汽车热冲压成型技术未来发展前景如何？

2024-07-29 08:36:10· 来源：冲压帮

使用热冲压技术以减轻车辆重量，降低油耗和减少对环境的影响的冲压制造商分为两类。首先，有一些新来者被他们的OEM客户强迫采用这项技术。其次，已经有热冲压的制造商面临着巨大的零件价格压力，因此需要提高生产率和降低自身制造成本的方法。

尽管与传统冲压相比，其固定投入成本仍然很高，但即使需要更长的循环时间和专用设备，热冲压仍可经济地解决这些压力，因为热冲压能够使压模成型更加轻巧、坚固、复杂且尺寸大的一步就能稳定零件。为了简化热冲压的进一步采用，OEM必须缩短周期时间并进一步降低能耗。

成本压力正在引导技术发展方向，冲压OEM必须降低成本。制造业面临的挑战是降低热冲压的成本，因为它仍然被认为是昂贵的工艺。另一个是确保零件质量的稳定性。

OEM已扩展了该技术，以帮助应对压模的挑战：

1.用于形成除硼钢以外的材料（例如铝和镁）的热冲压

2.进行改进以更好地控制淬火过程，提高产量并提高效率

3.可以使用针对热成型进行了修改的伺服机械压力机或液压压力机

铝，非铁素体金属

一项新的发展是热冲压非铁素体金属，特别是高强度铝合金。考虑到铝被认为是一种软金属，为什么需要对其进行热成型？

可以使用不同种类的铝合金：低强度合金（2xxx）和高强度合金（6xxx和7xxx）。对于复杂形状的零件，柔软或低强度的零件显示出很好的可成型性。但是，结构部件通常具有难以冲压的几何形状。这意味着要形成既坚固又能满足安全要求且重量轻的组件，则需要使用高强度的材料。因此，出于与形成高强度钢相同的原因，需要热成形来形成高强度铝。

为了使这些材料可成形，需要将它们加热到所谓的溶解温度，然后对其进行成形和淬火。经过人工老化过程后，它们将再次回到非常坚硬的状态。

图1 作为欧洲资助的名为LoCoLite的研究项目的一部分，使用AP＆T的HFQ®技术对铝部件进行了热成型。图片由瑞典乌尔里瑟港AP＆T提供。

AP＆T已开发出生产线热戳铝，结合开发并使用热处理通过曝光技术（ITL）专利中，形成一个新的方法，和在模压淬火（HFQ ®）。该生产线的开发是由英国政府的“先进制造业供应链计划”支持的多组织合作的一部分。HFQ方法是在伦敦帝国理工大学和伯明翰大学开发的，现已在LoCoLite中商业化，这是欧盟FP7 NMP项目，旨在使专利材料加工技术能够用于交通运输行业轻质结构的低成本成型（见图1）。ITL和PAB Coventry的子公司CIPCO正在试用该过程。CIPCO将使用新的生产线为多家英国汽车制造商生产轻质零件，并继续进行HFQ工艺的研发。LoCoLite项目已使用新方法生产了第一批原型，第一条生产线计划于今年年初安装。

新工艺允许通过提高可成形性将高强度铝合金制成复杂的几何形状。结果，可以产生更锐利的弯曲半径。此外，它几乎消除了回弹。与传统的冲压工艺相比，这些是显着的优势。这些品质是汽车行业的主要兴趣所在。当前应用于硼钢的热冲压工艺必须进行修改以形成铝。

工艺路线本身是相同的：将材料加热，成型并淬火。但是有几个差异。热成型铝需要额外的时效过程，才能达到所需的最终机械性能。在此过程中，物料处理完全不同。需要新的加热技术，需要润滑，就必须使用新的工具概念，包括工具材料和涂层。

甚至压力机本身也必须以不同的方式操作。需要更快的压力机和更低的压力吨位。此外，后处理可能会有所不同。生产的最终零件很可能不需要激光修整。

改善控制

在整个过程的各个阶段中，热冲压都严格取决于时间和温度。每个阶段都需要以准确和可重复的方式控制不同的时间和温度变量集。三个最关键的阶段是奥氏体化，转移和马氏体转变。如果用变量数乘以3来进行简单数学运算，则很明显需要严格的过程控制。一旦您加入挑战以提高生产效率，就可以发挥创造力。

为了缩短整个热冲压过程，压模需要极高的冲压速度和高速传输系统，以在零件从热源传递到冲压机时最大程度地减少零件的空气冷却。甚至模具设计也可以增加工作量。普通硼钢要求的最低冷却速度为每秒27至30摄氏度，甚至越快越好。经过优化的模具可以以每秒100摄氏度的速度冷却，从而大大减少了循环时间。

奥氏体零件可以以每秒12到20摄氏度的速度快速冷却。当暴露在空气中时，更快的转移和更短的压制周期很重要。在转移期间最大程度地减少热损失并关闭压机，还可以将需要加热的温度降至马氏体起始温度以上以补偿损失。这不仅提高了转移和压榨阶段的效率，而且还提高了加热阶段的效率。因此，努力集中在开发可与压力机相邻的灵活而快速的传送系统，以最大程度地减少传送距离并提高压力机的冲压速度以实现快速闭合。

