烫金101

热冲压在欧洲被称为压力硬化,在亚洲被称为热压成型,是一种金属板材的热成型工艺,在冲压过程中进行成型和冶金热处理。

什么是烫印?

热冲压在欧洲被称为压力硬化,在亚洲被称为热压成型,是一种金属板材的热成型工艺,在冲压过程中进行成型和冶金热处理。 压力硬化最初是在 1970 年代开发的,用于制造硬化钢农具,但此后对汽车行业轻质和高强度白色车身的制造产生了重大的商业影响。 随着热冲压工艺的出现,降低油耗和车辆安全性推动了超高强度钢部件的普遍使用。

由于在白车身领域的现有使用和可用性,热冲压的早期开发和进展主要集中在低碳锰硼合金钢 22MnB5 上。 通过将 22MnB5 板材加热到 900 °C 以上,金属的组织由铁素体钢转变为奥氏体钢,然后在冲压模具中快速冷却,钢相转变为马氏体,强度高达 1500 MPa[220 KSI] . 此后开发了具有特殊涂层和先进化学成分的高碳钢等级,强度高达 2000 MPa[290 KSI]以及许多显着的工艺和材料性能优势。

热冲压需要具有快速前进速度和停留能力的可编程伺服液压机,以重复控制热成型和冷却过程的吨位。 辅助设备通常包括用于加热金属板的辊底炉或堆垛炉、材料转移机器人或进料器、模具冷却系统和零件修整操作。 必须仔细评估压力机框架样式、导向系统、速度、吨位、材料进给方向、快速换模和偏心加载能力,以确保针对特定的热冲压应用优化压力机。

材料注意事项

当复杂高强度零件的生产是一种优势时,任何可热处理或难以成型的金属都可以从热冲压中受益。 下面的表 1 中列出了一些示例材料。

材料 等级 强度
硼合金钢,0.22% C 22MnB5 1500 MPa
硼合金钢,0.30% C 30MnB5 1800 MPa
硼合金钢,0.37% C 37MnB5 2000 MPa
铝合金,6000 系列 6061-T6 300 MPa
铝合金,7000 系列 7075-T76 500 MPa
镁合金 AZ31B-H 300 MPa
钛合金 Ti-6Al-4V 900 MPa
铜镍合金 C71500 500 MPa

表 1:用于热冲压的示例钣金材料。

并非所有金属都会在热冲压时表现出在硼钢中发现的高强度转变。 当快速冷却时,向碳钢中添加硼促进向马氏体的相变。 未进行相变合金化的钢板不能硬化到超高强度,但是,通过区域冷却和加热的硬度调整可用于控制微观结构,从而控制材料性能。 大多数有色合金在硬度方面的改进有限,但热压成型可以提高复杂形状的可成型性,消除回弹,并减少许多应用中的缺陷。

板材在高炉温下的腐蚀、脱碳和结垢是热冲压的一个问题。 无涂层钢需要惰性气体气氛以尽量减少结垢。 耐腐蚀涂层,例如铝硅,通常用于钢板,以消除去除氧化皮的需要。 添加特定合金元素还可以减少腐蚀,并在某些情况下减少保持硬度所需的冷却并允许多步成型操作。

冶金学家和钢铁生产商付出了大量努力来改进用于热冲压的材料。 下面的图 1 说明了硼钢 22MnB5 在退火和热冲压状态下与其他钢成分(如低碳钢和传统高强度钢)相比的伸长率和抗拉强度之间的关系。 右侧的温度时间相图叠加说明了生产马氏体钢所需的条件以及 22MnB5 中其他相将出现的时间和温度区。

无花果。 1:22MnB5 的材料特性和冷却循环。

烫印的优点

热冲压结构部件的优点是具有出色的成型极限抗拉强度和可成型的复杂几何形状。 热冲压件的高强度允许通过使用更薄的金属板来减轻部件的重量,同时保持结构完整性和碰撞性能。 其他优点如下:

  1. 通过焊接或紧固进行的连接操作更少。
  2. 更少的部分回弹和部分翘曲。
  3. 更少的零件缺陷,如裂纹和分裂。
  4. 与冷成型相比,减少了压机吨位。
  5. 能够按零件区域定制材料属性。
  6. 改善原样微结构的能力。
  7. 完成产品的操作步骤更少。

何时使用烫印

当需要在室温下很难成型的具有高淬透性的超高强度合金以满足严格的产品要求时,热冲压效果最佳。 作为一个普遍的例子,低碳硼合金钢和其他具有高级成分的钢合金用于制造乘用车的白色车身部件,例如立柱、保险杠、门梁和车顶纵梁。 请参见下面的图 2,了解适合轻量化的部件示例。

无花果。 2:适合烫印的白色车身组件

在这个竞争激烈且监管严格的市场中,热成型的车身部件数量和重量减轻程度不断增加。

在航空、航天、国防和其他新兴市场中的使用开始体验到通过热冲压难以形成的高级合金带来的更高强度和更轻重量的好处。

工艺注意事项

确定热冲压是否是零件制造的首选工艺是一项复杂的挑战。 必须考虑生产量、生产率、零件成本、零件功能和制造公差。 需要特别注意选择合适等级的材料,这些材料可以从热处理过程中受益,从而生产出尽可能最好的零件。 预成型和定制的坯料通常是获得最佳零件材料特性的理想选择。 热冲压零件通常太难在压力机中修整,因此成型后可能需要专门的激光修整。

