高強(qiáng)度鋼的冷沖壓成形

文/田路兵，于博立·美嘉華國際公司北京代表處

高強(qiáng)度鋼的冷沖壓成形

文/田路兵，于博立·美嘉華國際公司北京代表處

汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展為國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展起到了重要作用。但受能源短缺、環(huán)境污染等問題的影響，行業(yè)發(fā)展的矛盾也日益凸顯。展望未來，該行業(yè)的發(fā)展只有建立在自然、生態(tài)、節(jié)能、安全的前提下，發(fā)展才可持續(xù)。在這個(gè)行業(yè)背景下，汽車輕量化以及高強(qiáng)鋼的應(yīng)用就成為了重要發(fā)展方向。據(jù)統(tǒng)計(jì)，部分汽車品牌高強(qiáng)鋼的應(yīng)用不斷擴(kuò)大，有些車型的車身框架高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用已達(dá)90%。

隨著高強(qiáng)鋼板材強(qiáng)度的提高，傳統(tǒng)的冷沖壓工藝在成形過程中易產(chǎn)生破裂，無法滿足高強(qiáng)度鋼板的加工工藝要求。目前國內(nèi)外都在研究超高強(qiáng)度鋼板的熱沖壓成形技術(shù)，這是綜合了成形、傳熱及組織相變的一種新工藝，主要是利用高溫奧氏體狀態(tài)下板料的塑性增加、屈服強(qiáng)度降低的特點(diǎn)，通過模具進(jìn)行成形的工藝。但是熱成形需要對(duì)工藝條件、金屬相變、CAE分析技術(shù)進(jìn)行深入研究，目前該技術(shù)主要掌握在國外幾家企業(yè)手中，國內(nèi)技術(shù)發(fā)展緩慢。

高強(qiáng)鋼材料特點(diǎn)及成形分析

據(jù)美國鋼鐵學(xué)院能量部的研究，即使高強(qiáng)度鋼降低部分?jǐn)?shù)值，拉伸還是要比傳統(tǒng)的冷軋板困難得多，高強(qiáng)鋼的延展率只有普通鋼材的50%。同時(shí)材料沖壓成形時(shí)硬度加大，不同的鋼材硬度加大的程度也不同，見表1。一般高強(qiáng)度低合金鋼只增加了20MPa，不到10%。而雙相鋼的屈服強(qiáng)度增加了140MPa，增加了40%多。金屬在成形過程中，因?yàn)槭芰η?qiáng)度增加很多。材料較高的屈服應(yīng)力與加工硬化相互疊加，使流動(dòng)應(yīng)力大大增加。因此，開裂、回彈、起皺、工件尺寸、模具磨損、微焊接磨損（圖1）等成為了高強(qiáng)鋼成形過程中的問題焦點(diǎn)。

表1 不同鋼材材料硬度加大程度

圖1 高強(qiáng)鋼成形中的問題焦點(diǎn)

基于高強(qiáng)鋼材質(zhì)特點(diǎn)和成形特性，如果不能改變金屬流動(dòng)和減少摩擦，那么高強(qiáng)度鋼（HSS）的開裂和質(zhì)地不均都可能會(huì)引起產(chǎn)品報(bào)廢率的上升。這種材料所具有的屈變力提高、回彈增強(qiáng)、加工硬化傾向以及升高的成形溫度下運(yùn)行，對(duì)于任何模具來說都是一個(gè)挑戰(zhàn)。

潤滑技術(shù)對(duì)高強(qiáng)鋼成形的重要影響

潤滑技術(shù)影響成形性這是不爭的事實(shí)，而優(yōu)異的潤滑劑可提供一層高性能膜以保護(hù)金屬免于斷裂、壓裂或被焊接到模具上。不僅如此，優(yōu)異的潤滑劑還能減少摩擦熱量，使金屬流向不間斷并很好地控制起皺或斷裂。基于此，美國IRMCO公司作為世界知名從事潤滑研究制造的專業(yè)公司，30年前就已成功研發(fā)出可以解決高強(qiáng)鋼的成形問題的新型水基潤滑產(chǎn)品。筆者結(jié)合多年的研究和使用，從潤滑技術(shù)與產(chǎn)品的潤滑特點(diǎn)的角度進(jìn)行分析。

