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鋁合金板 熱處理 沖壓 一體化技術(shù)

摘要:鋁合金板在室溫下較低的成形性促使人們將各種成形技術(shù)引入到汽車制造領(lǐng)域。本文簡(jiǎn)述了適用于鋁合金板件小批量生產(chǎn)的超塑性成形和板材液壓成形等特種成形技術(shù),重點(diǎn)介紹了適用于鋁合金構(gòu)件大批量生產(chǎn)的熱處理-沖壓一體化技術(shù),包括帶中間退火-沖壓一體化技術(shù)、溫沖壓、W態(tài)下沖壓和熱沖壓,闡明了它們的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀,指出鋁合金板熱處理-沖壓一體化技術(shù)控形控性的關(guān)鍵,最后比較了不同技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn),并展望了鋁合金板沖壓技術(shù)未來(lái)應(yīng)重點(diǎn)開展的工作。

關(guān)鍵詞:鋁合金板;沖壓;熱處理;汽車車身制造;輕量化

近年來(lái),隨著能源和環(huán)境問(wèn)題的日益嚴(yán)峻,作為能源消耗和污染物排放主要來(lái)源的汽車在降低能耗、減少排放和提高燃油效率方面受到愈發(fā)嚴(yán)苛的要求,新一輪的汽車節(jié)能減排標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)、政策措施制定和加嚴(yán)活動(dòng)正在全球范圍內(nèi)展開。節(jié)能減排目標(biāo)僅依靠傳統(tǒng)燃油動(dòng)力系統(tǒng)的優(yōu)化難以實(shí)現(xiàn),鑒于汽車整車質(zhì)量每減輕10%油耗可降低1.9%~8.2%的研究結(jié)果,輕量化成為另一重要舉措,而采用非常規(guī)燃油作為動(dòng)力源則是汽車發(fā)展的必然趨勢(shì)。新能源汽車為了達(dá)到更長(zhǎng)的續(xù)駛里程,增加電池等以儲(chǔ)備更多電能是必不可少的,因此,其輕量化的需求比傳統(tǒng)燃油車更為突出。

汽車輕量化主要通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、輕量化材料應(yīng)用和先進(jìn)制造技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)前,用以代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼材的輕量化材料主要有超高強(qiáng)鋼、鋁合金、鎂合金和纖維增強(qiáng)塑料,表1表明鋁合金在技術(shù)成熟度、價(jià)格、減重能力和汽車制造商采用的方便性等方面綜合指標(biāo)較高,并且95%可回收再生,成為當(dāng)前首選的輕量化材料。鋁合金易于鑄造,目前已廣泛應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體、活塞和車輪等鑄件。但受限于板材成形的困難,采用高成本、低效率的板材成形技術(shù)實(shí)現(xiàn)的全鋁車身主要應(yīng)用在低量產(chǎn)的高端跑車、運(yùn)動(dòng)賽車和豪華轎車上,例如本田NSX、奧迪A8、捷豹XE和特斯拉Model S等;而福特2015款皮卡F-150依靠高量產(chǎn)緩解成形技術(shù)升級(jí)的投資,開創(chuàng)了全鋁車身在低端車輛中應(yīng)用的先河。與此同時(shí),部分汽車制造商不再追求車身使用單一材料,而是不同部位選用不同的材料以實(shí)現(xiàn)燃油經(jīng)濟(jì)性、成本和性能的綜合最優(yōu)化。這種設(shè)計(jì)演變推動(dòng)了鋁合金板在汽車車身的更大市場(chǎng)的滲透。

為了滿足汽車行業(yè)的巨大需求,幾乎全世界的大型鋁材生產(chǎn)商都改擴(kuò)建和新建汽車車身鋁合金板生產(chǎn)線,1998—2017年間國(guó)外投產(chǎn)項(xiàng)目達(dá)22個(gè),國(guó)內(nèi)2個(gè),我國(guó)另有7個(gè)生產(chǎn)線在建,產(chǎn)能預(yù)計(jì)可以滿足汽車工業(yè)2027年以前對(duì)車身鋁合金板的需求。另一方面,鋁合金板在車身中的廣泛應(yīng)用迫切需要板材高效、低成本成形技術(shù)的支撐。沖壓技術(shù)具有生產(chǎn)效率高、材料利用率高、成形件精度較高、大批量生產(chǎn)時(shí)成本低的優(yōu)點(diǎn),在汽車車身構(gòu)件規(guī)模生產(chǎn)中具有巨大優(yōu)勢(shì)。

