應(yīng)用于卡車(chē)結(jié)構(gòu)件中的熱軋酸洗板

文/李鳳華，常連霞，申強(qiáng)·一汽解放汽車(chē)有限公司卡車(chē)廠

應(yīng)用于卡車(chē)結(jié)構(gòu)件中的熱軋酸洗板

文/李鳳華，常連霞，申強(qiáng)·一汽解放汽車(chē)有限公司卡車(chē)廠

以降低卡車(chē)材料成本和提高沖壓件強(qiáng)度為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)熱軋酸洗板的成分、性能試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)零件情況，借助CAE模擬分析手段，選定以熱代冷零件，并通過(guò)一系列的現(xiàn)場(chǎng)工藝試驗(yàn)和工藝驗(yàn)證，最終實(shí)現(xiàn)了在卡車(chē)中應(yīng)用熱軋酸洗板的目標(biāo)。

隨著汽車(chē)工業(yè)的不斷發(fā)展，節(jié)能、輕量化、安全性等要求的不斷提高，對(duì)汽車(chē)材料的設(shè)計(jì)提出了更高要求。面對(duì)激烈競(jìng)爭(zhēng)的市場(chǎng)，提高質(zhì)量、降低成本，已成為提升產(chǎn)品生命力，并在激烈市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中制勝的法寶。研制、開(kāi)發(fā)滿(mǎn)足汽車(chē)制造需求的低成本、高強(qiáng)度的材料并應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中，是實(shí)現(xiàn)汽車(chē)高質(zhì)量、降低成本的有效途徑。熱軋酸洗板材料較普通冷軋板而言，具有強(qiáng)度高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景非常廣泛。

酸洗板應(yīng)用的背景與現(xiàn)狀

熱軋酸洗板是介于熱軋板與冷軋板間的產(chǎn)品，是部分熱軋板和冷軋板理想的替代產(chǎn)品，是汽車(chē)業(yè)廣泛需要的新興鋼種。熱軋酸洗板由于其成本低于冷軋板但強(qiáng)度指標(biāo)優(yōu)于冷軋板，在國(guó)外已得到了很好的發(fā)展與應(yīng)用，如在日本、美國(guó)、韓國(guó)及歐洲一些國(guó)家，尤其在汽車(chē)行業(yè)應(yīng)用廣泛，如日本馬自達(dá)系列轎車(chē)副車(chē)架、輪輞、加強(qiáng)梁等零部件，韓國(guó)現(xiàn)代集團(tuán)生產(chǎn)的轎車(chē)系列中也有應(yīng)用。隨著軋鋼工藝技術(shù)的不斷進(jìn)步，熱軋薄板的性能正向冷軋板接近，使“以熱代冷”在技術(shù)上得以實(shí)現(xiàn)。據(jù)國(guó)外統(tǒng)計(jì)，厚度大于1.2mm的熱軋帶鋼可取代冷軋鋼總量的21％，厚度大于1.0mm的熱軋帶鋼可取代冷軋帶鋼總量的34％，熱軋酸洗板替代部分冷軋板和熱軋板，正成為一種趨勢(shì)。

國(guó)內(nèi)在一些轎車(chē)上如一汽捷達(dá)、奧迪系列、馬自達(dá)6等車(chē)型正逐步應(yīng)用熱軋酸洗板，但在卡車(chē)上批量應(yīng)用酸洗板尚屬空白，而這些轎車(chē)應(yīng)用的熱軋酸洗板大部分為進(jìn)口材料，2008年以前由于國(guó)內(nèi)需求少，國(guó)內(nèi)專(zhuān)業(yè)酸洗板生產(chǎn)線也比較少，產(chǎn)量較低。隨著汽車(chē)、家電等行業(yè)對(duì)酸洗板需求的增加，國(guó)內(nèi)一些大型鋼廠相繼建成投產(chǎn)了熱軋酸洗板生產(chǎn)線，來(lái)滿(mǎn)足不斷增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求。