舒勒推出了其压力控制淬火技术，叫做PCH ®弯曲。目的是比以前更经济地生产具有更高产量，更好质量和可靠性的热冲压零件。

通过控制硬化过程中的压力，该技术有助于提高生产率和零件质量。灵活的液压垫可将压力均匀地施加到整个零件或几个零件上。这将导致更快的冷却和可靠的，优化的冶金转变过程，冷却时间是传统方法的一半。在四出模式下，每冲程有四个零件，压模每年可在一条生产线上生产多达400万个零件。

如何控制硬化过程中的压力？在炉中加热到930摄氏度的温度后，必须将坯料尽快送入压机，以防止空气快速冷却。只有10到12秒的时间窗口。在成型过程之后，压力机将保持关闭状态几秒钟。在此期间，零件被冷却并硬化。确定高质量和短周期时间的关键因素是热量从较热部分到冷却水的快速传递。该链中最薄弱的环节决定了速度。零件冷却时间的决定因素包括传递的能量，该能量在很大程度上取决于毛坯的厚度，以及毛坯和模具之间的热传递。其他因素是模具的导热性和能量耗散，例如冷却通道的数量，冷却介质的温度以及冷却通道中的流量。一般规则是，接触压力越高，传热越快，冷却时间越短，性能也越好。

通常，这种接触压力是由模具中的弹簧组件，氮气弹簧或液压缸产生的。通过使用PCHflex缓冲垫和模具大大增加接触压力，优化冷却通道，并根据零件选择模具钢，我们成功地进一步加快了传热过程，从而大大缩短了循环时间。该技术旨在缓解模具和材料的波动，因为它可以补偿变化的公差和板材厚度。这减少了因必须重新加工模具而造成的报废和停机时间。使用该技术不需要对模具进行额外的修改。可以在这些生产线上使用现有的常规冲压硬化模具，并且可以在常规生产线上使用针对该技术设计的模具。

伺服压力机

制造商可以用来降低热冲压成本的一种新策略是使用伺服压力机技术来降低能耗，从而降低成本和碳排放。压力机OEM当前正在完成15千牛顿（kN）伺服压力机的安装，以用于连续生产中的热成型零件。

液压机具有一些能源效率漏洞，在液压机中，无论是否需要压力，液压泵、电动机大部分时间都是在运转。这种连续运转的电动机需要能量，在常规配置中，其能量高达安装功率的30％。相反，在伺服机械压力机中，电动机仅在滑块移动时才运行并消耗能量，因此其消耗比液压机少30％。

模内二次加工

模具技术在接下来的几年中将经历巨大的进步，以消除或减少零件的后加工，例如切割，穿孔和冲压。目前这些次要工序是通过激光切割执行的，但其中一些将在热成型模具中同时进行。

减少能源消耗

与传统的液压机相比，舒勒的高效液压成型（EHF®）方法有助于将生产设备的能耗降低多达60％。该技术的待机功能可确保在不需要时自动关闭主驱动器。还开发了获得专利的启动系统，该系统可以绕过驱动器的常规启动特性，因此即使是最短的中断也不会浪费任何时间。这不仅减少了能耗，而且减少了噪声排放。

压力机通常以恒定速度运行。结果是频繁的空转和不必要的能耗。舒勒的EHF使用智能的速度控制驱动器，仅在实际需要时才为辅助功能提供能量。这有效地最小化了空转损耗。根据机器的当前状态，辅助功能会不规则地供电。该技术还具有较低的冷却需求。主回路中的控制阀已取消，其功能已由伺服泵接管。考虑到适用的安全法规，将主电路中的组件数量减少到最少。在快速下降冲程中，滑块的势能和压缩油中存储的能量通过使用排出的油来驱动单元来反馈到生产过程中，这些单元通过电动机来发电。

压力机OEM作为系统供应商

另一个热成型趋势是压力机制造商充当系统供应商。他们不仅提供压力机，而且还提供加热设备，自动化设备，甚至模具，这已成为标准做法。热冲压不仅仅是金属成型的另一种应用；这是材料的完整热处理过程，其微观结构发生了变化。提供热压机系统的压机制造商可以帮助压模采用整体系统方法。为了降低热冲压的成本，压模采用与传统冲压相同的系统和策略来降低传统冲压成本。通过始终在一个冲程中使用四个毛坯来提高热成型生产线的生产率。如有必要，可以使用更大的压力机。另外，通过使用高速传输系统来减少周期时间。压模可以通过使用自动和优化的快速换模方法来提高整体设备效率（OEE）。

图2 压模可以使用自动和优化的快速换模方法来提高其热冲压过程中的整体设备效率（OEE），就像塔塔汽车公司在密歇根州埃尔克顿的工厂一样。一级供应商准备在不到15分钟的时间内完成热冲压过程中的模具更换。重点是将更多流程整合到其技术产品中。通过伺服传输系统添加更快的零件传输方法，以获得更好的工艺和生产率结果。

替代加热过程。辊式炉曾经是最常见的加热过程。为其系统配备感应加热，研究传导加热系统，该系统可以最大程度地减少与热冲压相关的许多不一致的变量。这种替代加热系统具有改善热冲压工艺的巨大潜力。