1 冷沖壓和特種成形技術(shù)

目前,應(yīng)用于汽車車身的鋁合金板主要有不可熱處理的5000系(Al-Mg)和可熱處理的6000系(Al-Mg-Si)、7000系A(chǔ)l-Zn-Mg-Cu)。5000系鋁合金具有相對(duì)較好的成形性和耐蝕性,但表面質(zhì)量難以控制,主要用于車身內(nèi)板;6000系鋁合金具有良好的綜合性能,主要用于車身外板;7000系鋁合金價(jià)格更高,但更高的強(qiáng)度可使應(yīng)用的板材更薄而進(jìn)一步減重,并且其有用作車身高負(fù)載結(jié)構(gòu)件的潛力。室溫下鋁合金的延伸率普遍低于30%,部分牌號(hào)7000系高強(qiáng)鋁合金的延伸率不足10%,其板材室溫成形性較差,利用傳統(tǒng)的鋼板冷沖壓技術(shù)僅能成形出形狀簡(jiǎn)單、變形量不大的鋁合金零件,而形狀復(fù)雜的只能采用分別沖壓后再連接的方法實(shí)現(xiàn),導(dǎo)致生產(chǎn)效率降低和成本增加。此外,成形件回彈較大。合金元素的添加和熱處理工藝的優(yōu)化對(duì)這些問(wèn)題的緩解已達(dá)極限,研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到將不同的制造技術(shù)引入到鋁合金板的成形中,已取得了不同程度的研究進(jìn)展和工業(yè)應(yīng)用。

板材液壓成形采用液體介質(zhì)代替剛性模具傳遞載荷,使板材貼靠凸?;虬寄?,通過(guò)控制液體介質(zhì)的壓力和壓邊力使板材成形為所需形狀的曲面零件(圖1(a))。板材變形時(shí)特定的應(yīng)力狀態(tài)和邊界條件提高了其成形極限,已應(yīng)用于鋁合金車身覆蓋件的成形,但該方法需要配合液體補(bǔ)充等輔助工序,生產(chǎn)效率較低。

超塑性成形利用金屬在特定條件下塑性顯著提高的特點(diǎn),在熱環(huán)境中對(duì)板材的一側(cè)施加一定壓力的氣體,吹脹使板材貼靠凹模(圖1(b))。超塑性成形能夠成形各種具有復(fù)雜特征的大截面零件,載荷小,模具材料強(qiáng)度要求低,凸模簡(jiǎn)化為平板,設(shè)備和模具投入成本低。然而,超塑性成形要求鋁合金具有均勻的微細(xì)等軸晶粒(通常小于10μm),且變形時(shí)不易長(zhǎng)大;變形溫度大于0.5Tm(Tm為熔點(diǎn)溫度),且保持恒定;應(yīng)變速率為10-4 ~10-3 s-1 。嚴(yán)苛的微觀組織要求限定了可用的板材主要是特殊工藝制備的5000系鋁合金板,成本甚高;同時(shí),極低的應(yīng)變速率制約了生產(chǎn)速度,盡管通過(guò)一模多件和與沖壓預(yù)成形復(fù)合等措施緩解了該問(wèn)題,但不足以扭轉(zhuǎn)熱脹成形僅適用于高檔汽車零件的小批量量產(chǎn)的境況。為此,通用汽車公司改進(jìn)了傳統(tǒng)的超塑性成形工藝,以提高設(shè)備和模具成本為代價(jià)降低成形溫度、提升成形的應(yīng)變速率(10-3~10-1 s-1),成形板材可選用改進(jìn)的低成本5083鋁合金,已在車身覆蓋件中得到較大規(guī)模的應(yīng)用。盡管如此,超塑性成形要求坯料有冗余來(lái)保證充氣密封,成形后需要額外的切邊工序,這些缺點(diǎn)制約著降低成本和提高生產(chǎn)效率的空間。