一汽解放系列卡車(chē)白車(chē)身在鋼板選材上，依舊采用傳統(tǒng)選材方案，以低碳冷軋板為主提高白車(chē)身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，仍主要采用增加板材厚度的手段。卡車(chē)白車(chē)身由各個(gè)總成通過(guò)焊接組裝而成，因各部件承載、功能不同，對(duì)材料要求也不同。根據(jù)車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，為了達(dá)到節(jié)能、降重、降成本的目的，研究應(yīng)用熱軋酸洗板用來(lái)制造車(chē)身梁類(lèi)等骨架件，既提高強(qiáng)度、加強(qiáng)安全性，又降低了成本。使整個(gè)白車(chē)身材料得到優(yōu)選設(shè)計(jì)，從而達(dá)到實(shí)現(xiàn)提高卡車(chē)白車(chē)身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、降低成本的目的。

酸洗板研究和應(yīng)用的預(yù)期目標(biāo)

技術(shù)目標(biāo)是在批量生產(chǎn)的前提條件下，沖壓件廢品率不高于千分之三。材料強(qiáng)度比低碳冷軋板提高15％～20％左右，伸長(zhǎng)率達(dá)到零件成形要求，零件涂漆質(zhì)量達(dá)到產(chǎn)品要求。

經(jīng)濟(jì)目標(biāo)是現(xiàn)有車(chē)型部分零件實(shí)現(xiàn)酸洗板生產(chǎn)，每噸價(jià)格便宜300～500元，實(shí)現(xiàn)降成本目標(biāo)。

研究思路和解決辦法

根據(jù)目前本廠的現(xiàn)有條件，相關(guān)研究思路包括：分析產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、沖壓工藝性和目前使用的材料特點(diǎn)，選擇部分結(jié)構(gòu)件作為研究和應(yīng)用目標(biāo)；選擇相應(yīng)酸洗板材料牌號(hào)替代原有牌號(hào)，通過(guò)一系列材料試驗(yàn)和工藝試驗(yàn)，驗(yàn)證材料技術(shù)指標(biāo)和工藝適應(yīng)性；選擇零件的品種主要是現(xiàn)有車(chē)型駕駛室地板上1.5～3mm厚的梁類(lèi)零件和保險(xiǎn)杠、大燈支架等。

重點(diǎn)研究和解決的問(wèn)題，包括：

⑴確定預(yù)計(jì)采用熱軋酸洗板材料的機(jī)械性能及化學(xué)成分，進(jìn)行成分優(yōu)化并制定技術(shù)條件要求。

⑵研究零件的沖壓性能與成形極限FLD曲線的關(guān)系。成形極限圖（FLD）表示金屬板材在各種應(yīng)變比時(shí)所能承受的極限應(yīng)變，試驗(yàn)方法是在板料試件表面預(yù)先印制一定形式的密集網(wǎng)格，對(duì)試件進(jìn)行一定應(yīng)變路徑變形至失穩(wěn)或?qū)l(fā)生破裂，判斷測(cè)量失穩(wěn)和破裂網(wǎng)格的最大主應(yīng)變和最小主應(yīng)變，通過(guò)其應(yīng)變比分析應(yīng)變變形所處的區(qū)域。成形極限是判斷和評(píng)價(jià)板材成形性的最為簡(jiǎn)單和直觀的方法，是解決板材沖壓成形問(wèn)題的一個(gè)非常有效的工具。

⑶進(jìn)行普通冷軋板和熱軋酸洗板疲勞對(duì)比試驗(yàn)。

⑷建立CAE模擬平臺(tái)，根據(jù)零件變形特點(diǎn)分類(lèi)，對(duì)變形比較大、成形復(fù)雜的零件進(jìn)行模擬分析，確認(rèn)零件使用酸洗板的可成形性。

