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热冲压技术热冲压成形（Hotstamping）是国际上近几年来出现的一项专门用于成形超高强度钢板冲压件的先进制造技术，也是汽车冲压件制造领域内的最新技术。热冲压成形中所使用的钢板是一种特殊的硼合金钢板，这种钢板不同于传统的冷成形超高强钢。现在应用比较广泛的双相钢、复相钢等冷成形高强度钢板一般是在常温下通过冷冲压的方法成形，成形前后零件的显微组织和机械强度基本不发生改变。而热冲压成形中所使用的钢板在常温下强度不很高，抗拉强度仅有400~600MPa，具有良好的塑性与可成形性；它是通过热冲压成形工艺进行成形和淬火后，零件的显微组织由原来的铁素体和珠光体转变成均匀的马氏体，抗拉强度可以达到1500MPa以上，硬度可以达到50HRC，而且基本没有回弹，具有很高的尺寸精度。在钢板中添加了硼，其目的在于提高钢板的淬火性能，使板料的组织转变顺利进行。此外，为了提高材料的强度以及其它力学性能，还添加了Ti、Cr、Mo、Cu、Ni等多种合金微量元素。热冲压成形由以下几个工序组成：1.落料：是热冲压成形中的第一道工序，把板材冲压出所需外轮廓坯料。2.奥氏体化：包括加热和保温两个阶段。这一工序的目的在于将钢板加热到一个合适的温度，使钢板完全奥氏体化，并且具有良好的塑性。加热所使用的设备为专用的连续加热炉，钢板在加热到再结晶温度以上之后，表面很容易氧化，生成氧化皮，这层氧化皮会对后续的加工造成不利的影响。为了避免或减少钢板在加热炉中的氧化，一般在加热炉内设置惰性气体保护机制，或者对板料进行表面防氧化处理。3.转移：指的是将加热后的钢板从加热炉中取出放进热成形模具中去。在这一道工序中，必须保证钢板被尽可能快地转移到模具中，一方面是为了防止高温下的钢板氧化，另一方面是为了确保钢板在成形时仍然处在较高的温度下，以具有良好的塑性。4.冲压和淬火。在将钢板放进模具之后，要立即对钢板进行冲压成形，以免温度下降过多影响钢板的成形性能。成形以后模具要合模保压一段时间，一方面是为了控制零件的形状，另一方面是利用模具中设置的冷却装置对钢板进行淬火，使零件形成均匀的马氏体组织，获得良好的尺寸精度和机械性能。研究表明，就目前常用的热冲压钢材而言，实现奥氏体向马氏体转变的最小冷却速率为27~30℃/s，因此要保证模具对板料的冷却速度大于此临界值。5.后续处理。在成形件从模具中取出以后，还需要对其进行一些后续的处理，如利用酸洗或喷丸的方式去除零件表面的氧化皮，以及对零件进行切边和钻孔。热冲压件由于强度太高，不能用传统的手段对其进行切边及钻孔加工，而必须用激光技术来完成。热冲压模具设计是热冲压成形工艺的核心技术，它不仅要满足零件的成形需要，而且还要具有优异的冷却能力，以保证零件获得良好的机械性能和尺寸精度。国内外高强度汽车板热冲压技术研究现状为适应汽车轻量化、降低燃油消耗、减少污染物排放和提高汽车碰撞安全性的要求，汽车用高强度钢板的使用比重越来越大。当前各大汽车厂生产车身及部件主要采用冷冲压法，采用此法冲压高强度汽车板时，冲压过程中需要的冲压力大且容易开裂，产生过量回弹。尤其是针对超高强度钢板（抗拉强度≥550MPa），冲压时这两项缺陷尤为突出。热冲压技术可以解决这两个问题，同时可以使冲压后的成品抗拉强度得到大幅度提高。热冲压的关键工艺过程是加热、冲压、保压和冷却。加热过程直接影响到高强度钢板的冲压性能。热冲压的主要设备包括：加热炉、上下料装置、压机、模具、切边和冲空。采用热冲压工艺后，尤其是轿车车身所用高强度或超高强度钢板的厚度可以降低，同时由于部件的强度得到大幅度提高，车身上的加强板、加强筋可以大量减少，从而减少了车身的重量，同等条件下提高了车身的防撞安全性。由于采用热加工工艺，钢板的热变形能力得到大幅提高，并且冲压变形所需的压力相对降低，一般而言热冲压轧机的吨位800t就可以满足生产要求。在热状态下冲压，也降低了回弹的程度，基本没什么回弹。相对冷冲压而言，热冲压也有不足之处。