择要：铝合金板在室温下较低的成形性匆匆使人们将各种成形技能引入到汽车制造领域。本文简述了适用于铝合金板件小批量生产的超塑性成形和板材液压成形等特种成形技能，重点先容了适用于铝合金构件大批量生产的热处理－冲压一体化技能，包括带中间退火－冲压一体化技能、温冲压、W态下冲压和热冲压，阐明了它们的发展历史和现状，指出铝合金板热处理－冲压一体化技能控形控性的关键，末了比较了不同技能的优缺陷，并展望了铝合金板冲压技能未来应重点开展的事情。
关键词：铝合金板；冲压；热处理；汽车车身制造；轻量化
近年来，随着能源和环境问题的日益严厉，作为能源花费和污染物排放紧张来源的汽车在降落能耗、减少排放和提高燃油效率方面受到愈发严苛的哀求，新一轮的汽车节能减排标准法规、政策方法制订和加严活动正在环球范围内展开。节能减排目标仅依赖传统燃油动力系统的优化难以实现，鉴于汽车整车质量每减轻10%油耗可降落1.9%～8.2%的研究结果，轻量化成为另一主要举措，而采取非常规燃油作为动力源则是汽车发展的一定趋势。新能源汽车为了达到更长的续驶里程，增加电池等以储备更多电能是必不可少的，因此，其轻量化的需求比传统燃油车更为突出。
汽车轻量化紧张通过构造优化设计、轻量化材料运用和前辈制造技能来实现。当前，用以代替传统钢材的轻量化材料紧张有超高强钢、铝合金、镁合金和纤维增强塑料，表1表明铝合金在技能成熟度、价格、减重能力和汽车制造商采取的方便性等方面综合指标较高，并且95%可回收再生，成为当前首选的轻量化材料。铝合金易于铸造，目前已广泛运用于发动机气缸体、活塞和车轮等铸件。但受限于板材成形的困难，采取高本钱、低效率的板材成形技能实现的全铝车身紧张运用在低量产的高端跑车、运动赛车和豪华轿车上，例如本田NSX、奥迪A8、捷豹XE和特斯拉Model S等；而福特2015款皮卡F－150依赖高量产缓解成形技能升级的投资，首创了全铝车身在低端车辆中运用的先河。与此同时，部分汽车制造商不再追求车身利用单一材料，而是不同部位选用不同的材料以实现燃油经济性、本钱和性能的综合最优化。这种设计演化推动了铝合金板在汽车车身的更大市场的渗透。
为了知足汽车行业的巨大需求，险些全天下的大型铝材生产商都改扩建和新建汽车车身铝合金板生产线，1998—2017年间国外投产项目达22个，海内2个，我国另有7个生产线在建，产能估量可以知足汽车工业2027年以前对车身铝合金板的需求。另一方面，铝合金板在车身中的广泛运用急迫须要板材高效、低本钱成形技能的支撑。冲压技能具有生产效率高、材料利用率高、成形件精度较高、大批量生产时本钱低的优点，在汽车车身构件规模生产中具有巨大上风。
1 冷冲压和特种成形技能
目前，运用于汽车车身的铝合金板紧张有不可热处理的5000系（Al－Mg）和可热处理的6000系（Al－Mg－Si）、7000系Al－Zn－Mg－Cu）。5000系铝合金具有相对较好的成形性和耐蚀性，但表面质量难以掌握，紧张用于车身内板；6000系铝合金具有良好的综合性能，紧张用于车身外板；7000系铝合金价格更高，但更高的强度可使运用的板材更薄而进一步减重，并且其有用作车身高负载构造件的潜力。室温下铝合金的延伸率普遍低于30%，部分牌号7000系高强铝合金的延伸率不敷10%，其板材室温成形性较差，利用传统的钢板冷冲压技能仅能成形出形状大略、变形量不大的铝合金零件，而形状繁芜的只能采取分别冲压后再连接的方法实现，导致生产效率降落和本钱增加。此外，成形件回弹较大。合金元素的添加和热处理工艺的优化对这些问题的缓解已达极限，研究重点转移到将不同的制造技能引入到铝合金板的成形中，已取得了不同程度的研究进展和工业运用。
板材液压成形采取液体介质代替刚性模具通报载荷，使板材贴靠凸模或凹模，通过掌握液体介质的压力和压边力使板材成形为所需形状的曲面零件（图1（a））。板材变形时特定的应力状态和边界条件提高了其成形极限，已运用于铝合金车身覆盖件的成形，但该方法须要合营液体补充等赞助工序，生产效率较低。
