熱沖壓成形技術(shù)研究的現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)
——華中科技大學(xué)張宜生教授訪談
華中科技大學(xué)材料成形與模具技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的高性能金屬板料熱沖壓成形技術(shù)團(tuán)隊(duì)，在先進(jìn)鋼材料、先進(jìn)加熱方法及裝備，數(shù)字伺服壓力機(jī)和變強(qiáng)度成形模具，熱成形模具的摩擦與磨損，高強(qiáng)鋼板熱沖壓成形零件的無損檢測，高強(qiáng)鋁合金板熱沖壓的接觸加熱及潤滑、多工位成形方面多有建樹。在開發(fā)基于伺服壓力機(jī)和多層箱式爐的熱沖壓生產(chǎn)線及其智能控制技術(shù)的項(xiàng)目驗(yàn)收后，轉(zhuǎn)向產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的水平將有質(zhì)的提高。
1. 緊扣行業(yè)發(fā)展，聚焦亟待解決的問題
隨著汽車輕量化的發(fā)展，高強(qiáng)鋼熱成形的鋼板在國內(nèi)已經(jīng)可以大規(guī)模高質(zhì)量生產(chǎn)，熱沖壓零件的數(shù)量大大增加，熱沖壓零件從初級階段發(fā)展到高級階段，從簡單的前保險(xiǎn)杠、門內(nèi)防撞梁發(fā)展到 B 柱，目前到了門環(huán)的制造。國內(nèi)的生產(chǎn)能力水平基本保持了與國際先進(jìn)水平同步發(fā)展。前幾年國外單臺車用高強(qiáng)鋼熱沖壓成形零件達(dá)50多件，今年以來，國產(chǎn)單臺車架用高強(qiáng)鋼熱沖壓成形零件數(shù)也達(dá)到了28件，甚至達(dá)到40件。由此，引發(fā)了企業(yè)高度關(guān)注。隨著成套交付的零件數(shù)量激增，這樣的迸發(fā)生產(chǎn)導(dǎo)致出現(xiàn)階段性的產(chǎn)能不足，因此諸多企業(yè)繼續(xù)在擴(kuò)大產(chǎn)能，新增熱沖壓生產(chǎn)線。因此，企業(yè)間的產(chǎn)能合作成為一個(gè)重要的話題，也對產(chǎn)業(yè)鏈管理提出了新的要求。
我國有各類熱沖壓生產(chǎn)線240條以上，隨著車身結(jié)構(gòu)，特別是新能源車的快速發(fā)展，“下鋁上鋼”車身技術(shù)路線推進(jìn)，對熱沖壓產(chǎn)品的需求將更加迫切，以及對成組制造的供求需求拉動下，并發(fā)制造的形式逼人，企業(yè)將繼續(xù)加大熱沖壓生產(chǎn)線和激光加工設(shè)備的投入。
目前國內(nèi)鋼材已可以全系列、全規(guī)格生產(chǎn)，質(zhì)量已達(dá)到國際先進(jìn)水平，如鋁硅鍍層板的兩邊鍍層的均勻性和厚度和國外相當(dāng)，質(zhì)量有保障，熱沖壓成形加工穩(wěn)定。對于高強(qiáng)度1800MPa和2000MPa的鋼材，由于隨著強(qiáng)度的提高，鋼材減薄到一個(gè)極限值后，受結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的影響，應(yīng)用受到一定的限制。所以目前國內(nèi)普遍使用1500MPa的鋼材，完全滿足生產(chǎn)需求。
熱沖壓成形工藝的另一個(gè)重要保障就是模具的質(zhì)量，目前國內(nèi)模具鋼材的質(zhì)量參差不齊，基礎(chǔ)理論研究薄弱，企業(yè)在模具材料、加工工藝、模具壽命等研究上還有待提高。國產(chǎn)模具研發(fā)和應(yīng)用是個(gè)大問題，由于量產(chǎn)車的數(shù)量有限，沒有確定的數(shù)據(jù)來考量模具壽命到底有多長，所以設(shè)計(jì)時(shí)，需要提前考量相關(guān)參數(shù)等。目前模具磨損影響工藝尺寸精度是最主要的問題，例如模具圓角磨損，導(dǎo)致沖壓不貼模，冷卻速率不夠，材料組織性能變化大，引起產(chǎn)品回彈，從而影響產(chǎn)品工藝尺寸。目前國內(nèi)熱沖壓模具質(zhì)量已得到很大的提升，參加ICHSU 2022武漢會議的模具鋼研發(fā)生產(chǎn)企業(yè)就有10多家，他們對國產(chǎn)模具鋼的應(yīng)用前景表示樂觀。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，快速冷卻技術(shù)不完善，還無法穩(wěn)定的大規(guī)模生產(chǎn)。提高生產(chǎn)效率的途徑應(yīng)該是優(yōu)化模具，縮短保壓時(shí)間，從而提高生產(chǎn)節(jié)拍，這是提高生產(chǎn)線效率的重要路線之一。