電水成形實(shí)驗(yàn)表明,應(yīng)變速率達(dá)到103 s-1量級(jí)時(shí),6022-T4 和7075-T6鋁合金的室溫可成形性分別提高70%和100%。但電水成形放電時(shí)易產(chǎn)生泄漏和飛濺,難于生產(chǎn)應(yīng)用。電磁成形則是更易于實(shí)施的高速成形方法,但該過(guò)程中僅有小部分能量轉(zhuǎn)化為變形能,因此僅適于較小的零件成形。

綜上所述,冷沖壓受限于鋁合金較低的室溫成形性,在車身構(gòu)件成形中應(yīng)用范圍有限;電水成形和電磁成形雖通過(guò)高應(yīng)變速率顯著提高了鋁合金的室溫成形性,但當(dāng)前的技術(shù)水平還不適于工業(yè)化應(yīng)用;設(shè)備和模具投入成本較低的板材液壓成形和超塑性成形生產(chǎn)效率低,適于較低量產(chǎn)。鑒于沖壓件成本隨著量產(chǎn)增加而降低的特性,汽車行業(yè)大批量生產(chǎn)的需求促使對(duì)沖壓技術(shù)的改進(jìn)成為必然,其中,將熱處理集成到?jīng)_壓中形成的熱處理-沖壓一體化技術(shù)成為重要發(fā)展方向。

2 熱處理-沖壓一體化技術(shù)

對(duì)于熱處理-沖壓一體化技術(shù),不僅要考慮回復(fù)和再結(jié)晶對(duì)鋁合金組織和力學(xué)性能的影響,更要關(guān)注引入的熱處理對(duì)合金狀態(tài)的改變。此外,在汽車制造工藝中,成形件經(jīng)歷大約一周的室溫停放和組裝后將進(jìn)入涂裝環(huán)節(jié),涂裝包括一系列油(水)漆烘烤固化過(guò)程,依次為180~190℃、10~20 min的電泳烘烤,160~170℃、15~20 min的中涂層烘烤和130~140℃、15~25 min的面漆烘烤,一般將其模擬為170~180℃、20~30 min的人工時(shí)效處理。因此,熱處理-沖壓一體化工藝還應(yīng)注意與該烘烤時(shí)效的協(xié)調(diào)匹配,使構(gòu)件性能最優(yōu),實(shí)現(xiàn)控形與控性。

2.1 中間退火-沖壓一體化技術(shù)

2004年通用汽車公司發(fā)明了圖2(a)所示的中間退火-沖壓一體化技術(shù):預(yù)測(cè)零件一次冷沖壓時(shí)最大變形處達(dá)到材料應(yīng)變極限的沖壓量→按該沖壓量冷沖壓預(yù)成形→中間退火→二次冷沖壓。中間退火使鋁合金發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶,消除了預(yù)沖壓引起的硬化和內(nèi)應(yīng)力,塑性得以恢復(fù),進(jìn)而可提高合金的總變形量。預(yù)沖壓和二次沖壓可在同一套模具中進(jìn)行,只需控制凸模不同行程;亦可在兩套模具中依次完成,有助于提高生產(chǎn)效率。圖2(b)是采用該技術(shù)成形出的5182-O鋁合金門內(nèi)板,中間退火需將預(yù)成形件轉(zhuǎn)移到模外加熱爐內(nèi)加熱20 min,生產(chǎn)周期長(zhǎng),不適于工業(yè)大批量生產(chǎn)。鑒于沖壓時(shí)零件變形不均勻,預(yù)成形后僅局部區(qū)域的變形量接近板材的應(yīng)變極限,可采用感應(yīng)線圈局部加熱使之回復(fù)和再結(jié)晶。5182-O鋁合金提升式后端車門內(nèi)板的成形實(shí)驗(yàn)表明局部感應(yīng)加熱將退火時(shí)間由20 min減小到15s,而且,加熱時(shí)將預(yù)成形件保留在模具內(nèi),避免了零件的轉(zhuǎn)移操作而省時(shí)省力;但感應(yīng)加熱較大區(qū)域時(shí),溫度場(chǎng)的均勻性有待提高。

