文／马鸣图，冯仪，方刚·中国汽车工程研究院股份有限公司

赖一阳·中关村兵器北方车辆军民融合智造加速器科创园

赵岩·北京理工大学重庆创新中心

李波·中新(重庆)超高强材料研究院有限公司

《热冲压成形件的智能制造》（上）见《锻造与冲压》2023 年第10 期

智能制造的必要性

热冲压成形是为了解决获得超高强度零件，并有效解决成形、回弹，零件尺寸、精度问题，正如前述的工艺过程，加热到奥氏体状态下，利用其材料高温下良好的成形性进行热冲压，热冲压后又迅速冷却，以保证从奥氏体转变为高强韧性的马氏体，达到高强度和高成形精度的双重目的。这是一个包含多种工序的连续过程，只有通过自动化和智能制造才能达到目标。

⑴比如，工件在炉子中加热后，通过机械手从炉子中迅速抓取，并准确放到安装在压机上的成形模具里，所需时间越短越好，这样才能保证工件进模和冲压成形后的温度，有利于成形和成形后保证转变成马氏体所需的温度。因此，只有智能化的机械手，才可以有效地完成这一动作。

⑵在冲压过程中，因为要求工件在空气中的暴露时间尽量短，以保证成形的温度和减少氧化皮的形成，所以冲压机也需要智能化。具体过程要求极为严格：既要求滑块尽快落下，又必须在工件成形时降低下落速度，以避免压下太快造成成形速度太快，进而影响成形性造成成形缺陷；最终的成形过程，还必须保证工件成形后能在冷却过程完成时转变为马氏体组织，从而获得超高强度的工件。

⑶在模具中成形后，模具的冷却过程也需要智能化，这要考虑接触压力、传热系数、水流速度、水流量、水的温度、保压时间、出模温度，以及以上参量与钢的相变过程的关系，同时，还要考虑冲压过程中由于变形引进的组织缺陷，及这些组织缺陷对相变过程的影响，显然这是一个由物理力学模拟、相变组织模拟以及流体力学、金相学、传热学、结构力学等多学科集成的模拟和智能化的过程。

⑷考虑生产过程中的总线控制，将坯料送入炉中的加热过程，加热的温度参量，工件出炉后的传输、成形和淬火，成形构件的取出、性能检测和反馈，工艺参数的修正，障碍的报警和排除等更是一个复杂的智能操作过程，因此，热冲压成形构件是智能制造的一个典范。

实现上述智能制造的基础是自动化装备和数据库，就目前而言，我国的热冲压成形生产线基本实现了自动化生产过程，但实现智能化的制造过程还需要大量的工作，特别是对于数据库的建设，目前还是我国热成形领域的一个短板。

几类典型热冲压成形件的智能制造

在热冲压工艺应用的各类零件中，使用最多的一种工艺是直接热冲压成形，这类零件包括轿车车身中各种结构件和安全件，例如，前后保险杠、A 柱、B 柱、C 柱、中通道、背顶横梁、门内加强杆等。这类零件可使用热冲压成形钢直接进行热冲压成形，按照前述的智能制造流程，并根据数据库的建设或自动化的控制系统实现热冲压成形工艺，并保证零件性能的均一性、一致性和工艺的稳定性。

为满足零件不同部位的安全性能要求，热冲压成形零件出现了一些新的结构设计，其中差厚板用于B柱就是其中之一，差厚板的结构图见图5，实现这类零件的智能制造过程，将根据差厚板原材料结构和所设计零件的结构进行模具设计或冷却水道设计，以保证不同厚度的零件可以取得所要求的硬度和强度水平，这类零件的智能制造除了要保证直接热冲压零件所用的智能制造工艺条件外，还必须在模具设计或冷却系统中满足该零件性能的设计要求。

