热冲压成型工艺是汽车领域一项较新的关键技术，主要用来制造汽车的高强度钢板零件。本文着重分析这项工艺和模具的核心要点，目的是与同行交流。汽车行业致力于节约能源和减少排放，以此降低用车开销，增强产品优势，降低空气污染，并改善公司声誉。在所有节能减污手段中，汽车减重措施带来的成效最为显著。车辆自重每降低100公斤，每百公里就能节省大约1.6升燃料。所以，在汽车生产过程中开始采用塑料、铝合金、碳纤维、高强钢板等不同替代材料。使用高强钢板能够使部件变得更薄，缩小部件的横截面积，从而减轻部件的重量。或者也可以通过减少部件数量来降低汽车的整体重量。这些替代材料具备超越其他材料的突出特点，有助于实现车辆减重，也能增强车辆的安全性，能够同时达成轻量化和提升安全性的目标。正因如此，高强度钢板在汽车行业的应用范围持续扩大。
热成形工艺是针对超高强度钢板冲压件开发的一种成型方法。这种工艺借助高温对板材实施冲压，并在模具内完成冷却与淬火处理，由此制造出抗拉强度可达到1500兆帕级别的冲压零件。现阶段，该技术已普遍应用于汽车车身框架部件的制造过程，例如车门防撞横梁、前部与后部保险杠的A柱和B柱，以及中央通道结构等构件。具体构造如图所示。
一、热冲压成形工艺原理以及流程
热冲压成形技术的核心在于先将特种超高强度硼合金钢板加热至880至930度，让金属坯料完成奥氏体化过程，接着将坯料送入配备冷却装置的模具里进行压制，金属坯料在压制过程中受模具表面冷却并实施淬火，促使材料内部结构发生转变，奥氏体转化为马氏体，这样就能让最终成形的工件获得更高的强度。硼合金坯料初始强度通常介于500到600兆帕之间，经过成型处理后，冲压成品的强度能够达到1500兆帕，强度增幅超过百分之二百五十，零件的硬度值可达到五十HRC，不过其延展性会显著降低，而硼合金板材在成型之前的延展能力可以超过百分之二十四，成型完成后的延展能力仅剩百分之八左右，因此热冲压工艺也称作“硬化成型方法”。该工艺的具体步骤展示在附图之中。
二、热冲压成形工艺选材
现在，用于热成形的钢材都采用含硼合金钢，因为少量的硼可以显著增强钢的淬透能力，让零件在模具中通过适宜的冷却速率形成所需的马氏体结构，进而确保零件的优异强度。目前，热冲压成形的钢材有四种类型：锰硼系、锰氧硼系、锰铬硼系、锰钨钛硼系。这类钢板用于汽车覆盖件热冲压，通常分为两种类型，一种表面有涂层，另一种则没有涂层。
这种未镀层钢板造价不高,接合效果佳,但在加热、压制时会产生氧化层,必须实施喷砂工艺,零件存放时容易锈蚀,抗锈蚀能力不强。22MnB5钢属于典型的热冲压型高强无镀层钢板。22MnB5在不一样加热温度下,抗拉能力会随温度改变(见图3)。图3显示，板料抗拉强度随温度升高而变化，900℃时达到峰值，之后随温度升高而减弱。900℃时，板料展现出最佳力学特征。若要使板料抗拉强度达到1500MPa，需将温度控制在930℃上下，此时强度为普通钢板的三至四倍。
热冲压镀层钢板依据镀层成分分类，包含铝硅成分的镀层，电镀锌镍成分的镀层，热镀纯锌成分的镀层，以及合金花锌铁成分的镀层，这些镀层各有特点，与未加镀层的板材相比，具有明显的好处，具体表现为：在生产热冲压时，加热炉不需要使用保护气体；在热冲压过程中，零件不会产生氧化皮，因此无需进行喷丸处理，同时也能保护模具不受损害；在零件储存期间，不会发生锈蚀现象，展现出良好的抗腐蚀能力。这种材料存在不足之处，现阶段性能优良的汽车外壳用热浸镀钢板必须从海外购进，价格十分昂贵；一旦板材被加热到特定温度，镀层材料容易同加热设备的陶瓷滚轮产生粘连，因此必须频繁更换陶瓷滚轮，导致每年的维护开销居高不下。
三、热冲压成形生产工艺
热冲压成形直接成形工艺是将板料加热至奥氏体化温度，保持一段时间，随后直接放入配备冷却系统的模具中进行成形和淬火，具体流程如附图所示，该工艺具备诸多优势：
成型和淬火在同一套模具里完成，省去了预成型模具的成本，也提升了制造效率。
坯料在加热前呈现平板形态，这样做能够减少加热区域占用空间，有效降低能源消耗，同时具备多种加热手段可供选择，比如可以使用感应加热炉来实施加热。
热冲压工艺直接成型存在不足之处，车门内部构件难以成型，同时模具冷却系统设计更为复杂，还需配备激光切割装置等设备。
四、热冲压成形间接成形生产工艺
热冲压工艺属于一种间接成型方法，具体流程是先对板材实施冷压加工完成初步塑形，接着将材料加热至奥氏体状态，维持一定时间进行均热处理，最后将工件置于配备冷却装置的模腔中，同时完成最终塑形与淬火作业，工艺步骤如附图所示，该技术的主要长处在于：
能够制造出具备多种构造的汽车内部构件，几乎囊括了当下所有的钣金结构件。
坯料在初步塑形完成后，后续的热加工流程可以不必过分关注板材在高温下的变形能力，依然能够保证板材彻底冷却并形成期望的奥氏体转变组织。
坯料在初步塑形完成之后，能够实施边缘处理、形状翻转以及开孔等加工措施，以此规避淬火处理所导致的加工难题，譬如板材在经过硬化处理后，若需进行边缘修整，就必须借助激光切割装置，这无疑会显著提升生产费用。