Golovashchenko和Krause將爐內(nèi)整體中間退火→冷沖壓這一工序重復(fù)多次,成形出6111-T4鋁合金杯凸件,將鋁合金的延伸率由原始板材的25%提高到45%。同時(shí),拉伸實(shí)驗(yàn)表明250℃、30 s的退火對(duì)烘烤時(shí)效影響不大。然而,Wang等針對(duì)6000系T4鋁合金的實(shí)驗(yàn)表明,425℃、10 s的退火在提高塑性的同時(shí)顯著降低了烘烤時(shí)效后的強(qiáng)度??尚械慕鉀Q方案是,僅對(duì)零件的局部高應(yīng)變區(qū)退火以消除加工硬化利于再次冷沖壓,然后利用后續(xù)變形所引起的該區(qū)的加工硬化補(bǔ)償烘烤時(shí)效時(shí)強(qiáng)度提升的不足。

2.2 W態(tài)下沖壓技術(shù)

可熱處理的6000和7000系鋁合金固溶處理淬火后處于W態(tài),強(qiáng)度顯著降低而易于變形,同時(shí)表現(xiàn)出更強(qiáng)的應(yīng)變強(qiáng)化能力而易于拉深,因此,其W態(tài)下沖壓可成形出比傳統(tǒng)冷沖壓更為復(fù)雜的構(gòu)件;但合金淬火后即開始自然時(shí)效而進(jìn)入T4態(tài),所以要求固溶處理淬火后即沖壓。圖3對(duì)比表明,對(duì)于無(wú)法直接冷沖壓的7075-T6鋁合金板,固溶處理淬火后W態(tài)下可冷沖壓出無(wú)缺陷的B柱。

W態(tài)下沖壓在冷沖壓工藝流程中增加沖壓前的固溶處理即可實(shí)現(xiàn),但需要添加額外的變形后熱處理使成形件獲得高強(qiáng)度。此外,對(duì)板材成形性的提高有限,淬火和沖壓工步分別進(jìn)行,生產(chǎn)周期長(zhǎng)。

2.3 溫沖壓技術(shù)

1946 年Finch等研究發(fā)現(xiàn),鋁合金板在200 ℃下的拉深極限可大幅提高;1976年克萊斯勒公司發(fā)明了溫沖壓熱處理或冷加工強(qiáng)化后的高強(qiáng)鋁合金板的方法,并在100~350℃內(nèi)沖壓出幾種車用鋁合金件;1978年通用汽車公司在大約180℃下沖壓出5082-O鋁合金油底殼。然而,由于當(dāng)時(shí)溫沖壓過(guò)程溫度控制的困難和生產(chǎn)效率的低下,同時(shí),汽車空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)和發(fā)動(dòng)機(jī)效率的提高大大增強(qiáng)了汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性,從而減弱了輕量化的需求,最終導(dǎo)致了20世紀(jì)后期車用鋁合金板溫成形技術(shù)研發(fā)的停滯。近年汽車輕量化的緊迫需求使鋁合金板溫成形技術(shù)再次回到人們的視野,2004年肯聯(lián)鋁業(yè)提出了針對(duì)0.5~5mm厚5000系鋁合金板在100~350℃內(nèi)沖壓成形的方法。