⑸利用模擬成形試驗(yàn)結(jié)果，初步確定試驗(yàn)零件品種，指導(dǎo)小批量生產(chǎn)。

⑹與鋼廠合作，小批量訂貨，進(jìn)行小批量工藝試驗(yàn)和試生產(chǎn)。

⑺達(dá)到現(xiàn)有車(chē)型部分梁類(lèi)零件的批量生產(chǎn)。

具體材料試驗(yàn)和工藝試驗(yàn)情況

材料

材料試驗(yàn)與鋼廠、技術(shù)中心和高校聯(lián)合進(jìn)行。

⑴金屬板材的研發(fā)和優(yōu)選。與鋼廠合作，需要對(duì)鋼板的工藝進(jìn)行一定的改進(jìn)，具體包括：在常規(guī)生產(chǎn)工藝的基礎(chǔ)上，適當(dāng)提高M(jìn)n和Als的含量，材料成分設(shè)計(jì)及檢測(cè)見(jiàn)表1；在精煉和軋制過(guò)程中，采取特殊工藝保證得到穩(wěn)定均勻晶粒組織結(jié)構(gòu)；板卷進(jìn)行熱軋平整和酸洗后平整，平整采用恒延伸模式，保證板材板形質(zhì)量的同時(shí)，更好地消除板材殘余應(yīng)力，同時(shí)得到較好的成形性能。經(jīng)過(guò)優(yōu)選后，擬采用熱軋酸洗板BRC1、BRC2、SPHC-RS、SPHD-RS、SPHE-RS等牌號(hào)的鋼板替代部分普通冷軋板ST13、ST14。

⑵材料試驗(yàn)結(jié)果分析。

①力學(xué)性能測(cè)試。通過(guò)對(duì)不同批次不同厚度的樣品進(jìn)行各種力學(xué)性能參數(shù)的檢測(cè)，從其力學(xué)數(shù)據(jù)來(lái)看，熱軋酸洗板屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均高于普通冷軋板，伸長(zhǎng)率均大于35％，可以替代冷軋板。

表1 材料成分設(shè)計(jì)及檢測(cè)

②模擬成形試驗(yàn)。

板料的擴(kuò)孔試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。杯突試驗(yàn)是試樣尺寸選取90mm×500mm，壓邊力設(shè)定值10kN，試驗(yàn)速度10mm/min，凸模鋼球直徑φ為20mm。表3是1#樣板杯突試驗(yàn)結(jié)果，板厚為1.5mm，試驗(yàn)方法按GB 4156，表4是2#樣板杯突試驗(yàn)結(jié)果，板厚為2.0mm，試驗(yàn)方法按GB 4156。擴(kuò)孔試驗(yàn)以及杯突試驗(yàn)的數(shù)據(jù)均證明，熱軋板材料具有良好的成形性能，能夠滿(mǎn)足沖壓件的加工需求。

表2 板料的擴(kuò)孔試驗(yàn)結(jié)果

表3 1#樣板杯突試驗(yàn)結(jié)果

表4 2#樣板杯突試驗(yàn)結(jié)果

圖1 加工試樣尺寸

成形性能試驗(yàn)。對(duì)于成形極限圖，按照GB/T 15825.8-1995《金屬薄板成形性能與試驗(yàn)方法 成形極限圖（FLD）試驗(yàn)》的技術(shù)要求，將板料按圖1所示的尺寸加工成所需的成形極限試驗(yàn)試樣，在BHB-80通用板材成形性能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，凸模速度為20mm/min，壓邊力為80kN，成形極限試驗(yàn)件如圖2所示，不同牌號(hào)的成形極限值見(jiàn)圖3。成形性能分析結(jié)果：SPHD-RS熱軋酸洗板成形性能優(yōu)于ST13，BRC1熱軋酸洗板成形性能與冷軋板ST14相當(dāng)。

拉伸疲勞試驗(yàn)，按照GB/T 228-2002金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法進(jìn)行，通過(guò)30萬(wàn)次疲勞試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力水平對(duì)比，熱軋酸洗板的應(yīng)力水平高于普通冷軋板。

圖2 成形極限試驗(yàn)件

圖3 FLD曲線

零件的選擇及工藝試驗(yàn)