超塑性成形利用金属在特定条件下塑性显著提高的特点，在热心况中对板材的一侧施加一定压力的气体，吹胀使板材贴靠凹模（图1（b））。超塑性成形能够成形各种具有繁芜特色的大截面零件，载荷小，模具材料强度哀求低，凸模简化为平板，设备和模具投入本钱低。然而，超塑性成形哀求铝合金具有均匀的微细等轴晶粒（常日小于10μm），且变形时不易终年夜；变形温度大于0.5Tm（Tm为熔点温度），且保持恒定；应变速率为10-4 ～10-3 s-1 。严苛的微不雅观组织哀求限定了可用的板材紧张是分外工艺制备的5000系铝合金板，本钱甚高；同时，极低的应变速率制约了生产速率，只管通过一模多件和与冲压预成形复合等方法缓解了该问题，但不敷以旋转热胀成形仅适用于高档汽车零件的小批量量产的情状。为此，通用汽车公司改进了传统的超塑性成形工艺，以提高设备和模具本钱为代价降落成形温度、提升成形的应变速率（10-3～10-1 s-1），成形板材可选用改进的低本钱5083铝合金，已在车身覆盖件中得到较大规模的运用。只管如此，超塑性成形哀求坯料有冗余来担保充气密封，成形后须要额外的切边工序，这些缺陷制约着降落本钱和提高生产效率的空间。
电水成形实验表明，应变速率达到103 s-1量级时，6022－T4 和7075－T6铝合金的室温可成形性分别提高70%和100%。但电水成形放电时易产生泄露和飞溅，难于生产运用。电磁成形则是更易于履行的高速成形方法，但该过程中仅有小部分能量转化为变形能，因此仅适于较小的零件成形。
综上所述，冷冲压受限于铝合金较低的室温成形性，在车身构件成形中运用范围有限；电水成形和电磁成形虽通过高应变速率显著提高了铝合金的室温成形性，但当前的技能水平还不适于工业化运用；设备和模具投入本钱较低的板材液压成形和超塑性成形生产效率低，适于较低量产。鉴于冲压件本钱随着量产增加而降落的特性，汽车行业大批量生产的需求匆匆使对冲压技能的改进成为一定，个中，将热处理集成到冲压中形成的热处理－冲压一体化技能成为主要发展方向。
2 热处理－冲压一体化技能
对付热处理－冲压一体化技能，不仅要考虑回答和再结晶对铝合金组织和力学性能的影响，更要关注引入的热处理对合金状态的改变。此外，在汽车制造工艺中，成形件经历大约一周的室温停放和组装后将进入涂装环节，涂装包括一系列油（水）漆烘烤固化过程，依次为180～190℃、10～20 min的电泳烘烤，160～170℃、15～20 min的中涂层烘烤和130～140℃、15～25 min的面漆烘烤，一样平常将其仿照为170～180℃、20～30 min的人工时效处理。因此，热处理－冲压一体化工艺还应把稳与该烘烤时效的折衷匹配，使构件性能最优，实现控形与控性。
2.1 中间退火－冲压一体化技能
2004年通用汽车公司发明了图2（a）所示的中间退火－冲压一体化技能：预测零件一次冷冲压时最大变形处达到材料应变极限的冲压量→按该冲压量冷冲压预成形→中间退火→二次冷冲压。中间退火使铝合金发生回答和再结晶，肃清了预冲压引起的硬化和内应力，塑性得以规复，进而可提高合金的总变形量。预冲压和二次冲压可在同一套模具中进行，只需掌握凸模不同行程；亦可在两套模具中依次完成，有助于提高生产效率。图2（b）是采取该技能成形出的5182－O铝合金门内板，中间退火需将预成形件转移到模外加热炉内加热20 min，生产周期长，不适于工业大批量生产。鉴于冲压时零件变形不屈均，预成形后仅局部区域的变形量靠近板材的应变极限，可采取感应线圈局部加热使之回答和再结晶。5182－O铝合金提升式后端车门内板的成形实验表明局部感应加热将退火韶光由20 min减小到15s，而且，加热时将预成形件保留在模具内，避免了零件的转移操作而省时省力；但感应加热较大区域时，温度场的均匀性有待提高。