隨著溫度的提高,鋁合金應(yīng)變強(qiáng)化作用減弱,但應(yīng)變速率敏感因子由室溫下的零或較小的負(fù)數(shù)增大為正數(shù),使得應(yīng)變速率強(qiáng)化作用增強(qiáng),有利于成形性的提高。文獻(xiàn)綜述了溫度、應(yīng)變速率、壓邊力、拉深筋和潤(rùn)滑等對(duì)鋁合金板溫成形的作用,并列舉了在鋁合金板溫成形的加熱方法和數(shù)值模擬方面的研究進(jìn)展。5000系鋁合金在溫成形溫度區(qū)間成形性提高顯著,其板材溫沖壓研究廣泛,而對(duì)于6000和7000系鋁合金,成形溫度和時(shí)間的控制要求更為嚴(yán)苛,否則合金的T6態(tài)將有可能被不可逆轉(zhuǎn)地破壞,引起合金強(qiáng)度的下降,從而失去采用高強(qiáng)鋁合金的意義。

生產(chǎn)工藝中,一般為了避免板材變形前溫度的降低,凹模和壓邊圈需要加熱,而為了提高沖壓件傳力側(cè)壁的強(qiáng)度,沖頭一般保持在相對(duì)較低的溫度,即合理控制板材溫度梯度可實(shí)現(xiàn)較好的溫沖壓效果。而福特汽車公司等則提出了采用室溫模具的非等溫溫沖壓技術(shù),250 ℃板材溫度下試制出圖4(a)所示冷沖壓無(wú)法實(shí)現(xiàn)的5182-O鋁合金門內(nèi)板。凹模中復(fù)雜的加熱設(shè)備、凸模中冷卻設(shè)備和相應(yīng)的溫度控制系統(tǒng)的舍棄顯著降低了成本,模具溫度控制過(guò)程的簡(jiǎn)化大大提高了生產(chǎn)效率。圖4(b)顯示了捷豹路虎公司采用溫沖壓技術(shù)量產(chǎn)的5182-O鋁合金門內(nèi)板,其拉伸深度高達(dá)165mm,但具體工藝未見(jiàn)報(bào)道。圖4(c)是7075-T6 鋁合金板材200℃下溫沖壓出的側(cè)面防撞梁,已量產(chǎn)裝配在寶馬i8車型上。

2.4 熱沖壓技術(shù)

帝國(guó)理工林建國(guó)教授等2005年開始研究將W態(tài)下沖壓的淬火和沖壓結(jié)合起來(lái)的可行性,即淬火的同時(shí)進(jìn)行高溫沖壓;2007年提出了針對(duì)可熱處理鋁合金板的熱沖壓技術(shù),即固溶處理-成形-冷模內(nèi)淬火(solution heat treatment,forming and cold-die quenching,HFQ)技術(shù),也常被稱作熱成形-淬火一體化,其過(guò)程如圖5所示。首先將鋁合金板加熱到固溶溫度,完全固溶后快速轉(zhuǎn)移到冷模具上沖壓成形,然后在冷模具內(nèi)保壓淬火。熱成形使鋁合金板的成形性大幅提高,可一次成形具有復(fù)雜形狀的零件;同時(shí)回彈小,模內(nèi)淬火可有效避免熱畸變。

圖6是幾種可熱處理鋁合金的溫度-時(shí)間-性能(TTP)曲線,可見(jiàn)不同的鋁合金表現(xiàn)出不同的淬火敏感性,要求每種鋁合金板熱沖壓過(guò)程中的淬火冷卻速率必須大于各自的臨界冷卻速率,以防止在淬火敏感溫度區(qū)間析出第二相而影響時(shí)效強(qiáng)化效果。例如,對(duì)于7075鋁合金,冷卻速率要大于圖中曲線1對(duì)應(yīng)的數(shù)值。在研究鋁合金淬火敏感性的基礎(chǔ)上,揭示模具與板材界面?zhèn)鳠釞C(jī)制和計(jì)算界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)是優(yōu)化模具設(shè)計(jì)和工藝參數(shù)從而實(shí)現(xiàn)合理淬火冷卻速率的關(guān)鍵。Liu 等和Ying 等揭示了接觸壓強(qiáng)、表面粗糙度和潤(rùn)滑條件等對(duì)界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)( IHTC)的作用,并計(jì)算了不同實(shí)驗(yàn)條件下的IHTC 值。但這些求解IHTC 的實(shí)驗(yàn)方法均為非標(biāo)準(zhǔn)的,不利于其他學(xué)者借鑒和工業(yè)應(yīng)用,熱沖壓條件下求解IHTC 的標(biāo)準(zhǔn)方法亟待建立。