新能源車這兩年發(fā)展方興未艾，但是多數(shù)車型的產(chǎn)量不大。因此熱沖壓生產(chǎn)的上游，激光落料將成為主流。隨著拼焊板熱成形零件的增加，激光拼焊坯料的需求也逐漸增加。隨著激光切割機(jī)的國產(chǎn)化水平提高，熱沖壓成形的后續(xù)工序，三維五軸激光切割也日益成為主要加工方法。從熱沖壓生產(chǎn)的全流程來看，有2/4~3/4的工序，是激光加工。激光加工設(shè)備是極好的數(shù)字化設(shè)備，與數(shù)字化熱成形生產(chǎn)線組成的數(shù)字化車間（或者數(shù)字化工廠），為智能熱沖壓生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。目前，我們正在聯(lián)合企業(yè)開展基于工業(yè)4.0的智能生產(chǎn)技術(shù)研究與應(yīng)用，已經(jīng)取得了初步的進(jìn)展。
2. 接受創(chuàng)新技術(shù)的挑戰(zhàn)，研發(fā)適合我國國情的先進(jìn)技術(shù)
針對前段時(shí)間特斯拉推出的“一體鑄造”技術(shù)對熱沖壓技術(shù)是否有影響這個(gè)話題，張教授也表達(dá)了他的看法，他說："一體鑄造'技術(shù)在熱沖壓成形行業(yè)受到熱議，有的躍躍欲試，認(rèn)為是一次機(jī)會。有的擔(dān)心這項(xiàng)技術(shù)對熱沖壓生產(chǎn)技術(shù)造成沖擊。從汽車輕量化和安全性考量，到目前為止，還沒有替代技術(shù)能夠滿足高強(qiáng)鋼熱沖壓成形強(qiáng)化的現(xiàn)有質(zhì)量和成本競爭力。一體化壓鑄車架零件將取代部分沖壓技術(shù)產(chǎn)品，甚至取代部分熱沖壓成形零件。我認(rèn)為這對汽車制造技術(shù)有積極意義的挑戰(zhàn)。
“科技部十四五'國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃'高性能制造技術(shù)與重大裝備”重點(diǎn)專項(xiàng)的2021申報(bào)指南中，強(qiáng)調(diào)開展以鑄代鍛、整體成形、短流程、低排放的高效加工技術(shù)研究，研發(fā)高綜合性能的先進(jìn)鋁合金材料開展先進(jìn)鋁合金材料綜合性能評價(jià)及加工技術(shù)效能評價(jià)，形成鑄鍛一體成形的新型高綜合性能鋁合金高效加工技術(shù)，將鑄造、增材制造等鋁合金提升到變形鋁合金強(qiáng)度水平。這項(xiàng)技術(shù)的重點(diǎn)是高強(qiáng)韌鋁合金的開發(fā)以及真空壓鑄技術(shù)的應(yīng)用。隨著這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用，汽車輕量化的步伐會更快，為節(jié)能減排做出貢獻(xiàn)。
一體壓鑄成形的應(yīng)用來自于車身零部件集成化的概念，這個(gè)技術(shù)概念同樣用于高強(qiáng)鋼熱沖壓。例如，車架的門環(huán)就是多零部件集成的案例，把5個(gè)以上的零件合并成1個(gè)進(jìn)行沖壓生產(chǎn)，大大提高了綜合生產(chǎn)效率。目前對后車架環(huán)（11個(gè)零件集成為1個(gè)零件）和電池環(huán)都在進(jìn)行多部件集成熱沖壓，從而大大降低后續(xù)的車架焊接和裝配投資和場地的占用。
3. 理論付諸實(shí)踐，產(chǎn)學(xué)合作實(shí)現(xiàn)研究成果轉(zhuǎn)化
