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作為兼顧高強度特性和形狀凍結性的方法,熱沖壓技術自2000年前后一直是汽車輕量化的方法之一,且其應用范圍持續擴大,圖1是熱沖壓技術的概要。通常,通過淬火提高鋼板強度,鋼板在加熱爐加熱為奧氏體域的溫度(Ac3以上)后,送往沖壓機,進行沖壓成形。在淬火開始前完成成形,并通過模具的散熱急冷,進行淬火。目前普及的是1500MPa級的材料。更高強度的1800MPa級材料也正在用于實際構件。今后,與高強度鋼板冷成形技術相比,在熱沖壓中有可能進一步高強度化。

然而,汽車部件的性能不僅取決于材料強度,而且還根據所需要的性能,追求構件結構的高性能化技術也在不斷發展。典型的例子是冷成形用料的拼焊技術。它可以由異鋼種、異厚度材拼焊,使成形部件具有高性能。熱沖壓工藝流程包括加熱和冷卻,所以提出了運用熱處理的靈活性,通過不同熱處理條件控制,制作不同部位、強度不同部件的技術。形成了包括使用異鋼種、異厚度拼焊材料的“組合性能”綜合制造技術。

另一方面,由于其包括熱過程,因此,加熱、運送和冷卻各個環節都有時間約束,與冷沖壓相比,存在生產率低的問題。常規上,一般是采取縮短沖壓工序冷卻時間的對策,組合性能法也有冷卻速度慢的部位,存在生產率低的問題。此外,認為還必須應對沖壓后的溫度分布和特性差的影響以及確保構件形狀精度等問題。

在熱沖壓構件高性能化的各種組合性能法中,對僅使用熱處理的部分加熱模具的強度差施工法,進行了效果驗證試驗。試驗裝置由壓力機、加熱模具(上沖頭)和加熱器控制單元構成。試驗模具使用寬80mm、高60mm、長700mm的帽形構件成形用模具。在上側沖頭的斷面內,裝入了筒形加熱器和熱電偶,在沖頭縱向分割成三塊,每塊之間采用隔熱措施,每塊可以單獨部分加熱。加熱器控制配線等通過模具背面連接控制單元。此外,作為熱沖壓用的模具材料使用常用的SKD61。

試驗用料使用了板厚1.6mm的1500MPa級熱沖壓用鍍鋅鋼板。坯料尺寸寬226mm×長700mm,成形后的凸緣寬15mm。

部分加熱的溫度條件是,將中央塊的模具溫度加熱到280℃并保持30s,旨在增加淬火時的殘余奧氏體,以創建一個軟化部分。此外,為了比較構件形狀和硬度,還實施了無模具加熱并保持15s的常規熱沖壓施工法。試驗中的模具溫度用配置在模具內的熱電偶測定,模具表面和成形品的溫度狀態由壓力機側面的熱成像儀測定。

在加熱爐將坯料加熱到950℃,運送到沖壓機,在約700℃沖壓成形,在部分加熱模具內保持,脫模后成形品的溫度分布狀況示于圖2。加熱模具部的垂直壁部位約為200-250℃,不加熱模具部分為明顯不同的溫度狀態。

垂直壁中央部的縱向硬度分布顯示,在不加熱的模具條件下,1500MPa級材料熱沖壓后,通常獲得均勻的硬度,約為450HV。而在中央部用加熱的模具保持時,中央部的硬度下降到約350HV,清楚地看到了高溫保持的特性差。距邊界不加熱部位一側約50mm是加熱部和不加熱部邊界的硬度過渡區域。

測定了成形部件的形狀,比較與設計形狀的差異,其結果示于圖3。上段(a)是無模具加熱保持15s模具淬火部件;下段(b)是部分加熱模具保持30s部件的結果,示出了各個平面(頂板、凸緣面)與側面(垂直壁面)。無模具加熱時,誤差范圍在0-0.5mm,加熱模具時,垂直壁中央呈膨脹狀態,特別是膨脹大的壁下部,誤差為3mm。此外,頂板和凸緣兩端部分為下垂的狀態。在這種部分溫度履歷不同的施工法中,為了保證部件形狀精度,需要構筑溫度分布、冷卻經歷引起的形狀變化的預測技術、構件斷面結構和模具結構的設計技術。

作為熱沖壓方法特征的模具中的淬火,依賴高溫成形品表面與內部水冷模具表面之間的接觸熱傳遞。但是,像汽車部件那樣復雜形狀面上形成的構件中,由于構件內產生的板厚分布、模具制作精度等的影響,模具與成形品表面的接觸有接觸良好的部位,也有在模具與成形品之間產生間隙,接觸不良或接觸不到的部位。在間隙部位由于空氣層的隔熱,與接觸良好部位相比,冷卻速度降低,淬火時間成為瓶頸。因此,作為不僅采用接觸傳熱而且采用流體制冷劑傳熱形式的冷卻方法,設計了從模具直接噴冷卻水,冷卻成形品的直接水冷施工法。

