热冲压成形工艺及模具技术要点探讨
热冲压成形技术是汽车产业近年内颇具影响力的先进制造方法，特别适用于生产高强度的汽车钢板冲压部件。本文旨在深入分析该技术的工艺流程和模具设计的关键点，以促进与业界同仁的学术交流。节油减排成为汽车行业降低使用成本、增强产品竞争力、降低排放污染和提升企业形象的关键策略。在这一系列措施中，汽车轻量化尤为显著，每减轻100公斤车重，每行驶100公里即可节省约1.6升燃油。鉴于此，塑料、铝合金、碳纤维、高强度钢板等替代材料在汽车制造领域得到了广泛应用。使用高强度钢板能够降低零件的厚度、缩小零件的横截面积，进而减轻零件的重量。此外，通过减少零件的数量，也能减轻车辆的重量。相较于其他材料，这些替代材料在实现汽车轻量化及提升汽车安全性能方面展现出显著优势，它们能够同时满足汽车轻量化和提升安全性能的双重需求。正因如此，高强度钢板在汽车行业的应用范围正日益扩大。
热成形工艺主要针对超高强度钢板的冲压制品进行加工，它通过在高温环境中对板材进行冲压并迅速在模具中冷却硬化，从而制造出强度可达1500MPa的冲压制品。这种技术目前已被广泛用于生产汽车车门防撞梁、前后保险杠等安全部件，以及A柱、B柱、中通道等车身结构部件，具体如图1展示。
图1 热冲压成形应用零件
热冲压成形工艺涉及对特殊超高强度硼合金钢板进行加热，温度控制在880至930摄氏度之间，以实现坯料的奥氏体化。加热完成后，坯料被送入配备冷却系统的模具中进行冲压成形。在成形过程中，模具表面负责对坯料进行冷却和淬火处理，促使坯料发生相变，将奥氏体转变为马氏体。这一转变使得成形件得到强化。成形前硼合金的坯料强度通常介于500至600MPa之间，而经过成形后的冲压件强度则可提升至1500MPa，强度增幅超过250%。零件的硬度可达50HRC，然而其伸长率却显著降低，成形前硼合金钢板的伸长率可超过24%，而成形后的伸长率仅约8%。因此，热冲压成形技术也被称作“冲压硬化技术”。该技术的工艺流程详见图2。
图2 热冲压成形工艺流程
在热冲压成形工艺中，选材方面，目前普遍采用的是硼合金钢。这是因为钢中微量的硼能够显著提升其淬透性能，使得零件在模具冷却过程中能够以适宜的速度形成所需的马氏体组织，进而确保零件具备高强度。目前市场上热冲压成形用钢主要分为四大类：Mn-B系列、Mn-O-B系列、Mn-Cr-B系列以及Mn-W-Ti-B系列。在汽车覆盖件的热冲压成形过程中，所使用的钢板通常被区分为两种类型：一种是带有特殊涂层的钢板，另一种则是未涂层的钢板。
无镀层钢板虽然价格低廉且焊接性能优越，但在加热和冲压时会产生氧化皮，需进行喷丸处理。此外，在存储过程中，这类零件容易生锈，且耐腐蚀性不强。22MnB5钢属于一种典型的热冲压用高强度无镀层钢板。对于22MnB5钢而言，其抗拉强度会随着加热温度的不同而有所变化（如图3所示）。观察图3可知，当温度上升，板料的抗拉强度在900℃时达到峰值，随后温度继续上升，其抗拉强度则呈现出下降的态势。在900℃的加热温度下，板料的力学性能尤为出色。若要使板料的抗拉强度达到1500MPa，则需将温度控制在约930℃，此时其强度约为普通钢板的3至4倍。
热冲压镀层钢板根据镀层成分的不同，可以细分为铝硅（Al-10Si）镀层、电镀锌镍（Zn-10Si）镀层、热镀纯锌（GI）层以及合金花锌铁（GA）镀层。与未镀层的板材相比，它具有以下优势：在加热炉生产过程中无需使用保护气体；在热冲压件加热和冲压过程中不会产生氧化皮，无需进行喷丸处理，对模具也不会造成影响；在储存过程中，零件不会生锈，并且具有良好的耐腐蚀性能。其不足之处在于：目前市面上较为成熟的汽车覆盖件所用的热冲压镀层钢板，主要依赖进口，价格昂贵；同时，在板料加热至特定温度后，镀层容易与加热炉中的陶瓷辊粘附，因此需要定期更换陶瓷辊，导致年度维护费用较高。