Golovashchenko和Krause将炉内整体中间退火→冷冲压这一工序重复多次，成形出6111－T4铝合金杯凸件，将铝合金的延伸率由原始板材的25%提高到45%。同时，拉伸实验表明250℃、30 s的退火对烘烤时效影响不大。然而，Wang等针对6000系T4铝合金的实验表明，425℃、10 s的退火在提高塑性的同时显著降落了烘烤时效后的强度。可行的办理方案是，仅对零件的局部高应变区退火以肃清加工硬化利于再次冷冲压，然后利用后续变形所引起的该区的加工硬化补偿烘烤时效时强度提升的不敷。
2.2 W态下冲压技能
可热处理的6000和7000系铝合金固溶处理淬火后处于W态，强度显著降落而易于变形，同时表现出更强的应变强化能力而易于拉深，因此，其W态下冲压可成形出比传统冷冲压更为繁芜的构件；但合金淬火后即开始自然时效而进入T4态，以是哀求固溶处理淬火后即冲压。图3比拟表明，对付无法直接冷冲压的7075－T6铝合金板，固溶处理淬火后W态下可冷冲压出无毛病的B柱。
W态下冲压在冷冲压工艺流程中增加冲压前的固溶处理即可实现，但须要添加额外的变形后热处理使成形件得到高强度。此外，对板材成形性的提高有限，淬火和冲压工步分别进行，生产周期长。
2.3 温冲压技能
1946 年Finch等研究创造，铝合金板在200 ℃下的拉深极限可大幅提高；1976年克莱斯勒公司发明了温冲压热处理或冷加工强化后的高强铝合金板的方法，并在100～350℃内冲压出几种车用铝合金件；1978年通用汽车公司在大约180℃下冲压出5082－O铝合金油底壳。然而，由于当时温冲压过程温度掌握的困难和生产效率的低下，同时，汽车空气动力学设计和发动机效率的提高大大增强了汽车的燃油经济性，从而减弱了轻量化的需求，终极导致了20世纪后期车用铝合金板温成形技能研发的结束。近年汽车轻量化的紧迫需求使铝合金板温成形技能再次回到人们的视野，2004年肯联铝业提出了针对0.5～5mm厚5000系铝合金板在100～350℃内冲压成形的方法。
随着温度的提高，铝合金应变强化浸染减弱，但应变速率敏感因子由室温下的零或较小的负数增大为正数，使得应变速率强化浸染增强，有利于成形性的提高。文献综述了温度、应变速率、压边力、拉深筋和润滑等对铝合金板温成形的浸染，并列举了在铝合金板温成形的加热方法和数值仿照方面的研究进展。5000系铝合金在温成形温度区间成形性提高显著，其板材温冲压研究广泛，而对付6000和7000系铝合金，成形温度和韶光的掌握哀求更为严苛，否则合金的T6态将有可能被不可逆转地毁坏，引起合金强度的低落，从而失落去采取高强铝合金的意义。
生产工艺中，一样平常为了避免板材变形前温度的降落，凹模和压边圈须要加热，而为了提高冲压件传力侧壁的强度，冲头一样平常保持在相对较低的温度，即合理掌握板材温度梯度可实现较好的温冲压效果。而福特汽车公司等则提出了采取室温模具的非等温温冲压技能，250 ℃板材温度下试制出图4（a）所示冷冲压无法实现的5182－O铝合金门内板。凹模中繁芜的加热设备、凸模中冷却设备和相应的温度掌握系统的舍弃显著降落了本钱，模具温度掌握过程的简化大大提高了生产效率。图4（b）显示了捷豹路虎公司采取温冲压技能量产的5182－O铝合金门内板，其拉伸深度高达165mm，但详细工艺未见宣布。图4（c）是7075－T6 铝合金板材200℃下温冲压出的侧面防撞梁，已量产装置在宝马i8车型上。
2.4 热冲压技能
帝国理工林建国教授等2005年开始研究将W态下冲压的淬火和冲压结合起来的可行性，即淬火的同时进行高温冲压；2007年提出了针对可热处理铝合金板的热冲压技能，即固溶处理－成形－冷模内淬火（solution heat treatment，forming and cold-die quenching，HFQ）技能，也常被称作热成形－淬火一体化，其过程如图5所示。首先将铝合金板加热到固溶温度，完备固溶后快速转移到冷模具上冲压成形，然后在冷模具内保压淬火。热成形使铝合金板的成形性大幅提高，可一次成形具有繁芜形状的零件；同时回弹小，模内淬火可有效避免热畸变。
