胡平 大连理工大学

汽车轻量化是大势所趋

汽车轻量化是现代汽车设计制造的主流。车身轻量化对减轻汽车整车自重、提高整车燃油经济性和节能环保至关重要。汽车重量每降低100公斤，每百公里至少可节约1.6l燃油。轻量化可能会降低汽车的碰撞安全性，既能保证安全性又能实现轻量化，而且同时实现成本和效益最优化是汽车制造业极为关注的目标。

由于铝镁合金性价比低，其关键力学性能与钢铁相比也无明显优势，因此采用高强度钢板热冲压生产技术正呈现出欣欣向荣的趋势，成为同时实现轻量化和提高碰撞安全性的最好途径。热冲压技术不仅有高强度比的优点，且在高温下材料成形性好，能消除回弹影响，零件精度高，成形质量好。

近年来，国外汽车制造商已将高强度钢板热冲压技术应用于前保险杠、后保险杠、A柱、B柱、C柱、车顶构架、车底框架以及车门内板、车门防撞梁在内的结构件上。例如，在VOLVO车型中热冲压硼钢的使用量逐年递增，预计将达到白车身的45%以上，如图1所示。

图1 高强度硼钢在VOLVO轿车中的使用情况

热冲压技术的概念

热冲压是相对比常见的冷冲压成形而言，为了克服高强度钢板冷成形的困难，热冲压须将钢板加热实现相变再冲压成形并进行淬火，从而获得更高的强度、抗变形性与硬度，能够成形抗拉强度高达1600-2000MPa的零部件，可组焊成高强度驾乘单元，承受5吨以上的静压而不损坏。采用这种相对于超高强度的结构件，可明显提高汽车的碰撞安全性，同时通过减小壁厚或截面、减少汽车装配环节中的零部件的数量尺寸，从而实现轻量化。正因为热冲压的技术优势，才使得高强度钢热冲压技术正受到全球汽车厂商和钢铁生产企业的的青睐和极大关注。

热冲压不单是简单的“冷转热”过程，涉及到了十分复杂的金属材料热—力—相变多物理场耦合和多尺度问题以及热边界摩擦非线性力学问题。高强钢板热冲压的复杂性要克服热冲压缺陷的产生：诸如局部过分软化－缩颈、破裂，起皱，马氏体转化不均匀等，还要实现最佳的奥氏体-马氏体化温度、最佳模内冷却速率、最佳成形压力、最佳保压时间等优化问题，这就需要从宏观和微观尺度进行诸如成形性分析、服役性能等进行深入研究和技术积累。

广泛采用22MnB5高强度硼钢是目前从材料上实现热冲压的一种最优选择。该钢种初始抗拉强度介于400MPa～600MPa之间，无论是热轧还是冷轧板材产品均可在奥氏体化后通过快速淬火处理得到马氏体组织，实现热冲压成形生产。目前市场上广泛应用的热冲压板材以欧洲Arcelor公司出产的带Al-Si涂层的USIBOR1500及改型批次为代表，产品厚度为0.7mm～2.4mm不等。带涂层的热冲压钢板由于表面有效隔绝空气与钢铁接触，在热冲压过程中不会产生大量氧化皮，表面质量好，后续几乎不需喷丸工序，但涂层易与加热炉中磁辊粘结。无涂层的钢板由于具有大量氧化皮，后续需要喷丸处理，但不会与加热炉中磁棍粘结，二者各具利弊。其他诸如日本新日铁、神户制钢、韩国浦硕钢厂也正积极开发生产用热冲压钢板。国内宝钢开发的冷轧B1500HS、热轧BR1500HS也已实现批量供货，通钢、鞍钢等钢铁企业也正积极投入相关热冲压钢板开发中。

图2 两种不同成形工艺

不同的热冲压工艺

根据实际零部件加工难易程度、成形顺序等工序，热冲压工艺分为一次成形和二次成形方式。直接冲压工艺是指高强度钢板板料加热到奥氏体化温度并保温一段时间后，直接放入具有冷却系统的模具里进行冲压成形及淬火，一次成形，但需要增加激光切割设备，其主要优点有二：

（1）板料在一套模具中进行冲压成形及淬火，节省了预冲压成形模具费用并加快了生产节奏。

（2）材料被加热前为平板料，这样不仅节省了加热区面积进而节省能源，而且可以选取多种加热方式，例如可以采取感应和辐射加热炉进行奥氏体化加热。

二次成形过程是通过将一次成形并切边的零件再进行加热—定形—淬火，最终可获得减少激光切边成本的高强度结构件，最主要的优点是可进行更复杂形状的车体结构件冲压成形。板料预冲压成形后，后续热冲压成形工艺不需要过多考虑板料高温冲压成形性能，可确保板料充分淬火得到所需要的马氏体组织。板料预冲压成形后可以进行修边、翻边、冲孔等工艺加工，避免板料淬火硬化后加工困难问题。但由于增加了二次模具冷却，其不可避免的增加了制造过程中的模具成本。两种不同工艺的比较如图2所示。图2左侧所示为一次成形的过程和冲压件，右侧所示为二次成形的过程和冲压件。

