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热冲压成形技术研究的现状与挑战

点击次数:634 次  更新时间:2023-06-10

——华中科技大学张宜生教授访谈

 

    华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室的高性能金属板料热冲压成形技术团队,在先进钢材料、先进加热方法及装备,数字伺服压力机和变强度成形模具,热成形模具的摩擦与磨损,高强钢板热冲压成形零件的无损检测,高强铝合金板热冲压的接触加热及润滑、多工位成形方面多有建树。在开发基于伺服压力机和多层箱式炉的热冲压生产线及其智能控制技术的项目验收后,转向产业化应用的水平将有质的提高。

    1. 紧扣行业发展,聚焦亟待解决的问题
    随着汽车轻量化的发展,高强钢热成形的钢板在国内已经可以大规模高质量生产,热冲压零件的数量大大增加,热冲压零件从初级阶段发展到高级阶段,从简单的前保险杠、门内防撞梁发展到 B 柱,目前到了门环的制造。国内的生产能力水平基本保持了与国际先进水平同步发展。前几年国外单台车用高强钢热冲压成形零件达50多件,今年以来,国产单台车架用高强钢热冲压成形零件数也达到了28件,甚至达到40件。由此,引发了企业高度关注。随着成套交付的零件数量激增,这样的迸发生产导致出现阶段性的产能不足,因此诸多企业继续在扩大产能,新增热冲压生产线。因此,企业间的产能合作成为一个重要的话题,也对产业链管理提出了新的要求。
我国有各类热冲压生产线240条以上,随着车身结构,特别是新能源车的快速发展,“下铝上钢”车身技术路线推进,对热冲压产品的需求将更加迫切,以及对成组制造的供求需求拉动下,并发制造的形式逼人,企业将继续加大热冲压生产线和激光加工设备的投入。
    目前国内钢材已可以全系列、全规格生产,质量已达到国际先进水平,如铝硅镀层板的两边镀层的均匀性和厚度和国外相当,质量有保障,热冲压成形加工稳定。对于高强度1800MPa和2000MPa的钢材,由于随着强度的提高,钢材减薄到一个极限值后,受结构失稳的影响,应用受到一定的限制。所以目前国内普遍使用1500MPa的钢材,完全满足生产需求。
    热冲压成形工艺的另一个重要保障就是模具的质量,目前国内模具钢材的质量参差不齐,基础理论研究薄弱,企业在模具材料、加工工艺、模具寿命等研究上还有待提高。国产模具研发和应用是个大问题,由于量产车的数量有限,没有确定的数据来考量模具寿命到底有多长,所以设计时,需要提前考量相关参数等。目前模具磨损影响工艺尺寸精度是最主要的问题,例如模具圆角磨损,导致冲压不贴模,冷却速率不够,材料组织性能变化大,引起产品回弹,从而影响产品工艺尺寸。目前国内热冲压模具质量已得到很大的提升,参加ICHSU 2022武汉会议的模具钢研发生产企业就有10多家,他们对国产模具钢的应用前景表示乐观。而高端模具,一模多件,如一模4件、一模6件。但是,由于一模多件的模具可靠性降低,快速冷却技术不完善,还无法稳定的大规模生产。提高生产效率的途径应该是优化模具,缩短保压时间,从而提高生产节拍,这是提高生产线效率的重要路线之一。
    新能源车这两年发展方兴未艾,但是多数车型的产量不大。因此热冲压生产的上游,激光落料将成为主流。随着拼焊板热成形零件的增加,激光拼焊坯料的需求也逐渐增加。随着激光切割机的国产化水平提高,热冲压成形的后续工序,三维五轴激光切割也日益成为主要加工方法。从热冲压生产的全流程来看,有2/4~3/4的工序,是激光加工。激光加工设备是极好的数字化设备,与数字化热成形生产线组成的数字化车间(或者数字化工厂),为智能热冲压生产奠定了基础。目前,我们正在联合企业开展基于工业4.0的智能生产技术研究与应用,已经取得了初步的进展。