图5 不同厚度B 柱的热成形件

为提升部分防撞零件的防撞性能水平，一些车型设计了具有补丁版的热冲压成形B 柱，这类零件是将两块热冲压成形的板坯用点焊或其他连接方式连接成一个整体，一起放在炉中进行加热，在热冲压模具中进行冲压成形、冷却淬火，从而使热冲压零件需要增强的部分实现了强化，即零件性能的差异化分布。这种工艺可以减少模具、检具和夹具的使用，加快了生产节拍，降低了生产成本。例如，菲亚特500 型B 柱就采用了补丁板技术，从而使B 柱的安全性进一步提升，降低了成本和侧碰时对乘员的伤害，这类零件的典型结构如图6 所示。

图6 补丁板的热成形

在汽车的安全件中，例如B 柱在承受碰撞时不同部位的失效模式是不同的，由此对零件的不同部位提出了不同的性能要求，高承受撞击的部位应具有高的强度，在零件撞击时需要通过变形来吸收能量的部位需要有合适的强度和高的延展性，因此对这类零件提出了强度柔性分布的设计思想，以满足零件受到撞击时不同部位有不同的硬度、强度和延展性的要求，这种性能上的柔性分布可以通过热成形的工艺设计或模具的冷却系统设计来达到相关要求。

还以B 柱为例，图7 为对于不同部位的强度要求，这类极具不同局部区域强度柔性分布的零件，首先可以通过施瓦茨公司提出的热打印技术，此外可以通过模具的局部加热或局部冷却技术，而这需要以所用材料的不同部位的组织转变曲线以及组织和性能的关系来确定，显然这是一个更复杂的智能制造过程。模具不同部位的冷却技术和板料不同部位的加热方法和温度控制技术，对不同部位的不同强度性能要求，也可以通过对激光拼焊板应用不同的零件冷速来取得强度柔性分布的效果，图8 为零件不同部位、强度分布的模具、板料激光拼焊技术。

图7 B 柱不同部位的强度要求

图8 零件不同部位、强度分布的模具、板料激光拼焊技术

为了降低热冲压成形构件的成本，减少零件制造工序，减小车身结构的焊点数和焊接工序，通过优化设计和集成设计将多个零件集成，使部件零件化，即赋予零件具有部件的功能，这类最早出现的零件是将A 柱、B 柱、门环、前防撞梁四个零件焊接在一起，及阿瑟罗米特尔公司较早提出并实施的门环技术，将组焊好的门环一次热冲压成形为一个完整的门环，提升性能的同时减小了热成形后高强度零件的焊接质量，根据门环不同部位强度的要求还可以拼焊上不同热成形性能的材料，更大范围内满足这类零件安全性能的要求，目前这种思想和智能制造的方法已经推广到新能源汽车底盘件的集成制造，如图9 所示。

图9 门环的热成形示意图

在热冲压成形智能制造中还有一种间接热冲压成形技术，即将板材先预冲压成形到零件：首先将预成形的零件加热到奥氏体温度，然后将零件迅速移到模具中进行最后的热冲压成形，使零件达到最终所需求的尺寸。由于这种工艺较为复杂，因此目前应用不多，多采用直接热成形的方法。宝马公司曾经用这种技术，用镀锌板(即JA 板)生产热冲压成形件，目前中国汽车工程研究院等也开发了类似的技术来生产商用车的车轮，由此拓宽了间接热冲压成形技术的应用范围。

结束语

2000 年以后，中国汽车工业迅速发展，为了应对节能减排和安全性的需求，高强度、超高强度钢的应用迅速增加，以适应汽车轻量化、节能减排和更加安全的发展形势。因此，热成形作为获得超高强度、高性能汽车安全件的一个重要而有效的技术，近年来相关产业技术得到迅速发展。

热冲压成形过程是典型的智能制造过程，目前我国已经实现了热冲压过程中的自动化，部分工序实现了智能制造，就目前而言，热冲压成形尚未完全达到智能制造的水平，为达到真正的智能制造尚有大量的基础工作需要进行。

实现热冲压成形零件智能制造需要的生产线自动化水平和可靠性的双提升，完善热成形零件性能和功能的智能化检测和数据库的建设；完善热成形工艺过程中的数据库建设；完善各种新型结构零件的功能检测和数据库建设；以及建设具有自主知识产权的自动化设备、具有自学习功能的数据库，形成具有自主知识产权的控制过程和程序，使我国热冲压成形的智能制造更向前迈进一步。