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高强钢热成形技术工艺的特点优势与机械性能测量

  随着绿色出行概念的普及,节约资源、减少环境污染成为汽车工业界的两大热点。减轻汽车重量可以节约能源和减少排放,而采用高强钢热成形技术是达到轻量化目的的基本途径之一。热成形技术是将传统冷冲压技术与热处理技术相结合的新制造技术,是同时实现汽车车身轻量化和提高碰撞安全性的新技术,目前已广泛应用在汽车制造行业,具有广阔的发展前景。

一、汽车轻量化趋势与热成形技术的发展

  新一代汽车的发展趋势是节能、环保、安全、舒适,对汽车车身的开发提出了更高的要求。研究表明:汽车重量每降低15kg,百公里油耗可降低0.25L,每公里减少0.6g的CO2排放。
  但是汽车减重会对汽车安全性带来影响,如何设计出既安全又节能的车身,是汽车设计及制造业一直追求的目标。近年来,为了减轻车身重量,一些新的高强度钢板开始被不断地应用到汽车制造当中。这些新材料强度高、性能优越,但它们有一个共同的特点,就是在常温下材料的塑性变形范围很窄,所需成形力大、易开裂、回弹严重且成形困难,尤其是当强度达到1500MPa时,常规的冷成形工艺几乎无法进行。这导致原有的冷冲压成形工艺不能完全满足技术和生产发展的需要,因而新的技术——热成形技术诞生了。
  热成形技术是利用金属在高温状态下,其塑性和延展性会迅速增加,屈服强度迅速下降的特点,再用模具使零件成形的工艺。在热冲压成形过程中,将坯料加热到再结晶温度以上的某个适当温度,为的是使板料在奥氏体状态时进行成形,降低板料成形时的流动应力,从而大大提高板料的成形性。
  将热成形件用于车身骨架,在保证车身强度和刚度的同时能够减轻车身重量,并带来汽车车身的抗撞性能和抗凹性能的提高,由此显著提高汽车的安全性。有资料显示,采用高强钢生产的汽车零件可以使同等强度、刚度的零件减重30%以上。

二、热成形技术的应用

  目前热成形技术在各汽车企业的应用越来越普遍,使用的零件数量也越来越多。以国产汽车某新老平台车型为例,热成形零件从单一的中立柱发展到整个驾驶室及乘客舱框架,使用零件总重已达到36kg,达到车身结构件总重10%以上。
国产汽车某车型使用了22个热成形零件   国内其他主流车型也大量使用了热成形技术,如奥迪A4、宝马X6、大众帕萨特等车型,热成形件的使用比例都达到了10%以上。
大众某新车型热成形件使用情况

三、热成形工艺

  将热成形板料(屈服强度约400MPa,抗拉强度约600MPa,延伸率约25%)先放入加热炉中加热,当板料的温度达到奥氏体温度(大约910~950°C)后,再放在带冷却系统的模具中压制成形,然后经过感应淬火、保压,零件可获得非常高的机械性能(屈服强度大于950MPa,抗拉强度Rm大于1300MPa,延伸率大于6%),终成品组织为100%马氏体。
  根据不同镀层的热成形材料,工艺也有所区别。裸板在加热炉中加热时需要采用保护气体,在成形后需要采用喷丸工艺,去除表面的氧化皮,裸板件还需要涂防锈油处理,而且裸板件成形时会在模具上附上氧化皮,需定期处理。而镀锌板在加热时不需要使用保护气体,成形后也不需要进行喷丸、防锈处理和模具保养。

四、热成形件类型

  按照料厚和镀层的不同,热成形件大致可以按照以下几个方面分类。
表:热成形件的分类
分类方式 分类一 分类二 分类三 分类四
按料厚分 等厚板 激光拼焊板 不等厚板(TRB) 带补丁的不等厚板(PATCH)
按镀层分 Al-Si镀层 裸板 GA/GI/ZN镀层

热成形件分类

  目前这几种热成形件在国产汽车制造企业新平台车型上都已逐渐采用,根据不同的类型,轻量化结果对比。不同的热成形方案对应的材料、成本各有差异,需根据车型需要选择合适的方案。

五、热成形技术特点和技术优势

  1. 减重节能:使用热成形相比冷成形能减轻车身重量,减少油耗。
  2. 提高碰撞性能:因热成形技术能显著提高材料的抗拉强度,使车辆碰撞时的防入侵及抗凹性能更好。
  3. 提高成形能力:采用热成形技术板料的延伸率能达到35%以上,可以成形较为复杂的零件。
  4. 型面回弹小:热成形零件回弹很小,型面尺寸容易保证。
  5. 材料利用率高:热成形是一次成形,模具内有定位装置,毛坯余量可以控制得很小,材料利用率高。
  6. 模具数量少:热成形只需一套模具,而且还可以一模出多件,能够大大提高生产效率。
  7. 设备要求低:因热成形板材加热后,其屈服强度很低,因此对压机吨位要求不高,相比冷成形,压机吨位更低。

六、热成形件机械性能无损测量技术

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用3MA技术无损测量热成形件机械性能 3MA用于热成形件机械性能测量的结果显示

热成形件的机械性能(抗拉强度Rm、屈服强度Rp0.2、延伸率、铝硅涂层厚度等)无损测量应用示例

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