嚴(yán)酷條件下的潤滑保障

⑴高強(qiáng)鋼本身屈服力較大，在屈服的過程中，比一般板材需要更多的能量，這種能量除了變形以外很大程度上是板材與模具間的推撞（摩擦）。隨著金屬在沖壓模具中變形溫度的不斷升高，油基潤滑油都會(huì)變薄，有些情況下會(huì)達(dá)到閃點(diǎn)或者燒著（冒煙），導(dǎo)致潤滑失效。而IRMCO高分子聚合物極溫潤滑劑中含有抗極壓物和“熱尋性”，并會(huì)粘結(jié)到金屬上，隨著溫度的升高在模具和板材表面形成一層堅(jiān)韌的保護(hù)屏障，從而有效降低摩擦和溫度，幫助工件更好的延展成形，以此控制摩擦和金屬流動(dòng)。與此同時(shí)，保護(hù)金屬不會(huì)過熱、發(fā)黑拉裂和粘接，如圖2所示。根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)中的情況，在實(shí)驗(yàn)室里復(fù)制現(xiàn)場。不同配方的油基和常規(guī)的肥基潤滑劑，在高強(qiáng)鋼上很難正常工作，廢品率和模具磨損（擦傷）情況嚴(yán)重。不同潤滑劑的應(yīng)用情況如圖3所示。

圖2 IRMCO潤滑劑與傳統(tǒng)潤滑產(chǎn)品的性能對(duì)比

圖3 不同潤滑劑在實(shí)際生產(chǎn)過程中的使用對(duì)比

美國綠葉技術(shù)實(shí)驗(yàn)室對(duì)IRMCO產(chǎn)品和汽車行業(yè)中通過認(rèn)證的拉伸油品及合成潤滑劑，在美國型號(hào)為DP780的超高強(qiáng)度鋼上進(jìn)行了成形實(shí)驗(yàn)對(duì)比。具體采用了俄亥俄州立大學(xué)的茵特拉根(Interlaken)拉伸成形測試法，這種方法被證實(shí)用于測試后與實(shí)際結(jié)果非常接近。IRMCO達(dá)到的數(shù)值是145，相比汽車行業(yè)通過認(rèn)證拉伸油品的115和合成潤滑劑的110，超過了25%，見圖4，數(shù)值越大說明成形能力越好。

⑵由于沖壓過程中會(huì)產(chǎn)生溫度，同時(shí)由于油的熱容量比較大，熱擴(kuò)散比較差。而IRMCO水基潤滑劑因溫度產(chǎn)生形成水蒸氣帶走熱量，不但有效地降低了溫度，保護(hù)了模具，而且因溫度所產(chǎn)生的微焊接磨損將得到有效的控制。同時(shí)還可以提高沖次。

工具涂層的性能與潤滑劑質(zhì)量的關(guān)系

圖4 不同潤滑劑的茵特拉根(Interlaken)拉伸成形測試結(jié)果對(duì)比

傳統(tǒng)的物理氣相沉淀（PVD）和化學(xué)氣相沉淀兩種涂層（CVD）外部都需要潤滑發(fā)揮最大性能。IRMCO公司認(rèn)為熱擴(kuò)散工藝可以減少摩擦磨損，通過熱擴(kuò)散產(chǎn)生的碳化釩可形成耐久、堅(jiān)硬的表面，在苛刻的成形過程和模具磨損過程中，會(huì)極大地提高工具使用壽命。如果潤滑劑無法承受高溫、磨損和先進(jìn)高強(qiáng)鋼的加工硬化特性，潤滑劑的價(jià)值就會(huì)大幅降低。因此，使用可滿足高強(qiáng)鋼需求的潤滑劑，是達(dá)到涂層使用壽命最大化的關(guān)鍵。