圖4是該施工法的模具結構。圖中示出了用上下模具夾在中間的高溫坯料的狀態。最大的特征是在連接成形品的模具表面設有稱為微圖形(MP)的凹凸形狀,即使是模具關閉狀態也可以保證制冷劑的流動路徑。還適當配置了將冷卻水從模具內部引入MP加工面的噴水孔,將高溫成形品與冷卻水界面發生的蒸汽以及剩余冷卻水從MP加工面排出的吸水孔,構成成形品表面整體基本覆蓋的冷卻流路網。

板厚為1.4mm鋼板,用常規模具冷卻到淬火結束(200℃以下)需要約10s,而采用上述冷卻系統冷卻到常溫(水溫附近)只需要2.5s。利用該特征的高生產率熱沖壓施工法可以量產部件。但是,因為存在模具面形狀導致MP加工范圍的限制,有模具結構導致的噴水孔和吸水孔的加工位置受限,雖然可以快速冷卻,但不能穩定獲得均勻的溫度履歷和溫度分布。這有時也會影響形狀精度,為使溫度分布均勻,需要使冷卻能力與低冷速側相匹配。

在此,為了研究調整冷卻速度復雜的異厚度、異強度部件適當的冷卻設計條件,以短時間冷卻難度高的厚材為對象,制備直接水冷模具,再次確認了冷卻特性和形狀控制的方向。

圖5是構件模擬模具的形狀。不對稱的M形橫截面、高度和寬度漸變部結合,是保險杠和立柱的橫截面形狀要素。冷卻面的MP加工用蝕刻加工成0.5mm深度凹槽,留下3mm直徑的圓形接觸面。另外,為了避免凸狀的棱線部分滑動和咬合,不加工MP。噴水孔和吸水孔以30mm的間距配置在MP加工面上,噴水和吸水以錯開半個間距的格子狀配置。試驗用料是板厚2.6mm的1500MPa級熱沖壓用鍍鋅鋼板,坯料是寬235mm、長495mm的矩形板。坯料加熱為爐溫950℃,在爐中保持5min,成形開始時的溫度約為750℃,成形速度 40mm/s,成形載荷3000kN的條件下,進行沖壓。噴水設定為到達下死點的同一時刻開始,在下死點保持中繼續噴水的條件下進行了試驗。

2.3.1溫度分布和冷卻能力

圖6是直接水冷條件和脫模時的溫度分布。在模具冷卻中,保持5s,頂板部有大范圍300℃的高溫。但直接水冷時在該保持時間滿足常規熱沖壓溫度指標200℃以下。圖中最下段示出的單面(下)的直接水冷中,M形棱線部殘留高溫部位,該部位在結構上僅設有噴水噴嘴,附近沒有吸水孔的部位,認為是制冷劑的滯留的原因。關于流量,從兩面直接水冷的保持時間2s的溫度分布看,初期的冷卻范圍向外擴展。MP流路內計算的冷卻水充滿時間是噴水后0.05s,但在高溫部位估計因蒸汽滯留等,冷卻范圍擴大需要時間。

圖7是提取脫模時的最低溫部位和最高溫部位,繪制的溫度與保持時間的關系。圖7(a)是模具冷卻與兩面直接水冷的比較。直接水冷的高溫部位存在與模具冷卻的低溫部重疊的區域。即使是板厚2.6mm的條件,也是3s達到200℃以下,低溫部位達到常溫,可以確認直接水冷的急冷效果。圖7(b)是兩面直接水冷的流量條件的比較。低溫部位與流量無關,高溫部位由于流量減少偏離冷卻開始點。該結果顯示,直接水冷時的局部性熱傳遞特性受冷卻水的到達范圍以及到達后的冷卻時間影響。冷卻水的到達范圍與噴水流速有關,因此,預測稍大區域的平均溫度是可以通過噴水流速與熱傳遞系數相關來計算。但是,在冷卻水到達時差明顯的厚材冷卻時,需要考慮冷卻水的過渡性擴散特性。