鋁合金的熱傳導(dǎo)率大,加熱后的板材在轉(zhuǎn)移和合模前停留過(guò)程中易散熱,一方面,可能導(dǎo)致成形溫度錯(cuò)過(guò)最佳溫度;另一方面,圖6還表明鋁合金的淬火敏感溫度區(qū)間接近其固溶溫度,易導(dǎo)致成形溫度進(jìn)入淬火敏感溫度區(qū)間,或者增大淬火時(shí)的臨界冷卻速率,如圖中冷卻曲線2所示。因此,熱沖壓過(guò)程要求縮短上述散熱過(guò)程,對(duì)加熱、板材轉(zhuǎn)移和成形等設(shè)備提出了更高的要求。苑世劍等提出了上模冷態(tài)、下模熱態(tài)的冷熱復(fù)合模成形方法,來(lái)減小成形前板材溫度的降低,成形后成形件隨冷態(tài)上模一起上移并完成淬火過(guò)程,開辟了新的熱成形工藝。

鋁合金對(duì)鐵元素具有很強(qiáng)的親和力,造成其沖壓時(shí)易粘模,改善模具和板材間的潤(rùn)滑狀態(tài)是熱沖壓實(shí)施的要求。Ghiotti 等揭示了不同潤(rùn)滑劑在熱沖壓條件下的潤(rùn)滑機(jī)制,Dong 等的研究表明模具表面涂層可大幅減少潤(rùn)滑劑的使用量,Hu 等提出了交互摩擦模型,來(lái)預(yù)測(cè)鋁合金表面摩擦系數(shù)隨滑動(dòng)和潤(rùn)滑條件的演化,以及潤(rùn)滑劑的有效壽命。摩擦問(wèn)題是邊界條件高度非線性的復(fù)雜問(wèn)題,熱沖壓過(guò)程中板材與模具間的摩擦系數(shù)是兩者表面狀態(tài),潤(rùn)滑劑種類、用量和分布,以及壓力、速率和溫度等工藝參數(shù)的多變量函數(shù),其求解精度對(duì)沖壓件的成形質(zhì)量和成形過(guò)程穩(wěn)定性至關(guān)重要。此外,文獻(xiàn)綜述了熱沖壓條件下鋁合金板的成形性和強(qiáng)化規(guī)律、熱沖壓數(shù)值模擬等方面的研究。

2010 年HFQ 技術(shù)首次應(yīng)用于圖7(a)所示真實(shí)的汽車構(gòu)件,冷沖壓6082-T6鋁合金板導(dǎo)致構(gòu)件拉斷,而采用HFQ 技術(shù)則可獲得滿足尺寸精度的沖壓件。圖7(b)表明HFQ 對(duì)于6082拼焊板成形具有很好的適應(yīng)性。福特汽車公司熱沖壓出圖7(c)所示的B柱,坯料為7075-T6鋁合金,固溶處理爐內(nèi)加熱30 min,成形周期為29 s,最后對(duì)成形件按照美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行120 ℃、24 h人工時(shí)效。與變形前T6態(tài)的坯料相比,熱沖壓件人工時(shí)效后其力學(xué)性能基本恢復(fù)到T6態(tài),其晶粒尺寸和形狀沒(méi)有明顯變化??下?lián)鋁業(yè)熱沖壓出圖7(d)所示的7000系鋁合金B(yǎng)柱,工藝參數(shù)為:固溶處理加熱8min,成形周期大約為20s。2013—2014 年,HFQ 技術(shù)開始應(yīng)用于量產(chǎn)車鋁合金構(gòu)件的成形,構(gòu)件包括圖7(e)所示阿斯頓·馬丁DB11 的A柱和路特斯Evora 400R 的腳踏板。

