text: 高性能汽车部件热冲压技术的开发
  作为兼顾高强度特性和形状冻结性的方法，热冲压技术自2000年前后一直是汽车轻量化的方法之一，且其应用范围持续扩大，图1是热冲压技术的概要。通常，通过淬火提高钢板强度，钢板在加热炉加热为奥氏体域的温度（Ac3以上）后，送往冲压机，进行冲压成形。在淬火开始前完成成形，并通过模具的散热急冷，进行淬火。目前普及的是1500MPa级的材料。更高强度的1800MPa级材料也正在用于实际构件。今后，与高强度钢板冷成形技术相比，在热冲压中有可能进一步高强度化。然而，汽车部件的性能不仅取决于材料强度，而且还根据所需要的性能，追求构件结构的高性能化技术也在不断发展。典型的例子是冷成形用料的拼焊技术，它可以由异钢种、异厚度材拼焊，使成形部件具有高性能。热冲压工艺流程包括加热和冷却，所以提出了运用热处理的灵活性，通过不同热处理条件控制，制作不同部位、强度不同部件的技术，形成了包括使用异钢种、异厚度拼焊材料的“组合性能”综合制造技术。另一方面，由于其包括热过程，因此，加热、运送和冷却各个环节都有时间约束，与冷冲压相比，存在生产率低的问题。常规上，一般是采取缩短冲压工序冷却时间的对策，组合性能法也有冷却速度慢的部位，存在生产率低的问题。此外，认为还必须应对冲压后的温度分布和特性差的影响以及确保构件形状精度等问题。1. 高性能化的试验（组合性能）：在热冲压构件高性能化的各种组合性能法中，对仅使用热处理的部分加热模具的强度差施工法，进行了效果验证试验。试验装置由压力机、加热模具（上冲头）和加热器控制单元构成。试验模具使用宽80mm、高60mm、长700mm的帽形构件成形用模具。在上侧冲头的断面内，装入了筒形加热器和热电偶，在冲头纵向分割成三块，每块之间采用隔热措施，每块可以单独部分加热。加热器控制配线等通过模具背面连接控制单元。此外，作为热冲压用的模具材料使用常用的SKD61。试验用料使用了板厚1.6mm的1500MPa级热冲压用镀锌钢板。坯料尺寸宽226mm×长700mm，成形后的凸缘宽15mm。部分加热的温度条件是，将中央块的模具温度加热到280℃并保持30s，旨在增加淬火时的残余奥氏体，以创建一个软化部分。此外，为了比较构件形状和硬度，还实施了无模具加热并保持15s的常规热冲压施工法。试验中的模具温度用配置在模具内的热电偶测定，模具表面和成形品的温度状态由压力机侧面的热成像仪测定。在加热炉将坯料加热到950℃，运送到冲压机，在约700℃冲压成形，在部分加热模具内保持，脱模后成形品的温度分布状况示于图2。加热模具部的垂直壁部位约为200-250℃，不加热模具部分为明显不同的温度状态。垂直壁中央部的纵向硬度分布显示，在不加热的模具条件下，1500MPa级材料热冲压后，通常获得均匀的硬度，约为450HV。而在中央部用加热的模具保持时，中央部的硬度下降到约350HV，清楚地看到了高温保持的特性差。距边界不加热部位一侧约50mm是加热部和不加热部边界的硬度过渡区域。测定了成形部件的形状，比较与设计形状的差异，其结果示于图3。上段（a）是无模具加热保持15s模具淬火部件；下段（b）是部分加热模具保持30s部件的结果，示出了各个平面（顶板、凸缘面）与侧面（垂直壁面）。无模具加热时，误差范围在0-0.5mm，加热模具时，垂直壁中央呈膨胀状态，特别是膨胀大的壁下部，误差为3mm。此外，顶板和凸缘两端部分为下垂的状态。在这种部分温度履历不同的施工法中，为了保证部件形状精度，需要构筑温度分布、冷却经历引起的形状变化的预测技术、构件断面结构和模具结构的设计技术。2. 直接水冷模具的评价：作为热冲压方法特征的模具中的淬火，依赖高温成形品表面与内部水冷模具表面之间的接触热传递。但是，像汽车部件那样复杂形状面上形成的构件中，由于构件内产生的板厚分布、模具制作精度等的影响，模具与成形品表面的接触有接触良好的部位，也有在模具与成形品之间产生间隙，接触不良或接触不到的部位。