图6是几种可热处理铝合金的温度－韶光－性能（TTP）曲线，可见不同的铝合金表现出不同的淬火敏感性，哀求每种铝合金板热冲压过程中的淬火冷却速率必须大于各自的临界冷却速率，以防止在淬火敏感温度区间析出第二相而影响时效强化效果。例如，对付7075铝合金，冷却速率要大于图中曲线1对应的数值。在研究铝合金淬火敏感性的根本上，揭示模具与板材界面传热机制和打算界面传热系数是优化模具设计和工艺参数从而实现合理淬火冷却速率的关键。Liu 等和Ying 等揭示了打仗压强、表面粗糙度和润滑条件等对界面传热系数（ IHTC）的浸染，并打算了不同实验条件下的IHTC 值。但这些求解IHTC 的实验方法均为非标准的，不利于其他学者借鉴和工业运用，热冲压条件下求解IHTC 的标准方法亟待建立。
铝合金的热传导率大，加热后的板材在转移和合模前勾留过程中易散热，一方面，可能导致成形温度错过最佳温度；另一方面，图6还表明铝合金的淬火敏感温度区间靠近其固溶温度，易导致成形温度进入淬火敏感温度区间，或者增大淬火时的临界冷却速率，如图中冷却曲线2所示。因此，热冲压过程哀求缩短上述散热过程，对加热、板材转移和成形等设备提出了更高的哀求。苑世剑等提出了上模冷态、下模热态的冷热复合模成形方法，来减小成形前板材温度的降落，成形后成形件随冷态上模一起上移并完成淬火过程，开辟了新的热成形工艺。
铝合金对铁元素具有很强的亲和力，造成其冲压时易粘模，改进模具和板材间的润滑状态是热冲压履行的哀求。Ghiotti 等揭示了不同润滑剂在热冲压条件下的润滑机制，Dong 等的研究表明模具表面涂层可大幅减少润滑剂的利用量，Hu 等提出了交互摩擦模型，来预测铝合金表面摩擦系数随滑动和润滑条件的蜕变，以及润滑剂的有效寿命。摩擦问题是边界条件高度非线性的繁芜问题，热冲压过程中板材与模具间的摩擦系数是两者表面状态，润滑剂种类、用量和分布，以及压力、速率和温度等工艺参数的多变量函数，其求解精度对冲压件的成形质量和成形过程稳定性至关主要。此外，文献综述了热冲压条件下铝合金板的成形性和强化规律、热冲压数值仿照等方面的研究。
2010 年HFQ 技能首次运用于图7（a）所示真实的汽车构件，冷冲压6082－T6铝合金板导致构件拉断，而采取HFQ 技能则可得到知足尺寸精度的冲压件。图7（b）表明HFQ 对付6082拼焊板成形具有很好的适应性。福特汽车公司热冲压出图7（c）所示的B柱，坯料为7075－T6铝合金，固溶处理炉内加热30 min，成形周期为29 s，末了对成形件按照美国标准进行120 ℃、24 h人工时效。与变形前T6态的坯料比较，热冲压件人工时效后其力学性能基本规复到T6态，其晶粒尺寸和形状没有明显变革。肯联铝业热冲压出图7（d）所示的7000系铝合金B柱，工艺参数为：固溶处理加热8min，成形周期大约为20s。2013—2014 年，HFQ 技能开始运用于量产车铝合金构件的成形，构件包括图7（e）所示阿斯顿·马丁DB11 的A柱和路特斯Evora 400Ｒ 的脚踏板。
热冲压的缺陷是高温成形，铝合金的强度较低，易在板材转移和成形过程中形成表面划痕而影响表面质量，须要添加额外的热处理使成形件得到高强度。显然，文献中所采取的标准热处理所需韶光过长，不适于冲压件堆垛热处理，须要开拓与热变形及烘烤时效匹配的快速强化热处理工艺。
2.5 不同热处理－冲压一体化技能的比较