五、局部热冲压成形生产工艺
增强高强度钢板冲压零件的缓冲冲击力与防止穿透能力，一些国家的先进汽车公司已开发出局部加温技术，即对同一块板材进行不均匀加热，让板材呈现不同强度，这就是局部强化。这种局部加温方法有两种：一种是模具局部加温（参考图示），另一种是板材局部加温（另见图）。图示中的模具局部加温技术（需调控冷却速率）
局部加热热冲压成品件的部分区域抗压能力在800兆帕左右，而经过加热处理的区域抗压能力能达到1500兆帕，这种差异既符合车辆在碰撞时对能量吸收强度的标准，也符合防止外部侵入的强度标准。
热冲压成形及冷冲压成形工艺零件质量对比
六、热冲压成形零件特点
在高温环境下进行成型，未涂层的冲压零件表面容易发生氧化现象，导致表面状态较差。
零件在冷却期间，因为温度分布不均，会容易导致热应力出现，同时也会引发热应变。
材料具备优异的延展性，因此，在加工环节，制件不会轻易出现褶皱或断裂的情况，几乎不发生形变恢复，其规格保持性相当理想。
材料经过处理变形和急速冷却，颗粒变得细小，机械强度得到显著增强。
材料在经过变形与硬化处理后，其强度得到显著提升，传统冷冲压切边冲孔工艺已无法满足工艺标准与零件精度需求，必须借助激光切割或等离子切割设备才能完成加工。
七、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；
材料延展性不高，导致塑形时零件容易产生褶皱或开裂，也容易发生回弹现象，同时其尺寸保持性相对较弱。
(3)材料在加工过程中产生了加工硬化。
八、热冲压成形模具技术要点
常规冷冲压模具主要功能是零件塑形，而热冲压模具除了塑形，还需承担零件冷却与淬火任务，所以这类模具构造更为精密，对材料挑选和设计构思等环节标准更高，具体构造展示在附图之中。
热冲压模具材料必须具备优异的导热性能，以便让钢板和模具接触面能够迅速交换热量，从而达成理想的降温效果。此类模具材料还应拥有出色的耐热能力、高硬度和显著的抗磨损能力，以及优良的抗热疲劳性能，这样就能防止模具内部的冷却管道被冷却液体腐蚀或淤积。正因如此，许多国外的热冲压模具材料中都添加了较多的镍和铬元素。挑选模具材料时，通常需结合实际工况，以热锻造模具钢为基准来决定。
模具的凸凹模设计，不能直接套用冷冲压模具的设计思路，由于热冲压工艺的回弹现象非常轻微，几乎可以忽略回弹对零件最终形态的干扰，同时还要顾及热胀冷缩对零件最终尺寸和形态的制约，并以此为依据确定凸凹模具的核心尺寸。
冷却系统设计时，要确保模具能迅速且均衡地对零件进行降温，管道的总体排布方式、具体形态、管径大小、冷却管与模具活动区域、非活动区域以及管路之间的间隔、冷却系统的密闭性等，都是冷却系统设计中的核心要素，同时也是热冲压模具设计中的关键性技术环节之一。在规划散热通道时，能够借助计算技术对每条通道中的散热物质运行状况进行推演，确保各通道的散热效能一致，以此维持散热效果的均衡性。
当前行业内已经形成的冷却水路计算方法及其布局规范是，首先有具体的计算公式，其次有明确的布置标准，两者共同构成了完整的技术体系。
该公式中，mw表示每小时经过模具的水重(kg/ h);n代表管道的总数;qw指每条管道输送的冷却水体积(m3/ h);ρw是冷却水在特定温度下的密度值(kg/m3)，具体为1000kg/m3;d为冷却水通道的宽度(m);v体现冷却水行进的速度(m/s);tu代表时间单位，一小时等于3600秒。
公式里，Re代表雷诺值；w指运动粘性系数，单位为平方米每秒，在零下十度，w等于一点三零七七乘以十的负六次方平方米每秒，在二十度，w等于零点八零五乘以十的负六次方平方米每秒；当管道雷诺数Ree超过四千时，流体呈现湍流特征，在两千三百度到四千度之间，流体处于转变阶段。
九、冷却水道布置
冷却管道的粗细在十到十四毫米之间，挨着的管道中心点之间的距离是十七到二十毫米，管道中心点之间的最小间隔要超过十五毫米。每个镶块的冷却系统都是单独的，邻近的镶块之间冷却水流不会互相连接。通常情况下，模具上鼓起的部分不利于热量的导入，而凹陷的部分则容易让热量散失到周围，因此，在连续生产时，需要在模具上鼓起的部分安装冷却管线；圆弧过渡的地方容易积聚热量，导致零件该处的硬度不高，所以在连续生产时，也应在模具的圆弧过渡的地方布置冷却管线。
热冲压模具的设计制造是热成形领域的重要技术环节，与常规冷冲压模具存在显著差异，它融合了冷却系统协同设计、冷却通道制作、计算机模拟分析、热量传递模拟等多项先进技术，目的是实现成型质量、冷却效果、材料组织性能的高度统一，具体开发步骤请参考附图。
打造轻质车体是一项综合性的任务，必须兼顾材料选择、构造规划、生产技术等多个层面；采用新型材料，依赖于先进成型工艺的进步。汽车领域竞争加剧，社会进步对车辆提出更高标准，推动了超高强度钢板在汽车中的使用，带动了热冲压成形技术的出现和进步，同时热冲压成形技术的普及和需求，也反过来推动超高强度钢板材料持续研发和性能增强，达成更高级别的汽车车身减重目标，满足社会对汽车行业节能降排，增强车辆安全性的更高期待。