在间隙部位由于空气层的隔热，与接触良好部位相比，冷却速度降低，淬火时间成为瓶颈。因此，作为不仅采用接触传热而且采用流体制冷剂传热形式的冷却方法，设计了从模具直接喷冷却水，冷却成形品的直接水冷施工法。图4是该施工法的模具结构。图中示出了用上下模具夹在中间的高温坯料的状态。最大的特征是在连接成形品的模具表面设有称为微图形（MP）的凹凸形状，即使是模具关闭状态也可以保证制冷剂的流动路径。还适当配置了将冷却水从模具内部引入MP加工面的喷水孔，将高温成形品与冷却水界面发生的蒸汽以及剩余冷却水从MP加工面排出的吸水孔，构成成形品表面整体基本覆盖的冷却流路网。板厚为1.4mm钢板，用常规模具冷却到淬火结束（200℃以下）需要约10s，而采用上述冷却系统冷却到常温（水温附近）只需要2.5s。利用该特征的高生产率热冲压施工法可以量产部件。但是，因为存在模具面形状导致MP加工范围的限制，有模具结构导致的喷水孔和吸水孔的加工位置受限，虽然可以快速冷却，但不能稳定获得均匀的温度履历和温度分布。这有时也会影响形状精度，为使温度分布均匀，需要使冷却能力与低冷速侧相匹配。在此，为了研究调整冷却速度复杂的异厚度、异强度部件适当的冷却设计条件，以短时间冷却难度高的厚材为对象，制备直接水冷模具，再次确认了冷却特性和形状控制的方向。图5是构件模拟模具的形状。不对称的M形横截面、高度和宽度渐变部结合，是保险杠和立柱的横截面形状要素。冷却面的MP加工用蚀刻加工成0.5mm深度凹槽，留下3mm直径的圆形接触面。另外，为了避免凸状的棱线部分滑动和咬合，不加工MP。喷水孔和吸水孔以30mm的间距配置在MP加工面上，喷水和吸水以错开半个间距的格子状配置。试验用料是板厚2.6mm的1500MPa级热冲压用镀锌钢板，坯料是宽235mm、长495mm的矩形板。坯料加热为炉温950℃，在炉中保持5min，成形开始时的温度约为750℃，成形速度 40mm/s，成形载荷3000kN的条件下，进行冲压。喷水设定为到达下死点的同一时刻开始，在下死点保持中继续喷水的条件下进行了试验。‍图6是直接水冷条件和脱模时的温度分布。在模具冷却中，保持5s，顶板部有大范围300℃的高温。但直接水冷时在该保持时间满足常规热冲压温度指标200℃以下。图中最下段示出的单面（下）的直接水冷中，M形棱线部残留高温部位，该部位在结构上仅设有喷水喷嘴，附近没有吸水孔的部位，认为是制冷剂的滞留的原因。关于流量，从两面直接水冷的保持时间2s的温度分布看，初期的冷却范围向外扩展。MP流路内计算的冷却水充满时间是喷水后0.05s，但在高温部位估计因蒸汽滞留等，冷却范围扩大需要时间。图7是提取脱模时的最低温部位和最高温部位，绘制的温度与保持时间的关系。图7（a）是模具冷却与两面直接水冷的比较。直接水冷的高温部位存在与模具冷却的低温部重叠的区域。即使是板厚2.6mm的条件，也是3s达到200℃以下，低温部位达到常温，可以确认直接水冷的急冷效果。图7（b）是两面直接水冷的流量条件的比较。低温部位与流量无关，高温部位由于流量减少偏离冷却开始点。该结果显示，直接水冷时的局部性热传递特性受冷却水的到达范围以及到达后的冷却时间影响。冷却水的到达范围与喷水流速有关，因此，预测稍大区域的平均温度是可以通过喷水流速与热传递系数相关来计算。但是，在冷却水到达时差明显的厚材冷却时，需要考虑冷却水的过渡性扩散特性。2.3.2 形状精度图8是各冷却方式保持5s的成形品形状的测定结果。图中最上段的模具冷却，从上面开始第2、3段的两面直接水冷的条件下，在顶板部两端发现飞溅倾向，但相对CAD形状，获得±0.5mm以内的精度。从上面开始第4段的单面（上）的直接水冷中，凸缘有飞溅倾向。