由于需要加热炉对钢板进行前处理，增加了加热设备及其能耗这一大环节。生产过程中由于需要加热和保压（淬火），从而增加了生产时间，生产效率也因此降低。此外，由于热冲压成熟的技术设备，特别是热冲压压机、模具、激光切割机以及全套设备的自动控制系统基本由国外公司掌控，技术封锁严密，现阶段设备投资大，一般的小型汽车厂难以承受。目前，国内主要是同济大学、哈尔滨工业大学、吉林大学、上海大众汽车和奇瑞汽车、宝钢研究院等相关研究单位在对热冲压技术、关键设备进行研究。国内大学研究高强度汽车板热冲压工艺取得成果较多的是同济大学机械与材料学院，他们选用的是安赛乐生产的USIBOR1500高强度钢板，采用热模拟机和量身订制的模具进行试验研究。国内实验研究表明：高强度汽车板热冲压加热温度为850～950℃为宜；模具在室温下，即原始温度10～50℃对热冲压成形没有明显影响；保压时间一般为155～260s，冷却速度一般≥21℃/s，淬火后零件温度为200℃左右，冷却水临界经济流速为0.7m/s。国外对此工艺研究的比较早，由于技术封锁，很难见到有实际意义的生产线的技术文献和有关高强度汽车板热冲压生产实践性资料，但国外尤其是欧洲已有设备生产企业能够提供高强度汽车板热冲压生产线。如瑞典AP&T公司具备提供整套热冲压设备能力、德国舒勒公司能够提供全套的钢板热冲压设备，舒勒已向一家德国汽车制造厂提供6条全自动热成形生产线，国内热冲压整套和部分设备都还没有厂家能够生产。高强度汽车板热冲压技术主要用于生产轿车车身结构中对强度要求高的部件，如：门内侧梁、柱，底板中央通道、车身纵梁和横梁、门槛、保险杠等安全防撞件。这些部件的强度级别直接关系轿车的安全性能，尤其是国家提高了对汽车防撞级别的要求，这些部件的强度级别更是关系到整车的安全星级。研究显示，德国大众B6车型、沃尔沃XC90和C70、马自达6采用了高强度硼钢和热冲压成型工艺。国内某自主品牌汽车也在部分车型中采用了此项技术以提高碰撞安全级别。目前对热冲压工艺的自动控制研究还基本没有，因而需要加强研究和消化，以免在工艺的生产控制方面受制于人。同时强化操作人员培训，提高生产水平。钢板热冲压新技术的核心技术对于强度超过1000MPa的高强钢，传统冷冲压工艺束手无策，一种新型热冲压技术则应运而生，即钢板热冲压新技术。钢板热冲压新技术是瑞典的HardTech公司于20世纪80年代最早提出，最近二十多年逐渐应用和推广开来，是一种将特殊的高强度钢板加热到奥氏体温度范围，快速移动到模具，通过模具冲压，然后淬火冷却获得强度超过1500MPa甚至更高的马氏体组织冲压件的新型成形工艺。其核心技术是：1.工序设计特点。采用冷冲压工艺的零件，需要通过3-6个工序来成形所需的外形、尺寸。钢板热冲压只能通过一道冲压成形，因此零件外形设计上要充分考虑其工艺特点，对于冲压深度很深、成形难度大的中通道类零件，可以先采用冷冲压预冲压，然后再进行热冲压。2.模具特点。1)模具型面设计时需要考虑钢板的热胀冷缩效应，采用特定的热补偿方案。2)模具内部冷却回路设计要充分考虑到冷却孔径大小、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。3)考虑模具分块及精密装配技术。3.定位技术改动。冷冲压而言，常采用定位销对毛坯进行定位。对热冲压而言，为最大限度避免毛坯在冲压之前过早地和模具表面接触，以减小温降，提高热冲压成形性，要专门的支撑机构支撑毛坯。4.热冲压CAE(计算机辅助工程)分析。CAE分析分为用于预测零件热冲压可制造性的热冲压过程分析、用于预测零件组织和力学性能的保压淬火过程分析、用于预测零件的成形精度的回弹分析。1)热冲压过程分析。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。可以成功预测零件的热冲压成形缺陷，同时优化和改进零件外形及热冲压模具型面。2)保压淬火过程分析。