热冲压先进制造技术

“车辆数字化与轻量化学术著作丛书”序

前言

第1章金属板材冲压成形基础

第2章热冲压技术及主要装备

第3章高强度钢热冲压成形的工艺性能

第4章高强钢板热冲压成形力学理论与本构方程

第5章晶体温热变形微观本构积分算法

第6章高强度钢板热冲压过程传热行为

第7章热冲压高强度钢板的成形性能

第8章高强钢板热冲压有限元仿真算法

第9章热冲压零部件的车身轻量化应用

第10章热冲压模具优化设计与制造

本书是将热冲压先进制造技术进行了实质性融合的著作，包含试验、理论、方法和工业应用，全面系统地介绍热冲压先进制造技术的发展现状、设备基础和工艺原理。以热冲压高强度钢为逻辑主线，用较大篇幅阐述了热-力-相多物理场耦合相关理论知识、有限元仿真技术和热冲压产品在汽车轻量化中的实际工程应用，全面翔实地论证金属板材温热冲压成形技术的理论背景和在汽车零部件领域的重要工程意义。本书相关研究成果已在国内外期刊发表，应用研究成果已在日本神户制钢和我国吉林伟孚特轻量化技术公司等相关单位得到成功应用和产业化示范。

与冷冲压相比，热冲压具有明显的技术优势，主要表现在以下几个方面：

1.可以得到超高强度的车身零件，从而能够减小零件厚度，减少车身加强板的数量，提高车身的碰撞性能，实现车身的有效减重；

2.成形性相对较好；

3.冲压所需的设备吨位较小，一般800t的高速液压机就能满足大部分车身零件热冲压所需；

4.尺寸精度好，热冲压件的强度在1500M Pa左右几乎没有回弹，这在钢板热冲压新技术发明应用之前是不能想象的。而冷冲压件的强度只有600M Pa左右，却存在明显回弹；

5.零件表面硬度、抗凹性和刚度好；

6.零件外形设计可以简化。

热冲压技术也存在自身的缺点，主要是：

1.生产节拍相对要慢一些；

2.由于热冲压模具价格较高，能耗相对较大，后续又要采用激光切割，所以热冲压零件的制造成本较高，这就需要在新车型或改进车型设计时优化考虑，通过减小零件厚度或减少加强板数量的方式，来控制白车身的综合制造成本；

3.采用非镀层钢板进行热冲压时，工作环境相对恶劣，容易产生喷丸变形；

4.热冲压产线的固定投资较大；

5.作为一个新兴的技术，热冲压领域公开发表的成果较少，存在技术封锁和垄断 。

热冲压零件外形和工序设计

采用冷冲压工艺的零件，其外形设计自由度相对较大，并可以通过3-5道工序来成形所需外形、尺寸的零件。钢板热冲压原则上只能一道冲压成形，因此零件的外形设计要充分考虑其工艺特点。对于冲压深度很深、成形难度很大的中通道类零件，可以先采用冷冲压进行预成形，然后再进行热冲压，但设备投资和零件价格会相对较高。

热冲压热冲压模具

与冷冲压模具及传统意义上的热冲压模具不同，钢板热冲压新技术所需的模具具有其特殊性，核心技术体现在：

1.由于车身冲压件装配精度要求较高，模具型面设计时，需要考虑钢板的热胀冷缩效应，并采取有效补偿方案，同时模具型面不能设计冷冲压模具中常用的拉深筋；

2.冷却水的流动方式等；

3.基于加工工艺性，特别是钻孔工艺性的模具分块及其精密装配技术；

4.模具冷却水泄漏的有效解决方案。

全球范围内能成功设计、制造钢板热冲压模具的厂家不超过20家，而且实行严格的技术保护和封锁。国内能够接触到这类模具内部结构的人极少，不具备这类模具的设计能力。国内仅有的4条钢板热冲压产线所使用的热冲压模具全部从国外进口，价格昂贵。

热冲压毛坯定位

对冷冲压而言，常常采用定位销对毛坯进行定位。对热冲压来说，热态毛坯在重力作用下的变形挠度很大。为最大限度避免毛坯在冲压之前过早地与模具表面接触以减小温降、提高热冲压成形性，需要设计专门的支撑机构来支撑毛坯。

热冲压钢板热冲压CAE分析

钢板热冲压新技术领域的CAE分析可以拆分为热冲压过程分析（预测零件的热冲压可制造性）、保压淬火过程分析（预测零件的组织和力学性能）和回弹分析（预测零件的成形精度）。在这一领域各厂家也分别以企业技术秘密（KNOW-HOW）的形式，实行严格的技术保护和封锁，见诸报道的都是分析的结果，而不是过程。在冲压过程的CAE分析中，需要准确的材料性能参数，如弹性模量、泊松比、高温状态下的应力应变关系和钢板摩擦特性等，这些参数和冷冲压状况是完全不同的。

热冲压热冲压工艺的优化设计

热冲压零件的影响因素众多，毛坯形状、加热温度、炉内保温时间、钢板开始冲压的温度、冲压速度、保压时间、冷却速度等因素都会对零件热冲压的成形性和成形质量产生直接影响 。

热冲压作为一新兴的成形技术，作为冲压零件高强化的另一有效途径，在汽车领域有广阔的应用前景。国外越来越多的车型，包括经济型小车已采用热冲压零件；国内，欧美引进车型也广泛采用钢板热冲压零件。适用于热冲压的典型车身零件主要有前、后门左右防撞杆、前、后保险杠、A柱加强板、B柱加强板、C柱加强板、地板中通道、车顶加强梁等。

但总体而言，国内车型（特别是自主品牌车型）的碰撞性能，尤其是侧碰性能，普遍欠佳，而合理采用热冲压零件，既能显著提高车身的碰撞性能、减轻车身重量，又能有效控制车身的综合制造成本。国内一些自主品牌汽车厂，不但能以战略性的眼光看待热冲压新技术，而且已在其新车型或改进车型中大胆加以采用，并取得了非常显著的效果。国内某款车型，A，B加强板采用热冲压零件以后，其N-NCAP（国外碰撞测试）从一星级一跃上升到三星级。可以预测，钢板热冲压新技术将在汽车领域得到越来越广泛的应用，其相关装备和核心技术的研究也将成为冲压界新的研究热点。

另外，钢板热冲压新技术在农业、矿山机械领域也有广泛的应用前景，可以显著提高相关器具的强度、硬度和耐磨性 。