    2. 接受创新技术的挑战,研发适合我国国情的先进技术

    针对前段时间特斯拉推出的“一体铸造”技术对热冲压技术是否有影响这个话题,张教授也表达了他的看法,他说:"一体铸造'技术在热冲压成形行业受到热议,有的跃跃欲试,认为是一次机会。有的担心这项技术对热冲压生产技术造成冲击。从汽车轻量化和安全性考量,到目前为止,还没有替代技术能够满足高强钢热冲压成形强化的现有质量和成本竞争力。一体化压铸车架零件将取代部分冲压技术产品,甚至取代部分热冲压成形零件。我认为这对汽车制造技术有积极意义的挑战。
    “科技部十四五'国家重点研发计划'高性能制造技术与重大装备”重点专项的2021申报指南中,强调开展以铸代锻、整体成形、短流程、低排放的高效加工技术研究,研发高综合性能的先进铝合金材料开展先进铝合金材料综合性能评价及加工技术效能评价,形成铸锻一体成形的新型高综合性能铝合金高效加工技术,将铸造、增材制造等铝合金提升到变形铝合金强度水平。这项技术的重点是高强韧铝合金的开发以及真空压铸技术的应用。随着这项技术的应用,汽车轻量化的步伐会更快,为节能减排做出贡献。
    一体压铸成形的应用来自于车身零部件集成化的概念,这个技术概念同样用于高强钢热冲压。例如,车架的门环就是多零部件集成的案例,把5个以上的零件合并成1个进行冲压生产,大大提高了综合生产效率。目前对后车架环(11个零件集成为1个零件)和电池环都在进行多部件集成热冲压,从而大大降低后续的车架焊接和装配投资和场地的占用。
    3. 理论付诸实践,产学合作实现研究成果转化
    所有的科学研究都是需要实际应用的,谈到科研院所如何将理论付诸实践时,华中科技大学热冲压成形技术团队从2005年开始研究伺服压力机技术,一直停留在研究论文和原型机的水平。所以到2009年,特意组建了以博士生和硕士生为主的研究团队,针对伺服压力机的保压功能特性和机械压力机的结构简单、响应高的特点,与用户的需求结合,组织动员设备制造、自动化、模具制造等多家企业并与之合作,开展热冲压生产线的成果转化。
该团队从2009年开始参与国家973项目课题,着手高强钢板热冲压成形的工艺实验研究和计算模拟方法研究,2010年在企业合作经费支持下,于2011年5月建成世界上首条数字伺服热冲压试验线。2014年与企业合作实现研究成果转化,在东莞建成第一条600t伺服机械压力+多层箱式炉的热冲压生产线,开始服务于企业的热冲压生产。随着汽车轻量化的发展,2017年组织建成3条800t数字机械伺服热冲压生产线。在这个过程中有10多名硕士研究生和4名博士研究生持续在这个方向攻关,在学术上获得明显的进步。压力机制造企业后来把热冲压伺服压力机,扩展到冷冲压领域,在汽车和家电生产获得应用。
    教师结合国家和企业的重大需求,是培养学生的正确道路。教师要深入企业的生产和产品开发过程,在获得实际体验的基础上,引导学生发现工程中的科学问题,在理论和实践相结合的过程中,培养人才是可行的。其次是要打破专业界线。世界一切先进技术,都应该是我们研究的方向。在传统的制造业转型过程中,需要大量的具有数字化制造基础的材料加工专业的学生走向社会,进入企业。
    该团队的硕士研究生到合作企业,结合企业的需求,取得创新研究成果。博士后也是长期在企业从事热冲压生产工艺及生产技术的技术服务,特别是在生产的基于工业4.0的智能化方法的研究与实践中,获得工程中的科学问题,利用大学的基础研究能力和资源以及企业的制造能力,使团队保持旺盛的研究热情,获得国内外较好的影响力。
    4. 行业仍有短板,吾辈仍需担当
    目前国内创新能力不足,国外有的好东西,国内会很快学习、介入,取代国外的技术再创新。高质量的金属材料和特殊的规格还是不足。在解决材料成形的困难时,资金和社会支持不足,也是影响技术人员创新的因素。
行业标准的缺失和陈旧已经成为制约行业全面快速发展的瓶颈,应当受到重视。我们也有考虑在学术会议组织框架下,建立各专业委员会来推动行业标准的发展。集行业全部力量一起解决影响冲压技术发展的‘卡脖子’技术和难点,鼓励企业联合,吸收人才,利用大学的人才和学科优势,扎扎实实的攻关逐项取得突破,为我国制造行业贡献一份力量。

    (本文由张宜生老师根据ICHSU2022会议和2021年10月《锻造与冲压》采访录音整理并分享,深表感谢!)

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