要提高保压淬火CAE分析精度，需要准确预测在设定的热冲压生产节奏下，冷却水以设定的入口温度、压强和流量流过模具冷却回路时对高温状态钢板能够产生的冷却速度，接着是复杂的热力偶合分析，预测零件的组织和力学性能。完成奥氏体向马氏体转变的精确分析。3)回弹分析。目前基本上是通过制作样模进行试冲，来检验零件的力学性能和尺寸精度。热冲压可以得到超高强度的车身零件、成形性相对较好、冲压需要800t小吨位液压机就能完成、尺寸精度好。热冲压作为一个新兴的成形技术，在汽车制造领域具有广阔的应用前景。(成王)超高强度钢板热冲压成形CAE技术的研究现状与发展趋势随着人们环保意识的逐渐加强和对汽车安全性能要求的日益提高，世界各国对汽车安全和环保法规的控制越来越严格。各大汽车公司纷纷通过汽车轻量化来减少燃油消耗、降低发动机的废气排放（在降低油耗、减少排放的诸多措施中，减轻车重的效果最为明显，车重减轻10%，可节省燃油3%～8%）。为保证轻量化后仍能满足碰撞安全要求，各大汽车公司在优化汽车框架和结构的同时，把工作重点转向了新材料、新工艺的应用。在这种背景下，超高强钢板热冲压技术应运而生。超强度钢板热冲压是一种将先进高强度钢板加热到奥氏体温度后快速冲压成形，在保压阶段通过模具实现淬火并达到所需的冷却速度，从而得到组织为均匀马氏体，强度在1500MPa左右的超高强度零件的新型成形技术。通过对先进高强度钢和超高强度钢热冲压技术的研究和推广应用，提高了汽车的碰撞性能，实现了汽车轻量化。超高强度钢板热冲压作为一种新兴的技术，该领域公开发表的成果较少，存在技术封锁和垄断。国内外对超高强度板料热冲压核心技术的研究大都还处在探索与尝试阶段，尤其是CAE分析部分。本文综述了超高强度钢板料热冲压CAE分析技术的研究现状，指出了存在的问题和发展方向。1热冲压成形CAE分析的研究现状CAE分析作为超高强钢板热冲压领域的关键技术，可以分为成形过程分析（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）3个方面，下面分别加以论述。1.1成形过程的CAE分析热冲压成形过程是指高温奥氏体状态下的板料在热冲压模具内所进行的短时间内快速成形的过程。由于板料在高温奥氏体状态下，因此，进行高强钢板热冲压过程的CAE分析，首先要获得高强钢板在高温下的力学性能。在国外，意大利Padova大学以Nakazima试验为基础进行了相位转变试验与高温成形试验，获得了高强钢板的热成形下的成形极限图(FormingLimitDiagram，FLD)，为热冲压的有限元仿真提供了准确的数据。在国内，哈尔滨工业大学机电工程学院和材料科学与工程学科将坯料加热到950℃左右使其奥氏体化，并保温一段时间使奥氏体均匀化，从加热炉中取出坯料，在等温和非等温成形条件下进行V形弯曲和槽形件成形试验，从而获得22MnB5的高温力学性能。同济大学选用安赛乐生产的USIBOR1500高强度钢板，对其进行了高温力学性能试验的相关研究。其次，热冲压成形阶段CAE分析还需要根据材料的弹性模量、泊松比、高温状态下的应力应变关系和钢板摩擦特性等来分析预测热冲压的可制造性。在国外，瑞典律勒欧理工大学在2002年就用Gleeble1500热模拟试验机进行了对热冲压钢板22MnB5的高温压缩试验和热膨胀的测量，获得了材料的力学性能和热性能数据，建立材料模型模拟分析了热冲压过程中的成形力、板料厚度分布和硬度分布等。结果表明：在成形淬火过程中，板料因其内部组织的不同，力学性能变化很大；应变速率对不同温度下的流动应力影响不同。德国亚琛工业大学通过有限元模拟并试验验证了22MnB5钢热冲压成形过程的参数变化。纽伦堡大学在德国研究基金(DFG)项目的支持下对淬火钢板的热冲压成形过程进行了相关研究，并在2005年进行了热冲压成形的基础研究。在国内，近些年来上海宝钢集团通过大量试验，在钢板热冲压零件可制造性方面取得了一系列的突破，并能满足部分工业要求。比如国内某些车型的B柱加强板的热冲压可制造性分析（图1），并做了零件试冲和结果对比。可以说宝钢的热冲压可制造性分析能较准确的预测零件的热冲