可热处理铝合金车身构件的综协力学性能通过加工和相应的热处理工艺得到特定的微不雅观组织，尤其是涂装烘烤时人工时效析出的强化相来得到。中间退火－冲压一体化技能和温冲压的热过程掌握目标分别是短时局部加热和不产生回答和再结晶的低温加热，冲压件的力学性能紧张由变形前板材生产过程和末了的涂装烘烤决定；而W态下冲压和热冲压变形前都需对板材进行固溶处理，板材生产得到的调控性能被毁坏，变形后直接涂装烘烤时效不敷以使冲压件的力学性能达到最优，须要额外的预时效热处理与变形及烘烤时效折衷匹配，从而使冲压件的性能达到哀求。因此，热处理－冲压一体化工艺的制订不应伶仃考虑某一制度，而应综合稽核全体板材制备、变形加工和热处理过程对其性能的影响，把稳其间的折衷匹配，从而制订出基于全生产链的最优化的工艺制度，实现构件的形状和力学性能的协同掌握。例如，Kumar 和Ｒoss的研究表明，不同状态的Al－Zn－Mg合金温成形后，经由不同的烘烤时效得到冲压件的力学性能不同，通过比较可得使冲压件力学性能最优的工艺参数。实现构件控形控性目的实质上哀求揭示铝合金在化学身分、冲压加工和热处理等多重成分浸染下的力学相应，尤其是力场－热场对微不雅观组织蜕变和力学性能调控的耦合浸染机制。
热处理－冲压一体化技能的基本理论和工艺研究开展的同时，环球各大设备制造商也正在加紧研制相应的专用生产设备。Schuler 公司已改进其高强钢的热冲压生产线以适用于铝合金板的热冲压；而AP＆T 公司已经研制出适于铝合金板温冲压、W 态下冲压和热冲压的多功能冲压生产线，其配备了新型低能耗、高速压机，适于非磁性板料拾取的传送装置，快速升温、高精度的新型多层箱式加热炉（图8（a））。与传统的辊底式加热炉（图8（b））比较，多层箱式加热炉逐渐表现出更多的上风：占地面积显著减小；板材定位更精确；一个炉单元发生故障停机，其他单元仍可连续照常利用；无炉内运动机构，板材与炉底无打仗摩擦，利于避免板材表面划痕；整体运动部件少，维修保养本钱低。但这两种工业中运用的加热炉依赖热辐射和对流来加热，升温速率有限，如能提高加热速率则可缩短生产周期、节约生产本钱并提高生产效率。将被加热板材与电源连接构成回路的自阻加热，可得到1×102～103℃/s的加热速率，但非矩形板材在电极间电阻非均匀分布将导致温度分布的不屈均。纵向磁通感应加热已在实验室中实现硼钢板的快速均匀加热，但与钢材比较，铝合金磁导率更低，且没有磁滞发热，使得加热效率大大降落。横向磁通感应加热依赖带材相对感应线圈的匀速运动实现均匀加热，个中带材只有宽度方向有两个平行自由边，而冲压板材常日具有优化的非规则形状，亦难实现均匀加热。快速加热技能有待打破。
表2比较了不同的热处理－冲压一体化技能，个中冷冲压列于表中作为参考。可见，这些技能各具优缺陷，应根据冲压件的形状、产量和性能哀求等综合考虑选择合理的成形方法。
3 展望
随着能源、环保压力的不断增大，对汽车轻量化的需求愈发强烈，高比强度铝合金板在车身中遍及成为主要发展方向，但铝合金室温下较低的成形性限定了其运用。超塑性成形等特种板材成形技能适于铝合金板车身构件的小批量生产，而冲压技能具有生产效率高、材料利用率高、成形件精度较高、大批量生产时本钱低的优点，在构件大批量生产中具有巨大上风。因此，各种热处理－冲压一体化技能应运而生。只管这些一体化技能特点互异，但是不同于冷冲压，都须要额外关注如下几点：
1） 快速加热技能。变形前加热是热处理－冲压一体化技能的先决工步，运用快速加热技能可缩短生产周期、节约生产本钱并提高生产效率。
2） 快速成形技能。板材成形温度区间较窄，哀求只管即便缩短板材从加热设备到模具转移的韶光和随后的合模韶光，避免不必要的热量丢失，担保变形发生在最优的温度。
3） 专用铝合金板材。一方面，开拓适于热处理－冲压一体化工艺特点的低本钱铝合金板材，另一方面，开拓性能全面的铝合金板材，减少车用板材牌号的数量，利于分类回收。
4） 铝合金多物理场浸染下力学相应机制。揭示铝合金在化学身分、冲压加工和热处理等多重成分浸染下的力学相应，尤其是力场－热场对微不雅观组织蜕变和力学性能调控的耦合浸染机制，为实现控形控性供应理论根本。
5） 板材制备－成形－ 热处理折衷匹配。热处理－冲压一体化工艺的制订不应伶仃考虑某一制度，而应综合稽核全体板材制备、变形加工和热处理过程对其性能的影响，把稳其间的折衷匹配，从而制订出基于全生产链的最优化的工艺制度，实现构件的形状和力学性能的协同掌握。