熱沖壓的缺點(diǎn)是高溫成形,鋁合金的強(qiáng)度較低,易在板材轉(zhuǎn)移和成形過(guò)程中形成表面劃痕而影響表面質(zhì)量,需要添加額外的熱處理使成形件獲得高強(qiáng)度。顯然,文獻(xiàn)中所采用的標(biāo)準(zhǔn)熱處理所需時(shí)間過(guò)長(zhǎng),不適于沖壓件堆垛熱處理,需要開發(fā)與熱變形及烘烤時(shí)效匹配的快速?gòu)?qiáng)化熱處理工藝。

2.5 不同熱處理-沖壓一體化技術(shù)的比較

可熱處理鋁合金車身構(gòu)件的綜合力學(xué)性能通過(guò)加工和相應(yīng)的熱處理工藝獲得特定的微觀組織,尤其是涂裝烘烤時(shí)人工時(shí)效析出的強(qiáng)化相來(lái)獲得。中間退火-沖壓一體化技術(shù)和溫沖壓的熱過(guò)程控制目標(biāo)分別是短時(shí)局部加熱和不產(chǎn)生回復(fù)和再結(jié)晶的低溫加熱,沖壓件的力學(xué)性能主要由變形前板材生產(chǎn)過(guò)程和最后的涂裝烘烤決定;而W態(tài)下沖壓和熱沖壓變形前都需對(duì)板材進(jìn)行固溶處理,板材生產(chǎn)獲得的調(diào)控性能被破壞,變形后直接涂裝烘烤時(shí)效不足以使沖壓件的力學(xué)性能達(dá)到最優(yōu),需要額外的預(yù)時(shí)效熱處理與變形及烘烤時(shí)效協(xié)調(diào)匹配,從而使沖壓件的性能達(dá)到要求。因此,熱處理-沖壓一體化工藝的制定不應(yīng)孤立考慮某一制度,而應(yīng)綜合考察整個(gè)板材制備、變形加工和熱處理過(guò)程對(duì)其性能的影響,注意其間的協(xié)調(diào)匹配,從而制定出基于全生產(chǎn)鏈的最優(yōu)化的工藝制度,實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的形狀和力學(xué)性能的協(xié)同控制。例如,Kumar 和Ross的研究表明,不同狀態(tài)的Al-Zn-Mg合金溫成形后,經(jīng)過(guò)不同的烘烤時(shí)效得到?jīng)_壓件的力學(xué)性能不同,通過(guò)比較可得使沖壓件力學(xué)性能最優(yōu)的工藝參數(shù)。實(shí)現(xiàn)構(gòu)件控形控性目的本質(zhì)上要求揭示鋁合金在化學(xué)成分、沖壓加工和熱處理等多重因素作用下的力學(xué)響應(yīng),尤其是力場(chǎng)-熱場(chǎng)對(duì)微觀組織演化和力學(xué)性能調(diào)控的耦合作用機(jī)制。

熱處理-沖壓一體化技術(shù)的基本理論和工藝研究開展的同時(shí),全球各大設(shè)備制造商也正在加緊研制相應(yīng)的專用生產(chǎn)設(shè)備。Schuler 公司已改進(jìn)其高強(qiáng)鋼的熱沖壓生產(chǎn)線以適用于鋁合金板的熱沖壓;而AP&T 公司已經(jīng)研制出適于鋁合金板溫沖壓、W 態(tài)下沖壓和熱沖壓的多功能沖壓生產(chǎn)線,其配備了新型低能耗、高速壓機(jī),適于非磁性板料拾取的傳送裝置,快速升溫、高精度的新型多層箱式加熱爐(圖8(a))。與傳統(tǒng)的輥底式加熱爐(圖8(b))相比,多層箱式加熱爐逐漸表現(xiàn)出更多的優(yōu)勢(shì):占地面積顯著減??;板材定位更精確;一個(gè)爐單元發(fā)生故障停機(jī),其他單元仍可繼續(xù)照常使用;無(wú)爐內(nèi)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu),板材與爐底無(wú)接觸摩擦,利于避免板材表面劃痕;整體運(yùn)動(dòng)部件少,維修保養(yǎng)成本低。但這兩種工業(yè)中應(yīng)用的加熱爐依靠熱輻射和對(duì)流來(lái)加熱,升溫速度有限,如能提高加熱速率則可縮短生產(chǎn)周期、節(jié)約生產(chǎn)成本并提高生產(chǎn)效率。將被加熱板材與電源連接構(gòu)成回路的自阻加熱,可獲得1×102~103℃/s的加熱速度,但非矩形板材在電極間電阻非均勻分布將導(dǎo)致溫度分布的不均勻??v向磁通感應(yīng)加熱已在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)硼鋼板的快速均勻加熱,但與鋼材相比,鋁合金磁導(dǎo)率更低,且沒(méi)有磁滯發(fā)熱,使得加熱效率大大降低。橫向磁通感應(yīng)加熱依靠帶材相對(duì)感應(yīng)線圈的勻速運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)均勻加熱,其中帶材只有寬度方向有兩個(gè)平行自由邊,而沖壓板材通常具有優(yōu)化的非規(guī)則外形,亦難實(shí)現(xiàn)均勻加熱??焖偌訜峒夹g(shù)有待突破。