替代流程

能够实现类似结果的过程包括:

金属冲压[Cold]:如果所形成的材料在室温下具有足够的延展性,则可以制造类似的高强度部件,而无需对金属板进行加热和退火。 通常需要更传统的用于管理回弹的零件和模具设计方法来生产精确的零件。

温冲压:通常用于在室温下难以成型的有色合金。 成型后通常需要受控的冷却和时效过程,以恢复板材通过加热退火之前存在的固溶硬化微观结构。

液压成型:一种先进的板材和管材成型工艺,它使用液压代替固定冲头来生产不适合冲压的几何形状,包括底切或凸出形状。

制造:对于原型设计或小批量生产,可以通过焊接或其他连接工艺从多张板材生产零件。 在大多数情况下,仅当产量不足以证明专用工具的成本合理时,才适合制造。

烫印工艺

概述

热冲压涉及对已加热并成型的超高强度钢进行快速淬火。 该过程首先将坯料拆垛,坯料装入烘箱或熔炉中进行加热。 加热的坯料通过压力机进料系统传送到液压热冲压机,该压力机关闭以非常快地产生吨位,然后保持零件直至冷却。 当这个过程完成后,硬化的部件通过压力机卸载系统从液压机上自动卸载完成。 下面的图 3 说明了烫印的基本要素。

无花果。 3:直接和间接烫印工艺要素

直接烫印在工业中更为普遍。 间接热冲压在加热前增加了冷成型步骤。

成功因素

直接烫印在工业中更为普遍。 间接热冲压在加热前增加了冷成型步骤。

对影响烫印的所有参数的全面检查超出了本文的范围。 相反,我们将着眼于可以很好地转化为可接受的工艺经济性的几个关键因素:材料特性、淬火工具、生产率和缺陷减少。

材料特性:

高材料淬透性转化为更高的强度,这直接减轻了零件的重量。 在汽车行业,这意味着更好的燃油经济性和更高的乘客安全性。 高抗拉强度不是唯一的要求。 耐撞性还依赖于存在于皱缩区的能量吸收韧性钢特性。 先进的高强度钢必须同时满足这两个目标。 实现这些结果的关键方法是在淬火工具中定制毛坯和基于区域的热处理。

成型和淬火工具:

设计良好的成型和淬火工具对于所生产零件的成功至关重要。 高强度区域必须快速淬火以产生所需的材料特性。 需要更多延展性的孤立部件区域冷却得更慢,在某些情况下,工具被加热以获得适当的微观结构。 需要能够经受住反复热循环的严酷考验的专用热作工具钢,以最大限度地减少模具磨损并减少模具故障。 工具的工作表面通常通过渗氮和其他材料沉积技术进行硬化,以抵抗磨损并延长工具寿命。

生产率:

与传统冲压相比,冲压硬化工艺要慢得多,这主要是由于零件淬火所需的时间。 典型的冲压循环速率为 10 到 30 秒,较厚的材料需要更长的时间,因为淬火需要额外的时间。 额外的延迟也可归因于当淬火零件太硬而无法进行后处理冲压修整和冲压时需要进行激光修整。 已用于减少循环时间的一种技术是在合金成分中添加硅,允许更高的淬火温度退出,以促进通过热压冲压和修边进行更快的多步成型。

减少缺陷:

由于退火过程可以形成深而复杂的形状,热冲压将回弹作为缺陷进行了大厅传递,但高温意味着粘性钢。 高温还意味着无法对板材进行润滑,摩擦是一个重大问题。 此外,用于防止毛坯加热过程中脱碳和氧化皮形成的材料涂层可能对工具表面具有很强的磨蚀性。 因此,管理摩擦对于避免零件过度变薄、开裂和开裂以及因磨损导致模具过度磨损至关重要。

零件和工具设计以防止缺陷

热冲压的主要挑战是材料的摩擦引起的起皱和保持温度以避免在零件完成之前硬化和开裂。

为了减少摩擦,当零件几何形状允许材料自由流入模腔时,可以在没有压力垫的情况下进行成型。 在零件设计中应尽量减少毛坯和模具之间的表面接触。 可以使用边缘或销规来定位毛坯,从而防止横向移动。 棒垫可用于夹住或形成零件中心的材料。 这些技术与冷冲压相反,冷冲压在冷冲压中拉珠控制材料运动并确保足够的材料拉伸以消除游离金属。

内半径上的法兰形状的压缩会导致成型后起皱、变形和双金属。 间隙垫可用于防止形成过多的皱纹高度。 间隙圆柱体将垫块分开,让金属自由流入型腔,然后间隙圆柱体在冲程底部被压缩,以在淬火前消除皱纹。