最下段的单面（下）的直接水冷中，凸缘下垂的倾向显著，相对CAD形状，精度均扩大±0.5-1mm。该形状变化的起点是构件断面的棱线R附近，没有观察到壁部翘曲，所以推测是引起上下面不同的MP加工范围的平板部和棱线部的温度履历差的影响。因此，就形状精度而言，减小温度履历差的两面直接水冷占优势。今后，厚构件快速冷却时的形状设计，为了对应异厚度构件的部分直接水冷后的形状预测和模具设计，必须考虑再现温度履历差导致的热收缩和相变行为的CAE技术。此外，该技术与上面所述的组合性能部件的形状预测共通。3. 相变CAE方法的应用研究：3.1 热冲压方法和CAE技术热冲压方法的特点是加工温度高、加工载荷低。受成形过程中模具接触导致的温度分布影响，成形性不一定高。因此，研究了结合传热与成形的CAE法，安装了通常分析求解的热冲压成形计算功能。此外，对淬火后的性能，实际应用了基于CCT图和相变计算的硬度预测通用分析工具。对于形状精度预测，在普及形状冻结性良好的热冲压中，基本没有研究。实际的热冲压构件，由于从成形到冷却，构件内的温度履历不同，导致形状精度发生变化。而且，在上述的组合性能法和直接水冷法中，发生更极端的温度履历差，所以目前必须确立为预测形状精度的考虑相变的CAE技术。在此，通过试验获得了关于相变详细材料的物性数据，并正在使用安装了准确反映这些数据的材料模型，用独自开发的分析方法验证热成形后的形状精度预测。通过验证可以证明，热冲压相变CAE技术能够准确预测热冲压时的相变行为。3.2 构件分析使用相变计算方法，经过以U型弯曲试验为对象，经过形状预测验证，确认可以再现实际热冲压的现象。因此，通过高性能化，追踪复杂热履历的热冲压构件，通过计算，提取实际构件获得的计算精度、应用问题等。作为计算对象，选择了部分加热模具的帽形组合性能构件，图9是计算模型。模型由分开的上模（冲头）、矩形坯料、垫和下模（模具）组成。温度条件基于试验的实测温度，坯料的初始温度为700℃，冲头中央加热部恒定为330℃，两侧不加热部的初始温度为120℃，下模部分的初始温度为60℃。计算分为成形、冷却、加热保持和空冷三道工序实施。成形工序的成形速度为40mm/s（成形时间1.5s）。冷却和加热保持工序是在模具关闭状态保持30s，然后，进行了空冷到20℃的计算。在考虑相变的情况下，计算到空冷后，用不考虑温度的回弹分析求出最终形状。图10是冷却及加热保持后的温度分布计算结果。基于常规的成形分析的知识，通过传热设定，获得与图2的试验相同的温度分布，图11是垂直壁的硬度分布。可确认模具的不加热部分和加热部分的纵向中央附近的硬度基本可以再现。模具块边界附近的温度变化以及硬度变化行为是复杂的，正在进行应用评价。这种温度边界部分的计算，模具间、坯料间的热移动和向系统外散热的平衡有很大影响，需要进一步完善CAE的传热特性、热传递境界条件设定。采用组合性能法时，由于热应变等形状精度发生变化，认为这种相变CAE方法可以有效用于其预测，图12是最终形状的计算结果。可以再现加热部、不加热部产生的断面开闭，顶板和凸缘的翘曲等特征。通过该CAE方法，清楚了在变形量的计算精度中，平衡再现从成形到保持工序的相变和相变结束后热收缩的影响是不可缺少的。因为不能充分掌握实际构件的模具温度、构件各部的详细温度分布和温度履历的差异，今后，将通过优化这些计算条件，来掌握温度履历再现的精确条件。4 结语：为了汽车的轻量化和确保安全性，热冲压构件的高性能化是必不可少的，今后将进一步推进组合性能法等应用技术的采用。此外，还需要开发为用于大规模量产的高生产率技术。关于支持其开发设计的相变CAE技术、材料模型以及要素计算方法基本完成，需要通过采集面向复杂的热冲压过程中的现象再现的实践数据，以确立适用评价技术。今后还应该尽快确立高性能热冲压构件的分析、评价和设计试制技术，并适应随机应变的汽车车身的变革。原文转载自：冲压行业联盟