压件的成形质量。热冲压成形工艺设计技术的应用，有效的推进制造业技术的快速发展。
参考文献：
[1] 林忠钦.制造业技术冲压成形仿真[M].北京：机械工业出版社,2019：49- 52.