所有的科學(xué)研究都是需要實(shí)際應(yīng)用的，談到科研院所如何將理論付諸實(shí)踐時(shí)，華中科技大學(xué)熱沖壓成形技術(shù)團(tuán)隊(duì)從2005年開始研究伺服壓力機(jī)技術(shù)，一直停留在研究論文和原型機(jī)的水平。所以到2009年，特意組建了以博士生和碩士生為主的研究團(tuán)隊(duì)，針對伺服壓力機(jī)的保壓功能特性和機(jī)械壓力機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)高的特點(diǎn)，與用戶的需求結(jié)合，組織動員設(shè)備制造、自動化、模具制造等多家企業(yè)并與之合作，開展熱沖壓生產(chǎn)線的成果轉(zhuǎn)化。
該團(tuán)隊(duì)從2009年開始參與國家973項(xiàng)目課題，著手高強(qiáng)鋼板熱沖壓成形的工藝實(shí)驗(yàn)研究和計(jì)算模擬方法研究，2010年在企業(yè)合作經(jīng)費(fèi)支持下，于2011年5月建成世界上首條數(shù)字伺服熱沖壓試驗(yàn)線。2014年與企業(yè)合作實(shí)現(xiàn)研究成果轉(zhuǎn)化，在東莞建成第一條600t伺服機(jī)械壓力＋多層箱式爐的熱沖壓生產(chǎn)線，開始服務(wù)于企業(yè)的熱沖壓生產(chǎn)。隨著汽車輕量化的發(fā)展，2017年組織建成3條800t數(shù)字機(jī)械伺服熱沖壓生產(chǎn)線。在這個(gè)過程中有10多名碩士研究生和4名博士研究生持續(xù)在這個(gè)方向攻關(guān)，在學(xué)術(shù)上獲得明顯的進(jìn)步。壓力機(jī)制造企業(yè)后來把熱沖壓伺服壓力機(jī)，擴(kuò)展到冷沖壓領(lǐng)域，在汽車和家電生產(chǎn)獲得應(yīng)用。
教師結(jié)合國家和企業(yè)的重大需求，是培養(yǎng)學(xué)生的正確道路。教師要深入企業(yè)的生產(chǎn)和產(chǎn)品開發(fā)過程，在獲得實(shí)際體驗(yàn)的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)工程中的科學(xué)問題，在理論和實(shí)踐相結(jié)合的過程中，培養(yǎng)人才是可行的。其次是要打破專業(yè)界線。世界一切先進(jìn)技術(shù)，都應(yīng)該是我們研究的方向。在傳統(tǒng)的制造業(yè)轉(zhuǎn)型過程中，需要大量的具有數(shù)字化制造基礎(chǔ)的材料加工專業(yè)的學(xué)生走向社會，進(jìn)入企業(yè)。
該團(tuán)隊(duì)的碩士研究生到合作企業(yè)，結(jié)合企業(yè)的需求，取得創(chuàng)新研究成果。博士后也是長期在企業(yè)從事熱沖壓生產(chǎn)工藝及生產(chǎn)技術(shù)的技術(shù)服務(wù)，特別是在生產(chǎn)的基于工業(yè)4.0的智能化方法的研究與實(shí)踐中，獲得工程中的科學(xué)問題，利用大學(xué)的基礎(chǔ)研究能力和資源以及企業(yè)的制造能力，使團(tuán)隊(duì)保持旺盛的研究熱情，獲得國內(nèi)外較好的影響力。
4. 行業(yè)仍有短板，吾輩仍需擔(dān)當(dāng)
目前國內(nèi)創(chuàng)新能力不足，國外有的好東西，國內(nèi)會很快學(xué)習(xí)、介入，取代國外的技術(shù)再創(chuàng)新。高質(zhì)量的金屬材料和特殊的規(guī)格還是不足。在解決材料成形的困難時(shí)，資金和社會支持不足，也是影響技術(shù)人員創(chuàng)新的因素。
行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的缺失和陳舊已經(jīng)成為制約行業(yè)全面快速發(fā)展的瓶頸，應(yīng)當(dāng)受到重視。我們也有考慮在學(xué)術(shù)會議組織框架下，建立各專業(yè)委員會來推動行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展。集行業(yè)全部力量一起解決影響沖壓技術(shù)發(fā)展的‘卡脖子’技術(shù)和難點(diǎn)，鼓勵企業(yè)聯(lián)合，吸收人才，利用大學(xué)的人才和學(xué)科優(yōu)勢，扎扎實(shí)實(shí)的攻關(guān)逐項(xiàng)取得突破，為我國制造行業(yè)貢獻(xiàn)一份力量。
（本文由張宜生老師根據(jù)ICHSU2022會議和2021年10月《鍛造與沖壓》采訪錄音整理并分享，深表感謝�。�
