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冲压与模具工艺:对热成形的认识有多少,看了这篇你就知道!
2019-11-19
摘要:在汽车工业飞速发展的背景下,减轻车身重量、降低油耗(经济性),降低废气的排放(环保)越来越受到人们的重视。在常温下高强钢板成形困难,由此,热成形技术应运而生。

  在汽车工业飞速发展的背景下,减轻车身重量、降低油耗(经济性),降低废气的排放(环保)越来越受到人们的重视。与此同时,人们对汽车的安全性和舒适度的要求也逐步提高。为适应这种发展趋势,各大钢铁企业开发出了应用于车身部件的高强钢板,同时也带来了高强钢板的成形问题。在常温下高强钢板成形困难,由此,热成形技术应运而生。

  一、热成形的提出:

  在汽车工业飞速发展的背景下,减轻车身重量、降低油耗(经济性),降低废气的排放(环保)越来越受到人们的重视。与此同时,人们对汽车的安全性和舒适度的要求也逐步提高。为适应这种发展趋势,各大钢铁企业开发出了应用于车身部件的高强钢板,同时也带来了高强钢板的成形问题。在常温下高强钢板成形困难,由此,热成形技术应运而生。

  热成形技术主要是针对高强钢板而开发的,其工艺过程为:首先将常温下强度为500~600MPa的硼合金钢板加热到850~950℃,使之均匀奥氏体化,然后送入内部带有冷却系统的模具内冲压成型,最后快速冷却,将奥氏体转变为马氏体,使冲压件得到硬化,大幅度提高强度(安全性)。

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  热冲压工艺过程

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  热冲压工艺过程

  二、热成形所用的钢材:

  ARCELOR(法国阿塞洛公司)的USIBOR1500;

  BENTLER(德国本特勒公司)的BTR系列(BTR165钢板、BTR155钢管);

  SSAB(瑞典萨博公司)的DOMEX 024B;

  LUCOIL STEEL 的BO 02~05系列;

  RAEX®(芬兰) B BORON STEELS;

  NIPPON STEEL(新日本制铁株式会社)的BORON钢;

  THYSSEN(德国蒂森克虏伯公司)MBW®1500+AS;

  POSCO(韩国浦项制铁公司);

  BAOSTEEL(中国宝钢);

  激光拼焊板的使用(德国蒂森克虏伯公司)

  TRB mubea(德国慕贝尔,世界唯一一家热成型TRB板材供应商)

  三、热成形技术的典型应用:

  热成形技术在车身结构上的应用

  采用热成形技术可极大提高车身整体结构的刚度和强度,大幅度提高整车碰撞安全性能与NVH性能;大量运用该技术可有效减轻整车的质量,提高整车的经济性能。根据车身结构强度的要求,车身以下部位推荐使用热成形件,如图:

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  热冲压零件应用

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  热成形技术在车身上的应用

  四、热成形钢板的加热:

  a、纯电加热

  能耗高,价格昂贵。

  b、燃烧天然气加热

  经济性好,但要严格检测天然气是否达标。

  c、电气混合加热:开始采用燃烧天然气加热,使钢板迅速加热至900℃,后面采用电阻加热的方式,主要是为了使钢板加热均匀。

  d、感应加热:感应加热会产生表面集肤现象。

  板料加热到奥氏体状态后,要经过保温处理以保证板料成形前具有均匀的组织性能。若保温时间短,则板料内的奥氏体晶粒大小不均匀,在成形过程中,板料各部分变形不均匀,经过淬火后得到的马氏体组织也不均匀,从而也影响到热冲压件的质量均匀性。

  五、加热之后的钢板移到压力机:

  a.机器人

  机器人的成本高,速度稍慢,但柔性更好。

  b. 行架机构

  行架机构速度快,通用性差

  无论哪种方式都需要有端拾器来配合工作。机械手保证速度,端拾器保证精确定位,这两个设备同时保证板料在转移到模具上时温度损失最低。

  六、制件在模具中的成形:

  加热完的钢板在压力机的作用下快速合模及保压,再通过水冷淬火,使零件的强度达到1500MPa以上。

  一方面,根据金属热变形理论,成形温度高,金属原子动能急剧增加,发生回复和再结晶,再结晶可消除材料的硬化现象,显著降低金属的变形抗力,提高金属的塑性,从而可减少冲压成形所需的压力。

  热冲压成形工艺中的淬火目的是保证钢板在形变过程中能够快速冷却,获得在室温下具有均匀马氏作组织的高强度钢构件。若选用的淬火介质不当或模具冷却系统设计不合理,热成形过程中冷却速度慢,则奥氏体会转变为珠光体或贝氏体而得不到马氏体组织。

  热冲压零件的质量优点之一是成形零件形状和尺寸精度高,而成形结束后的保压淬火工艺是决定该质量的关键;同时,冲压作业线的节拍与零件的最终质量性能是对立关系。保温时间的过长或过短则会使热冲压材料组织晶粒不均匀,影响零件质量。

  在成形期间和成形之后进行有针对性的温度控制,例如把模具加热到一个更高的温度,就会使冷却速率变小,得到另外一种强度降低而延展性更好的组织。因此模具的温度,应当高于马氏体转变的起始温度。

  由于硼钢是在加热状态下成型,所以几何性能与拉伸性能非常的好,多复杂的形状基本都可以一次成型,唯一的需要注意的时边角位置不便于内置冷却水道,会影响冷却时间和效果。

  硼钢加热后延展率约为40%,淬火冷却以后约为6%

  七、热冲压模具:

  A、模具型面的设计需要考虑钢板热胀冷缩效应,并且,型面不能设计冷冲压常用的拉伸筋;

  B、模具内部冷却回路的设计(包括冷却孔径的大小、冷却孔的间距和布置方式、冷却孔中心离模具型面的距离、冷却水的流动方式等);

  C、模具的分块、冷却通道的加工以及模具的装配;

  D、应该考虑到冷却通道的密封问题。

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  热冲压模具水道设计

  八、热冲压零件的CAE仿真分析:

  (如AutoForm;Pam-stamp;Dynaform)

  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。

  热冲压过程分析(预测零件的热冲压可制造性)

  热成形的FLD图

  温度场分布

  厚度分布

  保压淬火过程分析(可结合高温蠕变、损伤等知识来分析)

  回弹分析(预测零件的成形精度)

  研究热成形的回弹机理:从试验结果和模拟结果可知,热效应是引起回弹的主要因素,蠕变应变减少了热成形后的回弹量。蠕变应变和热效应是影响热成形中回弹的主要因素。

  压边力、模具温度和凹模圆角半径是影响回弹的主要因素。

  九、模具的CAE分析(ABAQUS、LS-DYNA):

  优化模具的冷却通道,选取适当的流速

  温度的作用是降低材料的变形抗力,提高材料的塑性和改善成形状态,随温度升高,板材塑性增加,变形抗力下降,各向异性减弱,冲压成形性能改善。压力的作用是平衡成形时的变形抗力。时间条件是满足应力松弛和进入蠕变状态所需要的合适时间。

  温度不均匀会直接导致成型后的零件性能不均匀。

  十、模具材料:

  模具钢的选择不同,主要焦点集中在材料的高热传导性(淬火时间短)和耐极端温度变化上(反复极热到极冷转变),目前国内还不能生产供热成形使用的模具(极少数低产试验模具除外),绝大多数生产模具靠从欧洲进口。

  热成形模具的瓶颈主要集中在成型模拟上,相比冷冲只需要计算表面成型材料减薄等因素

  外,热成形还需要模拟材料温度变化(热流失)和模具内冷却水道的开发,由于市面上没有专门的软件可以使用,所以各大厂商都是靠自己开发的软件来完成模拟。

  要求模具能够稳定地工作在剧烈的冷热交替条件下,同时能够抵抗高温板料对模具产生的强力热摩擦,以及脱落的氧化层碎片和颗粒在高温下对模具表面的磨粒磨损效应。

  常用的热成型模具材料有

  一胜百:Dievar

  Kind&CO:CR7V-L

  洲际钢铁:D600 D700

  十一、热成型误区:

  广为流传的一个错误概念就是热成形等于硼钢,不完全正确。

  1.同样厚度和尺寸的热成形钢板和普通钢板的重量是一样的。

  2.说热成形部件能减轻车重的主要原因是其能提供超高强度,举个例子来说:旧部件使用普通高强度钢板(强度400Mpa,厚度2mm,重8kg),现在使用新的热成形部件代替(强度1200MPa,厚度1mm,重4kg),对比下来由于材料厚度减小,所以重量降低4kg,但是由于其超高强度,反而比以前部件更加坚固。

  这就是为什么说热成形部件的应用不但能增加车身强度,还能减轻车身重量(安全性和节能)。

  3.早期热成型生产有局限性,部分部件需要预成型(如中通道板),不过近几年由于生产工艺和生产设备的成熟,已经不需要预成型了,所有部件均可一次成型。

  4.最终强度无非取决于材料(硼钢板,涂层或无涂层)、生产设备(加热炉,压机、模具和自动化)和工艺,一般生产均可以达到>1000Mpa的强度,如果没有达到目标强度那么就是上述环节出现了问题,具体情况具体分析。

  5.;最可能出现强度不足的原因可能是淬火保压时间过长(如果没有在7~10秒内将部件温度降至400℃以下,就会影响奥氏体至马氏体的转化)

  硼钢是加入稀少硼元素的合金,但是硼钢自己并不是超强度钢板(一般硼钢板强度在400MPa左右)。只有硼钢经过热处理(加热到850℃以上)然后急速冷却淬火(10秒内降到400℃以下),完成奥氏体向马氏体转化后,才会产生超高的强度,一般淬火后的强度在1200~1400MPa之间,极限强度甚至可以达到2000MPa(宝钢热冲压厂生产的防弹钢板)。

  而硼起到的作用只是提高材料淬火的深度。

  这过程与我们老祖宗铸剑时将加热的剑坯放进冷水(油)淬火的工艺一样,只不过现代人将之标准化,工业化、规模化。

  【兴迪源机械简介】

  兴迪源机械(Xingdi Machinery)是一家专注流体压力成形技术的锻压设备制造企业。自2007年创立以来,兴迪源机械一直致力于内高压成形的技术创新和产品研发。主营产品范围从生产普通液压设备,现今发展至生产、研发国内顶尖流体压力成形技术的锻压设备。

XD-THF系列内高压成形机设备

  兴迪源机械是先进轻量化成形技术的提供者,从产品研发、设备生产、模具研制、方案定制,直至最终交付及提供增值服务,我们为客户提供的不仅仅是一台设备,而是一整套智能制造成形方案。