热冲压工艺应用于汽车车身关键部件的制造中，能同时满足安全性和轻量化方面的要求，显著降低油耗与排放。本文对热冲压工艺流程和基本原理进行了详细阐述，介绍了江淮汽车对于热冲压工艺的正向开发及应用状况。

随着社会飞速发展，机动车数量猛增，而道路建设发展速度和安全系数并没有与之匹配，使得道路发生事故的概率骤然上升，这对汽车安全性提出了更高的要求。此外，汽车所用燃料约60%消耗于汽车自重，汽车每减重10%，油耗将减少8%，CO2排放量也将降低5%～6%，为了保护环境，减少燃油消耗和CO2排放量，汽车轻量化势在必行。
为同时满足安全性和轻量化方面的要求，超高强度钢成为汽车车身结构件用材的主流选择。但在传统冷冲压过程中，由于超高强度钢存在加工成形载荷要求高、成形性差（易开裂或产生翘曲等）以及成形精度差（回弹难以控制，易产生各种表面缺陷）等瓶颈，热冲压技术应运而生，它主要是指一种将钢板在高温奥氏体区冲压成形、淬火强化后转化为高强度马氏体的技术。
目前，热冲压技术已在提高车身部件强度方面得以实际应用，但其核心技术例如镀层热冲压钢板、热冲压设备制造等，基本上处于被外资企业技术封锁和垄断的状态。本文结合江淮汽车对热冲压件的实际应用，对该新技术工艺及核心装备进行了系统、全面的介绍。

热冲压工艺基本原理
热冲压工艺流程如图1所示，首先把常温下抗拉强度为400～600MPa的钢板加热到奥氏体温度Ac3（通常为950℃），使之均匀奥氏体化，然后快速送入模具内冲压成形，保压并通过模具水冷实现淬火强化，使之转化为均匀马氏体组织，抗拉强度可大幅度提升至1500MPa。
如上所述，钢板热冲压原则上只能一道冲压成形，对于一些冲压深度很深或难以在一道工序成形的工件，可以先预成形后再热冲压，但工序和设备投资也会相应增加。本文在此只讨论一般意义上的非预成形的热冲压工艺。

图1 热冲压工艺流程

对热冲压工艺流程中温度变化分析如下：
1.加热过程
含碳板料在步进炉中加热时，随着温度达到Ac1点，板料将进入不稳定状态，奥氏体开始形成；温度在Ac1点向Ac3点上升过程中，板料中铁素体和奥氏体共存转化，冷却后可达到的硬度也随之上升；一旦温度超过Ac3点，板料结构将完全转变成奥氏体单相，急冷后硬度可达到最高，此时加热温度即使再升高，也不会对急冷后硬度产生影响。在实际操作中，最终加热保持温度一般略高于Ac3点，以便保证在保压急冷操作前，板料结构、急冷后可达到的硬度不会发生大的改变。加热温度对冷却后硬度的影响如图2所示。

图2 加热温度对冷却后硬度的影响

2.冷却过程
全奥氏体化板料在保压降温工艺中，冲压成形板件从奥氏体单相状态开始急速冷却，形成马氏体。在此过程中，冷却的起始温度与冷却速度至关重要。
图3中，如(a)线所示，起始温度在Ac3点以上，此时以v1速度急冷将产生马氏体单相。如(b)线所示，先以v0速度缓慢降温，但只要在第二相（铁素体、珠光体和贝氏体）析出之前开始以v1速度急冷也会产生马氏体单相。(b)线所示的情况接近于热冲压时板料的实际状态，其中v0速度相当于加热钢板在输送过程中温度下降的速度，急冷开始温度相当于板料成形开始时的温度。v0速度越慢，第二相开始析出的温度越高，所以要想得到马氏体单相，急冷开始的温度是受限的。如(c)线所示，以v0速度缓慢冷却时，一旦错过急冷开始的温度下限，过程中即有第二相析出，此时即使急冷也不能得到马氏体单相。

图3 急冷开始温度产生的影响

热冲压设备
热冲压设备主要包括以下几种：
1.拆垛系统和打标站
主要用机器人进行钢板的拆垛，在工作台上进行双料检查，并打生产标记。
2.加热炉
加热炉是热冲压生产线的关键设备。钢板加热到奥氏体通常需300～360s，为与成形、保压阶段节拍匹配，国内多采用辊底式加热炉，需注意非镀层钢板加热时，为避免形成氧化皮，加热炉需维持保护气氛。国外先进热冲压生产线目前采用多层箱式加热炉，主要特征在于其内部设有多个隔热屏将炉内分割为多个加热室，每个加热室均设有气密性良好的炉口及炉门，并均设有放料轨道、进气管路，可分别控制加热。加热炉设有控制系统，用于控制炉门开合和机械手的短程往复精准送料。表1列出了辊底式加热炉和多层箱式加热炉的特征对比。
目前，加热炉制造技术国内尚未成熟，尤其是在高度自动化、炉内温度分布控制等方面有所欠缺。另外，为降低能耗，追寻更高效率的加热方式也是热冲压加热设备的开发重点。