钢板热冲压生产线及其国产化

高强度钢板热冲压成形生产线是实现这一先进成形技术的关键环节。热冲压成形技术特征决定了它不同于常规冲压的装备及关键技术，它是将落料、加热、防氧化、冲压、淬火冷却、切形和喷丸处理等为一体的综合制造集成加工系统，是体现机械加工、电控和材料化工紧密交叉的国际前沿高新技术。

目前国内现有的5条热冲压生产线全部为高价进口的国外生产线（如宝钢、上海卡斯玛等），用于国产速腾、奥迪等几款轿车核心零部件生产（如A柱、B柱、前后保险杠等），耗资巨大，造成市场成本居高不下。

上述“瓶颈”问题的根本解决之道需要我们立足于自主开发和制造主要设备及模具，自主研发具有完全知识产权的高效率热冲压装备生产线，才能不受制于人。对于以实现产业化目标而言，热冲压成形生产线装备主要包括4大部分：满足快速合模、保压要求高速专用液压机；具备最优冷却回路设计及满足成形工艺要求的水冷模具；保证定位精度的具备防氧化、节拍可控的专用加热炉；具备中央可控联调功能的自动化传输系统。

图3 国产高强度钢板热冲压生产线

其中生产线中央集成控制成套装备和热冲压零件质量稳定性控制是衡量和评价热冲压生产线品质的关键环节，也是实现产业化之路的重中之重。

目前，国内以长春伟孚特汽车零部件有限公司为代表的高科技企业，开展了产学研全面合作，已打破国外公司的技术垄断，建立了热冲压高强度钢板在成形过程中的热-力-相变多物理场耦合本构理论和动力显式弹塑性大变形有限元算法。自行成功研制出具有完全自主知识产权的节能型高强度钢板热冲压成套技术、仿真软件和批量的自动化生产装备线。在保证高技术附加值的基础上具有价格优势和技术竞争力。

已经研究了高强度钢板热冲压成套自动化生产线和制造工艺中的各种关键技术，已能够为国内汽车主机厂（奇瑞、一汽等）小批量生产热成形件，具有突出的市场优势。目前正在开展汽车A柱、B柱、车顶构架、车底通道框架、前后保险杠以及车门防撞梁等热冲压件的模具设计和批量生产准备。

高强度钢板热冲压技术具有巨大的市场前景和生命力，但在成形过程和热处理过程中仍存在各种技术问题，如：热软化、破裂、马氏体转换的不均匀性、塑性变形能力低、表面氧化等。另一方面，由于高强度钢板热冲压技术还处于起步阶段，还有很多产业化实际问题需要解决和完善，例如制造工艺参数优化、生产效率、产品质量、热冲压成形过程微观机理研究、采用非镀层钢板时需要进行喷丸处理及激光切割成本偏高等等。因此，热冲压技术今后将朝着高效率、低成本、强韧化、防氧化方向发展。首先需要研究解决“试错”问题，这是提高技术的效率和降低成本的关键手段之一。力学、机械、化学和材料科学工作者紧密合作，多学科交叉融会将为解决强韧化和防氧化问题提供坚实的技术保证。

2011年，中国产销目标预计达到1970万辆，有望突破2000万辆。中国汽车市场持续加温。汽车制造行业需进一步明确在国家制定的“汽车产业调整振兴规划”下，到2020年将我国从装备“制造大国”推向“制造强国”的远景目标，只有打破热冲压成形技术领域的关键“瓶颈”，瞄准高端市场，在“保增长”前提下进一步调整部署，全面优化产业布局，借装备制造行业实施国家“十二五”科技重大专项的东风，调结构、促改革，大力发展高强度钢热冲压装备生产线及相关技术，推进汽车装备制造行业又好又快发展。

与世界上汽车产业强国相比，我国的热冲压装备生产线关键技术及成套装备研究起步较晚，现在仍有许多关键的共性技术尚待解决。为了进一步提升我国自主品牌汽车的国际竞争力，国家及政府有关部门必须加以引导和支持。钢铁企业—汽车企业—用户，政府—企业—市场要形成三方互动的整体，促进各个领域的交流是十分重要的。仅靠单个企业自身的努力要想实现跨越式技术进步显得尤为艰难。从高强度钢板热冲压技术的发展之路看出，任何核心技术不掌握在自己手中，都将受制于人。因此，必须拥有完全自主知识产权的专有技术，才是中国汽车工业及装备制造业全方位发展的前途所在。