坯料的热膨胀以及成型零件冷却时的收缩使得控制零件几何形状变得更加困难。 测量需要在不失去有效性的情况下适应收缩,并在必要时允许零件自由移动。

工具表面的表面磨损会导致接触压力恶化,这会导致淬火变慢。 过度的刀具磨损会增加循环时间和零件成本。 由于不平衡的淬火,刀具磨损还会导致零件变形,从而由于零件收缩不均匀而留下残余应力。

无花果。 4:热成型和淬火模具比传统的冷冲压模具需要更多的维护,因为每个冲压周期都会发生热膨胀和收缩。 热循环的热检查会导致工具破裂和漏水。 所需的工具钢通常是 H13 或更高等级的材料,用于热冲击、成型冲击和磨损。

印刷机配置

基本参数

配置压力机以生产热冲压零件从零件制造过程的要求开始。 配置需要有关材料类型、零件规格、生产量、生产速度和目标价格的信息。 这些因素会直接影响处理、成型和淬火要求,进而影响安装和工具的规格。 下面的温度与工艺时间图说明了工艺中的步骤,这些步骤将决定工艺要求和可实现的生产率。

无花果。 5:热压成型的温度与工艺时间

在购买热冲压机或全自动热冲压机生产线时,需要考虑几个关键变量。

  1. 热冲压机的液压和控制系统必须完全可编程并提供可重复的吨位控制,因此许多热冲压应用使用伺服液压机。 对于这些系统,油必须非常干净,除了标准筒式过滤器之外,还值得考虑在线或离线过滤系统。
  2. 伺服液压系统的设计通常要复杂得多,大多数客户喜欢从 OEM 到印刷机的远程连接,以帮助排除故障。
  3. 虽然有许多不同的电路设计,但通常压机希望有一个预压电路,当需要时,该电路可以快速转移到全吨位压机。
  4. 由于热冲压机价格昂贵且通常需要使用多个模具运行多种产品,因此模具车和自动模具夹紧系统很受欢迎,以减少模具更换时间并最大限度地提高年产量。
无花果。 6:Macrodyne 1000吨热冲压生产线

床尺寸

印刷机的床身必须能够容纳最大的预期工具集的足迹。 对于矩形或复杂的毛坯形状,床身内零件的方向将决定床身的整体尺寸。 可以根据坯料尺寸粗略估计床尺寸。 从热冲压机的所有四个侧面都可以很宽地进入床身,这有利于自动化材料转移和快速换模工具。

吨位和速度

液压热冲压机的控制系统应能够完全可编程和可重复的吨位控制,以优化工艺并降低能耗。 压力机应该能够产生足够的吨位来形成零件并保持/硬化它,但应避免吨位过大。 超出要求的吨位可能会导致能源消耗过多和工具磨损。 烫印吨位的典型范围在 500 至 1500 吨之间。

加热的坯料在从炉中取出后立即开始快速冷却,因此压力机关闭并产生吨位以非常快地形成零件至关重要。 自动零件装载通常需要将压力机打开相当大的量以留出足够的间隙。 如此大的间隙使得压力机能够非常快速地打开和关闭变得更加重要。 通常,需要每秒 500 至 1,000 毫米的闭合速度。 快速返回速度稍慢,但经过优化以减少循环时间。

中风和日光

完全缩回的冲头和模具面之间必须有足够的日光,以便从压力机中取出成品。 实际上,这意味着日光大约是按压行程的三倍。 如果将使用压力机生产多个零件,行程和日光应适应最大的预期工具。 可能需要额外的间隙以适应模具冷却、模具加热、机器人或进料器访问以及快速更换工具。

高级功能

一些先进的烫印功能包括:

  1. 在淬火前采用先进钢进行多步成型,该钢可在较高温度下抑制马氏体损失。
  2. 淬火和零件硬化前的热冲压和热切边。
  3. 可以按零件区将坯料预热到不同温度以生产具有多种微观结构的零件的感应炉。

图片参考

  1. 无花果。 1: HS101-F1, Garcia Aranda L, Chastel Y, Fernandez Pascual J, Dal Negro T, 2002 可淬火钢的热冲压实验和模拟。 先进的塑性技术 2, 1135-40
  2. 无花果。 2:HS101-F2,A. Nagathan 和 L. Penter,第 7 章:热冲压,“钣金成型工艺和应用(T. Altan 和 A. Tekkaya,编辑),第 153 页{163,ASM International, 2012 年。
  3. 无花果。 3:HS101-F3、H. Engels、O. Schalmin、C. Müller-Bollenhagen,“硼合金热处理钢热冲压工艺的控制和监测”,国际会议“钣金成型的新发展”技术”,第 135~150 页,德国斯图加特,2006
  4. 无花果。 4:HS101-F4,热冲压模具:如何设计、管理成功的成型和淬火工具,Mike Austin,冲压杂志,2019 年 3 月 15 日
  5. 图 5:HS101-F5,Erhardt, R.,Boke, J.:热成型压力机模拟的工业应用,第一届高性能热钣金成型国际会议,钢铁,德国卡塞尔,(2008 年)页。 83-88。
  6. 无花果。 6: HS101-F6, Macrodyne 1000吨热冲压线