2.3.2 形狀精度

圖8是各冷卻方式保持5s的成形品形狀的測定結果。圖中最上段的模具冷卻,從上面開始第2、3段的兩面直接水冷的條件下,在頂板部兩端發現飛濺傾向,但相對CAD形狀,獲得±0.5mm以內的精度。從上面開始第4段的單面(上)的直接水冷中,凸緣有飛濺傾向。最下段的單面(下)的直接水冷中,凸緣下垂的傾向顯著,相對CAD形狀,精度均擴大±0.5-1mm。該形狀變化的起點是構件斷面的棱線R附近,沒有觀察到壁部翹曲,所以推測是引起上下面不同的MP加工范圍的平板部和棱線部的溫度履歷差的影響。因此,就形狀精度而言,減小溫度履歷差的兩面直接水冷占優勢。

今后,厚構件快速冷卻時的形狀設計,為了對應異厚度構件的部分直接水冷后的形狀預測和模具設計,必須考慮再現溫度履歷差導致的熱收縮和相變行為的CAE技術。此外,該技術與上面所述的組合性能部件的形狀預測共通。

熱沖壓方法的特點是加工溫度高、加工載荷低。受成形過程中模具接觸導致的溫度分布影響,成形性不一定高。因此,研究了結合傳熱與成形的CAE法,安裝了通常分析求解的熱沖壓成形計算功能。此外,對淬火后的性能,實際應用了基于CCT圖和相變計算的硬度預測通用分析工具。

對于形狀精度預測,在普及形狀凍結性良好的熱沖壓中,基本沒有研究。實際的熱沖壓構件,由于從成形到冷卻,構件內的溫度履歷不同,導致形狀精度發生變化。而且,在上述的組合性能法和直接水冷法中,發生更極端的溫度履歷差,所以目前必須確立為預測形狀精度的考慮相變的CAE技術。在此,通過試驗獲得了關于相變詳細材料的物性數據,并正在使用安裝了準確反映這些數據的材料模型,用獨自開發的分析方法驗證熱成形后的形狀精度預測。通過驗證可以證明,熱沖壓相變CAE技術能夠準確預測熱沖壓時的相變行為。

使用相變計算方法,經過以U型彎曲試驗為對象,經過形狀預測驗證,確認可以再現實際熱沖壓的現象。因此,通過高性能化,追蹤復雜熱履歷的熱沖壓構件,通過計算,提取實際構件獲得的計算精度、應用問題等。

作為計算對象,選擇了部分加熱模具的帽形組合性能構件,圖9是計算模型。模型由分開的上模(沖頭)、矩形坯料、墊和下模(模具)組成。溫度條件基于試驗的實測溫度,坯料的初始溫度為700℃,沖頭中央加熱部恒定為330℃,兩側不加熱部的初始溫度為120℃,下模部分的初始溫度為60℃。計算分為成形、冷卻、加熱保持和空冷三道工序實施。成形工序的成形速度為40mm/s(成形時間1.5s)。冷卻和加熱保持工序是在模具關閉狀態保持30s,然后,進行了空冷到20℃的計算。在考慮相變的情況下,計算到空冷后,用不考慮溫度的回彈分析求出最終形狀。

圖10是冷卻及加熱保持后的溫度分布計算結果。基于常規的成形分析的知識,通過傳熱設定,獲得與圖2的試驗相同的溫度分布,圖11是垂直壁的硬度分布。可確認模具的不加熱部分和加熱部分的縱向中央附近的硬度基本可以再現。模具塊邊界附近的溫度變化以及硬度變化行為是復雜的,正在進行應用評價。這種溫度邊界部分的計算,模具間、坯料間的熱移動和向系統外散熱的平衡有很大影響,需要進一步完善CAE的傳熱特性、熱傳遞境界條件設定。

采用組合性能法時,由于熱應變等形狀精度發生變化,認為這種相變CAE方法可以有效用于其預測,圖12是最終形狀的計算結果。可以再現加熱部、不加熱部產生的斷面開閉,頂板和凸緣的翹曲等特征。通過該CAE方法,清楚了在變形量的計算精度中,平衡再現從成形到保持工序的相變和相變結束后熱收縮的影響是不可缺少的。因為不能充分掌握實際構件的模具溫度、構件各部的詳細溫度分布和溫度履歷的差異,今后,將通過優化這些計算條件,來掌握溫度履歷再現的精確條件。

為了汽車的輕量化和確保安全性,熱沖壓構件的高性能化是必不可少的,今后將進一步推進組合性能法等應用技術的采用。此外,還需要開發為用于大規模量產的高生產率技術。關于支持其開發設計的相變CAE技術、材料模型以及要素計算方法基本完成,需要通過采集面向復雜的熱沖壓過程中的現象再現的實踐數據,以確立適用評價技術。

今后還應該盡快確立高性能熱沖壓構件的分析、評價和設計試制技術,并適應隨機應變的汽車車身的變革。