卡車(chē)駕駛室中因各部件承載、功能、位置的不同，對(duì)材料的要求也不同。熱軋酸洗板具有較好的表面質(zhì)量、厚度公差、加工性能，同時(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)也表明，研發(fā)的熱軋酸洗板在保證成形性的同時(shí)，強(qiáng)度也有提高。在理論上，熱軋酸洗板是完全可以滿(mǎn)足普通梁類(lèi)及加強(qiáng)板類(lèi)零件對(duì)材料的要求。本廠重點(diǎn)選擇了現(xiàn)生產(chǎn)車(chē)型中地板梁、保險(xiǎn)杠、加強(qiáng)支架等零件進(jìn)行工藝試驗(yàn)，對(duì)成形較復(fù)雜的零件提前做了CAE模擬分析，見(jiàn)圖4。分別進(jìn)行了沖壓、焊接和涂裝的現(xiàn)場(chǎng)工藝試驗(yàn)，沖壓主要是驗(yàn)證成形性和對(duì)模具的適應(yīng)性，焊裝主要驗(yàn)證焊接性能及對(duì)焊接參數(shù)的影響，涂裝主要驗(yàn)證涂漆質(zhì)量和漆后表面質(zhì)量是否有明顯變化，特別是保險(xiǎn)杠零件屬外部零件，不能出現(xiàn)明顯的區(qū)別與變化。對(duì)于沖壓進(jìn)行了多輪試驗(yàn)，為保證不影響正常生產(chǎn)，原則上是對(duì)原有工藝和模具不做大的改動(dòng)。對(duì)焊裝和涂裝的試驗(yàn)結(jié)果表明，酸洗板對(duì)焊裝沒(méi)有明顯影響，酸洗板表面的涂油油膜完全能在涂裝前處理洗掉，對(duì)涂裝質(zhì)量同樣沒(méi)有影響。對(duì)于外表面件保險(xiǎn)杠，也與冷板件漆后狀態(tài)進(jìn)行了相應(yīng)的比較，沒(méi)有明顯區(qū)別，可以接受。

圖4 CAE模擬分析結(jié)果對(duì)比

酸洗板應(yīng)用情況

綜合材料檢驗(yàn)試驗(yàn)和工藝試驗(yàn)結(jié)果，總的情況是酸洗板較冷軋板強(qiáng)度指標(biāo)好，塑性較冷軋板稍差，表面質(zhì)量也不如冷軋板，不同廠家材料表現(xiàn)出的性能和特點(diǎn)也不一樣。但總的來(lái)說(shuō)，酸洗板完全可以用來(lái)沖制成形不是很復(fù)雜的橫梁、支架等內(nèi)部零件。前期工藝試驗(yàn)情況良好的零件都已投入批量生產(chǎn)，共有零件30種，每年可降成本約200萬(wàn)元。

經(jīng)驗(yàn)分享及遺留問(wèn)題

經(jīng)驗(yàn)分享

用熱軋酸洗板替代部分普通冷軋板，可以有效降低成本。材料開(kāi)發(fā)應(yīng)用方面，要加強(qiáng)與技術(shù)中心、鋼廠和科研院校的合作，充分利用各方面的有利資源，縮短試制周期，提高工作效果和效率。本試驗(yàn)借助計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）分析手段，對(duì)所設(shè)計(jì)的零件在計(jì)算機(jī)上模擬板料沖壓成形的全過(guò)程，判斷產(chǎn)品設(shè)計(jì)和沖壓工藝方案的合理性，顯著地減少試模次數(shù)，縮短新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，并降低開(kāi)發(fā)成本。

遺留問(wèn)題

目前所生產(chǎn)的以熱帶冷的零件都是生產(chǎn)中的零件，模具和工藝都是在冷軋板情況下進(jìn)行調(diào)試和穩(wěn)定生產(chǎn)，第一批只投產(chǎn)了試驗(yàn)效果很好的零件，但因?yàn)槟＞郀顟B(tài)不好影響試驗(yàn)效果，有個(gè)別成形性復(fù)雜的零件出現(xiàn)了輕微裂紋和縮頸現(xiàn)象，為了不引起零件質(zhì)量的波動(dòng)，今后將會(huì)進(jìn)一步完善沖壓工藝和模具狀態(tài)，逐步實(shí)現(xiàn)這部分沖壓件的以熱帶冷。

結(jié)束語(yǔ)

目前的工作，僅限于現(xiàn)有產(chǎn)品的替代，今后應(yīng)該進(jìn)一步加強(qiáng)與技術(shù)中心產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員的合作。在新車(chē)型設(shè)計(jì)中，確定使用熱軋酸洗板零件品種，降低整車(chē)重量，同時(shí)沖壓件從開(kāi)始準(zhǔn)備時(shí)就采用酸洗板，更有利于零件的質(zhì)量和工藝的穩(wěn)定。