新时期热冲压成形技术的构建探究
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摘 要：热冲压成形技术是一种常见的零件加工方式，尤其在汽车工业中应用最为普遍。本文介绍了热冲压成形技术的基本原理，分析了温度、时间、成形速度以及冷却速度对冲压成形的影响。并以汽车零部件加工为主要研究对象，通过热冲压技术获取轻量化高强度的成形件，通过检测成形件微观组织为马氏体，抗拉强度为1500MPa满足汽车生产要求。
关键词：新时期 热成形 冲压
中图分类号：TG385 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2020）02（b）-0060-02
热冲压成形技术是一种常见的零件加工方式，尤其在汽车工业中应用最为普遍。将材料先加热至奥氏体化状态，该状态下钢板材料的塑性较好，强度低，并且具有一定的韧性，然后使用冲压机在模具中进行冲压并淬火，获得相应形状的高强度金属零件。通过热冲压成形技术获取高强度的冲压件来代替传统的厚钢板，不但可以有效降低零部件自身的重量，而且能大幅度地提升抗拉强度，广泛应用于汽车保险杠、AB柱、车顶侧梁的制造中，下面就对新时期热冲压成形技术的构建进行深入分析。
1 热冲压技术原理
热冲压技术是一种将钢板材料加热至奥氏体形态下，快速进行冲压成形，并且通过模具对零件进行淬火冷却，获得强度为1500MPa左右的马氏体成形件。可以说热冲压技术是将钢板材料由奥氏体向马氏体转化的过程。奥氏体（Austenite）是钢铁的一种层片状的显微组织，该状态下的钢板材料?-Fe中固溶少量碳的无磁性固溶体，因此也称为沃斯田铁或者?-Fe。马氏体（Martensite）是黑色金属材料的一种组织名称，是碳在α-Fe中的过饱和固溶体。马氏体和奥氏体的不同在于，马氏体是体心正方结构，奥氏体是面心立方结构。奥氏体向马氏体转变仅需很少的能量，因为这种转变是无扩散位移型的，仅仅是迅速和微小的原子重排。马氏体的密度低于奥氏体，所以转变后体积会膨胀。相对于转变带来的体积改变，这种变化引起的切应力、拉应力更需要重视。热冲压成形技术的原理如图1所示。
热冲压成形技术可以分直接冲压和间接冲压两种形式，其中直接冲压是将钢板材料加热至奥氏体后，直接传送至模具上冲压，模具表面有冷却通道，可以在钢板材料冲压的过程中进行淬火冷却，获得马氏体成形件。间接冲压则是钢板材料先进行冷冲压，然后再加热成奥氏体进行淬火和校准，确保成形材料强度达到1500MPa的马氏体。
2 热冲压技术工艺设计
热冲压成形技术使用的设备包括：加热炉、上下料装置、冲压机、模具、切边和冲孔设备。下面就对热冲压成形技术的工艺设计和特点进行详细分析。
2.1 材料加热
加热炉是热冲压成形技术的关键设备，尤其是在汽车工业自动化生产线上，加热炉具有自动进料和出料功能，并且有自动温控装置，实现在设定时间内确保钢板材料完成奥氏体的转化。
2.2 上下料过程
上下料装置主要是通过机械手臂将奥氏体材料传送至模具进行冲压，上下料时需要平稳抓取钢板，同时减小夹持点钢板温度的变化，因此，采用高速机械手臂最大限度地缩短上下料的时间，这对于降低生成成本，具有十分重要作用。
2.3 冲压
冲压机直接对奥氏体材料机械能冲压，考虑到钢板材料的热胀冷缩效应，需要有效的补偿设计，模具内有冷却回路，具备淬火冷却功能。考虑到热冲压是重新加热到奥氏體区的过程，为了避免和减少加热过程对材料造成的氧化，需要使用镀层板，提高镀层的结合力，防止加热和成形过程中的剥落。镀层板热冲压过程无氧化皮，减少了喷丸处理的过程，零件耐腐蚀性能高、不易生锈，但是制造工艺复杂，成本相对较高。
2.4 切边和冲孔
切边和冲孔是对冲压成形件进行二次加工，由于成形件强度较高，常采用激光切割进行切边和冲孔。
3 热冲压技术应用
现阶段，中国宝钢集团是国内唯一热冲压钢供应商。使用硼钢板B1500HS，化学成分如表1所示。通过热冲压技术制造汽车零部件，提升材料抗冲击性能的同时提升汽车的安全性能和燃油经济性。下面将通过实验验证热冲压成形技术的实际效果：
实验过程中，首先将硼合金钢板送至加热炉内加热至900℃，并且保温5min，确保材料完成奥氏体形态转变，此次使用的是带Al-Si镀层钢板，防止钢板材料在加热过程中发生氧化。待钢板材料完全成为奥氏体形态后，启动高速机械臂迅速将材料放入带有冷却装置的冲压模具上，迅速启动液压冲压机实现冲压成形，模具完全闭合后保持10s，确保模具内的钢板充分淬火冷却，从而实现钢板材料由奥氏体向马氏体的转变。
通过常温和高温状态对材料的单向拉伸进行实验，获取钢板材料的基本力学性能数据。在室温条件下，即温度10℃～50℃时对热冲压成形没有明显影响，保压时间为155～260s，冷却速度一般为21℃/s，冲压模具自带淬火冷却功能，淬火后材料温度为200℃，冷却水临界值为0.7m/s。对成形件进行微观组织分析，可以得到该成形件的屈服强度可达1036MPa，抗拉伸强度可达1547MPa。通过实验验证热冲压成形件的回弹，压边力、凹模圆角半径和模具温度对热成形下的回弹有较大影响，压边力越大，模具温度越高，凹模圆角半径越小，回弹量越小，同时冷却速率不一致造成的热效应对回弹也有一定影响。
4 结语
综上所述，热冲压成形技术是汽车工业中常用的零部件加工技术，通过热冲压制造的成形件具有强度高、质量轻等特点。本文通过分析热冲压成形技术的基本原理及工艺特点，通过汽车工业生产的实际应用，验证了热冲压成形件强度可达1000MPa、抗拉强度可达1500MPa，为理想状态下的马氏体结构。由此可见，热冲压成形技术可以很好的满足新时期汽车工业对材料轻量化、高强度的技术要求，具有非常广阔的应用前景。
参考文献
[1] 张宜生，王子健，王梁.高强钢热冲压成形工艺及装备进展[J].塑性工程学报，2018（5）：98.
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