表1 辊底式加热炉和多层箱式加热炉的特征对比
 

3.上下料装置
出炉后的钢板处于高温状态，无法使用冷冲压吸盘端拾器输送，只能采用针对板料特定形状尺寸设计的耐高温夹持装置。压机下料时的钢板经保压淬火后温度约为200℃，同样只能用特定设计的夹持装置。上下料均使用机械手，需具备高速性和平稳性，使温度损失尽量最低。夹持器上安装有气刀，可在冲压之前及时清理模具上的残存氧化皮。目前，国内生产线使用的夹持装置和高速机械手基本均为国外进口。
4.压力机
为避免局部温降过大以及有效提高成形质量，热冲压钢板需要快速合模、成形，并需要一定时间的保压。传统的液压机速度不够，机械压力机又实现不了保压，只有高速油压机或者伺服压力机可实现这一复杂的成形过程。目前，国内生产线的热冲压压力机基本均从欧洲进口，国内虽已进行了研究，但技术仍未成熟，在高速、密封性等细节方面仍有欠缺。作为热冲压核心设备，国际上对热冲压压力机的研究一直是热冲压方面的热点，同时滑块运动曲线的优化将是一个重要发展方向。
5.外部冷却系统
热冲压模具不但需要完成高温冲压成形，而且需在保压时对零件实现急冷淬火，冷却速度一般要求大于50℃/s，故模具内部设计有复杂的水冷系统。外部冷却系统为模具提供循环冷却水，进行降温。外部冷却系统需配备蓄水池与冷却回路，同时使用添加防锈剂的纯水进行循环，以防止杂质污染与氧化锈蚀回路，造成不必要的损伤。
6.切边和冲孔
由于热冲压件强度明显提高，若采取传统冷冲压的切边冲孔模式，国内压机和模具无法胜任，一般采用激光切割设备进行切边、冲孔。但是由于激光切割速度较慢，单件成本高，目前国际趋势正往少或无激光切割的方向发展。目前，某些外资企业采用特殊材料制成的模具，配合大吨位压机，批量进行切边、冲孔，有效降低了冲压件平均成本；国内一些公司也在进行这方面的研究和产业化实践。
7.喷丸和涂油
非镀层板热冲压零件表面易残存氧化皮，故需要喷丸处理，以得到所需的零件表面质量。实际应用中，优化喷丸大小、压强和速度等工艺参数，使氧化皮去除彻底是此项技术的核心要求，另外，为防止薄壁类零件产生过大的喷丸变形，在喷丸处理时应优化零件悬挂方式。同时喷丸处理后，应快速涂防锈油避免冲压件表面氧化锈蚀。
 

热冲压技术应用及发展前景
热冲压工艺应用于汽车车身关键部件的制造，大幅提高了车身强度，强化了整车的安全性能；同时正是由于其实现了高强度，板材厚度可适当降低，车身设计可趋于简化，从而可实现车身结构的系统优化。
基于汽车车身制造业的发展需求，在研究和产业化方面，国外各大材料及设备供应商如Arcelor、AP&T和Schuler等公司看好中国市场，积极寻求合作；国内部分厂家也已开始了热冲压工艺的研究与应用。目前，热冲压件已普遍应用于汽车制造业，如鸟笼式车身骨架中的关键部位（包括A柱、B柱和防撞梁等）可由高强度热冲压件打造，让车身在受到撞击时能抵抗外部的强大冲击力，尽量减少变形。
江淮汽车与国内外有技术攻坚能力的设备生产厂商、原材料供应商合作，在近几年开发的车型中均进行了热冲压件的设计应用。据统计，车身关键部位采用热冲压件，可有效降低单件重量达20%～30%，同时整车重量平均下降了3.74kg，车身碰撞试验性能也有了显著提高。表2以某身单侧某总成为例，进行了冷冲压和热冲压两种情况下该结构方案的对比。

表2 江淮汽车某车型车身单侧某总成结构方案对比

通过热冲压工艺，该总成共减重1.42kg，材料利用率提高了16%。通过板材费用、加工费用和模检具费用等多方面比较，热冲压单件费用（10万件公摊内）约比冷冲压高16.9元，热冲压单件费用（10万件公摊内扣除工装）约比冷冲压低34.3元。可见，在满足一定产量的前提下，热冲压工艺可有效降低生产成本。
在热冲压工艺中，国外企业对于整个工艺流程、关键设备和生产物料有着极强的话语权与技术封锁，而国内企业还处于研究摸索中。热冲压成形技术对于中国整车制造行业有着深远的影响，如何通过学习和借鉴掌握该技术，从而具备热冲压工装的开发能力，提高中国汽车制造在全球业界的话语权，成为亟待解决的问题。江淮汽车与多家企业合作，致力于掌握热冲压车身件设计与工艺实现的核心技术，同时积极进行正向研发，为尽早实现热冲压成形技术国产化、市场化不懈努力。