图3 抗拉强度随温度变化曲线图
热冲压成形生产工艺
热冲压成形直接成形技术，涉及将板材加热至奥氏体化温度并保持一定时间，随后迅速置于配备冷却系统的模具中进行成形与淬火处理，如图4所示。该工艺具有以下优势：
坯料在单一模具内完成成型与淬火工序，此举不仅减少了预成型模具的成本投入，而且提升了生产效率。
在加热坯料之前，它们是以平板的形式存在的，这一做法不仅减少了加热区域的占地面积，节约了能源，而且提供了多样化的加热选择，比如使用感应加热炉进行加热。
热冲压成形直接成形技术的不足之处在于，车门内部零件的成型过程较为复杂，难以实现；同时，模具冷却系统的设计也更为繁杂，还必须引入激光切割设备等辅助设施。
图4 热冲压成形直接成形工艺图
热冲压成形间接成形生产工艺
热冲压成形工艺中，板材需先经历冷冲压预成形步骤，随后加热至奥氏体状态，并保持一定温度，最终放入配备冷却装置的模具中完成最终成形和淬火过程，如图5所示。这种工艺的优势包括：
图5 热冲压成形间接成形工艺图
能够制造出形状复杂的车内部件，几乎涵盖了现今所有类型的冲压承重零件。
坯料经过预成形处理之后，在后续的热成形过程中，我们无需过分关注板料在高温下的成形特性，便能保证板料能够充分淬火，形成所需的马氏体组织。
预成形后的坯料可执行修整边缘、翻转边缘、冲制孔洞等工序，以防止淬火硬化后加工变得尤为艰难，比如，板料在淬火后进行修边时需借助激光切割设备，这无疑会显著提升加工成本。
局部热冲压成形生产工艺
为了增强高强度的钢板在冲压过程中对碰撞能量的吸收能力以及防御入侵的能力，部分国际领先的汽车制造商已成功开发出一种局部加热的技术。这种技术具体表现为对同一块钢板的不同区域实施不同的加热处理，从而赋予钢板不同的性能特征，实现局部强化。该局部加热技术主要分为两种形式：一种是模具局部加热（如图6所示），另一种是料片局部加热（如图7所示）。图6展示了模具局部加热的方法，即通过控制冷却速度来实现。
图7 料片局部加热方式
局部加热后的热冲压成品件，其低强度区域的强度大约为800MPa，而加热区域的强度则达到了约1500MPa。这一设计既确保了车体在吸收碰撞能量时的强度需求，又满足了抵御入侵的强度标准。
热冲压成形及冷冲压成形工艺零件质量对比
热冲压成形零件特点
由于成形过程中所处的环境温度较高，这些未涂层的冲压零件表面出现了氧化现象，导致其表面质量不尽如人意。
在冷却阶段，由于温度分布存在不均匀性，零件容易出现热应力和热应变现象。
材料的高塑性特性使得成形过程中零件不易出现皱褶和断裂现象，且基本不存在回弹，从而保证了尺寸的稳定性较好。
经过加工变形与快速冷却处理，材料中的晶粒得以细化，同时其力学性能显著增强。
材料在经过形变处理及强化工艺之后，其强度得到了显著增强；然而，传统的冷冲压切边冲孔技术已无法满足工艺和零件精度的需求；因此，必须借助激光或等离子切割设备来完成这一工序。
冷冲压成形零件特点
(1)由于是在室温下成形和采用冷轧板，零件表面光滑；
材料的塑性程度不高，导致在成形阶段，零件容易出现皱褶和开裂现象，且容易发生回弹，其尺寸的稳定性相对较差。
(3)材料在加工过程中产生了加工硬化。
热冲压成形模具技术要点
常规冷冲压模具主要用于零件的形状塑造，而热冲压模具不仅负责形状塑造，还需负责零件的冷却和淬火处理，这使得其结构更为复杂。同时，这也对模具材料的选择和模具设计提出了更为严格的标准，如图8所示。
图8 热冲压成形模具