表2比較了不同的熱處理-沖壓一體化技術(shù),其中冷沖壓列于表中作為參考??梢?jiàn),這些技術(shù)各具優(yōu)缺點(diǎn),應(yīng)根據(jù)沖壓件的形狀、產(chǎn)量和性能要求等綜合考慮選擇合理的成形方法。

3 展望

隨著能源、環(huán)保壓力的不斷增大,對(duì)汽車輕量化的需求愈發(fā)強(qiáng)烈,高比強(qiáng)度鋁合金板在車身中普及成為重要發(fā)展方向,但鋁合金室溫下較低的成形性限制了其應(yīng)用。超塑性成形等特種板材成形技術(shù)適于鋁合金板車身構(gòu)件的小批量生產(chǎn),而沖壓技術(shù)具有生產(chǎn)效率高、材料利用率高、成形件精度較高、大批量生產(chǎn)時(shí)成本低的優(yōu)點(diǎn),在構(gòu)件大批量生產(chǎn)中具有巨大優(yōu)勢(shì)。因此,各種熱處理-沖壓一體化技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。盡管這些一體化技術(shù)特點(diǎn)各異,但是不同于冷沖壓,都需要額外關(guān)注如下幾點(diǎn):

1) 快速加熱技術(shù)。變形前加熱是熱處理-沖壓一體化技術(shù)的先決工步,應(yīng)用快速加熱技術(shù)可縮短生產(chǎn)周期、節(jié)約生產(chǎn)成本并提高生產(chǎn)效率。

2) 快速成形技術(shù)。板材成形溫度區(qū)間較窄,要求盡量縮短板材從加熱設(shè)備到模具轉(zhuǎn)移的時(shí)間和隨后的合模時(shí)間,避免不必要的熱量損失,保證變形發(fā)生在最優(yōu)的溫度。

3) 專用鋁合金板材。一方面,開發(fā)適于熱處理-沖壓一體化工藝特點(diǎn)的低成本鋁合金板材,另一方面,開發(fā)性能全面的鋁合金板材,減少車用板材牌號(hào)的數(shù)量,利于分類回收。

4) 鋁合金多物理場(chǎng)作用下力學(xué)響應(yīng)機(jī)制。揭示鋁合金在化學(xué)成分、沖壓加工和熱處理等多重因素作用下的力學(xué)響應(yīng),尤其是力場(chǎng)-熱場(chǎng)對(duì)微觀組織演化和力學(xué)性能調(diào)控的耦合作用機(jī)制,為實(shí)現(xiàn)控形控性提供理論基礎(chǔ)。

5) 板材制備-成形- 熱處理協(xié)調(diào)匹配。熱處理-沖壓一體化工藝的制定不應(yīng)孤立考慮某一制度,而應(yīng)綜合考察整個(gè)板材制備、變形加工和熱處理過(guò)程對(duì)其性能的影響,注意其間的協(xié)調(diào)匹配,從而制定出基于全生產(chǎn)鏈的最優(yōu)化的工藝制度,實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的形狀和力學(xué)性能的協(xié)同控制。


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