在挑选模具材料时，热冲压模具所需材料必须具备优异的热传导性能，以便钢板与模具表面能迅速进行热量交换，确保有效的冷却效果。此外，该材料还需拥有出色的热强度、热硬度、较高的耐磨性以及良好的热疲劳性能，以防止模具内部的冷却管道因冷却介质的腐蚀而堵塞。鉴于此，许多国外热冲压模具材料中均含有较高比例的镍（Ni）和铬（Cr）。选择模具材料时，通常需依据实际作业条件，并参考热锻造用模具钢材来做出决定。
模具凸凹模的设计不能直接套用冷冲压模具的设计技巧，这是因为热冲压工艺中的回弹现象极为轻微，几乎可以忽略其对零件形状的改动。此外，还需关注热胀冷缩对零件最终尺寸和形状可能产生的影响，并据此来设定凸凹模具的关键尺寸。
在冷却机构的设计过程中，冷却系统需确保模具能对零件实施迅速且分布均匀的冷却。冷却管道的整体布局、形状、直径，以及冷却管与模具的工作面和非工作面之间的距离，还有冷却系统的密封性，这些都是冷却机构设计中的关键要素。同时，这些也是热冲压成形模具设计领域内最为关键的技术之一。在规划冷却管道系统时，应运用数值模拟手段对管道内冷却介质的流动状况进行仿真与评估，确保每条管道均达到一致的冷却效能，进而确保冷却效果的均衡分布。
当前业界已较为完善的冷却水道相关计算公式及布局规范如下（具体计算公式）：
在公式中，mw代表单位时间内通过模具的水的质量，以千克每小时(kg/h)为单位；n表示管道的数量；qw是指每条管道的冷却水流量，以立方米每小时(m3/h)计量；ρw是冷却水在特定温度下的密度，通常取值为1000千克每立方米(kg/m3)；d是冷却水孔的直径，以米(m)计算；v是冷却水的流速，以米每秒(m/s)来表示；而tu表示时间单位，其中1小时等于3600秒。
在公式中，雷诺数用Re表示；运动粘度以w来衡量，单位为平方米每秒，在10℃时，w的值为1.3077×10^-6平方米每秒；而在20℃时，w的值变为0.805×10^-6平方米每秒。当管道的雷诺数Ree超过4000时，流体处于紊流状态；当雷诺数在2300至4000之间时，则表示流体处于过渡状态。
冷却水道布置
冷却管道的直径介于10至14毫米之间；相邻管道的中心距离在17至20毫米之间；管道中心与形面之间的最小距离超过15毫米。每个镶块的冷却系统都是独立的；相邻镶块间的冷却水道并未相互连接。通常情况下，模具的凸起部分并不利于热量的有效传递，而凹槽部分则更容易将热量扩散至周围；在连续生产过程中，我们有必要在模具的凸起区域安装冷却管道；同时，在模具的圆角过渡区域，热量容易聚集，这会导致该区域的零件硬度相对较低；因此，在连续生产时，还应在模具的圆角过渡区开设冷却管道。
热冲压模具的设计与开发构成了热成形技术的核心，与常规的冷冲压模具有着显著差异。这一过程融合了冷却系统的协调优化设计、冷却管道的精加工、计算机仿真的深入分析以及传热模拟等多项先进技术。通过这些技术的综合运用，实现了成形、冷却和组织性能的完美融合，其具体开发步骤可参照图9进行了解。
图9展示了热冲压成形模具的开发流程图，结语指出，实现车身轻量化是一项系统工程，涉及材料选择、设计规划以及制造工艺技术等多个方面的考量；同时，新材料的运用也离不开新成形制造技术的进步。汽车行业竞争加剧及社会对汽车提出更高标准，推动了超高强度钢板在汽车领域的应用，进而催生了热冲压成形技术的问世与进步。而热冲压成形技术的广泛应用及需求增长，亦将持续推动超高强度钢板材料的深入研发与性能优化，助力实现汽车车身更轻量化，满足社会对汽车行业节能减排及提升安全性能的更高期待。
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