根據(jù)IRMCO公司的先進(jìn)技術(shù)與多年的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，高強(qiáng)鋼沖壓模具無需花費(fèi)高昂的涂層費(fèi)用，就可滿足生產(chǎn)需要，并延長模具壽命?？梢哉f，IRMCO潤滑技術(shù)對(duì)模具的保護(hù)作用。沖壓三千個(gè)工件后，工件表面質(zhì)量及模具表面得到明顯的改觀（表面劃痕明顯減少）。

高性能潤滑使工件質(zhì)量更加穩(wěn)定

模具間隙及模具的幾何設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)工件尺寸精度的重要內(nèi)容，這也決定了對(duì)潤滑劑的要求。間隙越小、越緊，摩擦力越大，對(duì)潤滑劑的要求也就越高，但工件的成形精度也相對(duì)越高。IRMCO公司的潤滑劑可以有效的控制摩擦和金屬流動(dòng)，可以保證工件質(zhì)量更加穩(wěn)定。

IRMCO在部分高強(qiáng)鋼部件上的應(yīng)用

某大型底盤件企業(yè)生產(chǎn)的控制臂（NMS搖臂），板材材質(zhì)為FB780，厚度為4mm，七工位級(jí)進(jìn)模生產(chǎn)，使用IRMCO潤滑產(chǎn)品進(jìn)行測試。在保證工件質(zhì)量的同時(shí)，同等環(huán)境條件下與油基潤滑劑比較，模具工作溫度下降10～20℃。在此需要重點(diǎn)說明的是，溫度降低意味著摩擦力的減小，不僅可以保護(hù)模具還可以提高沖次，生產(chǎn)出來的產(chǎn)品如圖5所示。

圖5 使用IRMCO潤滑產(chǎn)品生產(chǎn)出的產(chǎn)品

建立在IRMCO潤滑劑應(yīng)用下新工藝流程

IRMCO潤滑劑的高性能不僅可以解決高強(qiáng)鋼、重沖、深拉伸等成形問題，還可減少潤滑油50%～75%的用量，并對(duì)沖壓行業(yè)的生產(chǎn)工藝帶來重大改善和優(yōu)化，以減少更多能源、資源的消耗和對(duì)環(huán)境的污染，優(yōu)化后的工藝如圖6所示。

⑴沖壓成形。IRMCO潤滑劑和滲碳模具兼容，所含聚合物的熱尋性，在沖壓溫度升高時(shí)強(qiáng)效保證潤滑膜層，降低了模具的工作溫度，延長了模具壽命，同時(shí)可有效提高沖次和工件表面質(zhì)量。

⑵焊點(diǎn)焊接。不需任何處理就可直接進(jìn)行焊接，不會(huì)產(chǎn)生虛焊、假焊，也不會(huì)產(chǎn)生有毒油煙和刺激異味，可以減少至少25%的焊接煙霧。不僅極大提高了工作效率，而且保證了工人的安全和工件潔凈并利于搬運(yùn)，節(jié)省手套、棉紗等用量。

⑶常溫水洗?？梢允褂?6.7～43℃清水進(jìn)行清洗，大幅度降低能耗，使清潔池內(nèi)減少75%的沉淀物和75%的清洗用水，并可直接排放達(dá)到對(duì)魚類無害的標(biāo)準(zhǔn)水質(zhì)，污水排放量的減少同時(shí)使得處理費(fèi)用也降低了。

⑷磷化處理。易清洗的特點(diǎn)，可使工件達(dá)到高清潔度，全面提高磷化效果。

⑸電泳涂裝。IRMCO潤滑劑和電泳漆兼容，能有效提高工件清潔度并增強(qiáng)電泳涂裝的質(zhì)量。

⑹面漆噴漆。IRMCO潤滑劑與電烤漆、粉漆完全兼容，工件的高清潔度提高了噴漆附著力，噴漆可以更薄。同時(shí)，噴漆表面無氣孔、流淌現(xiàn)象。

圖6 IRMCO潤滑劑應(yīng)用下的新工藝

結(jié)束語

金屬成形行業(yè)面臨著越來越多的變化，同時(shí)也面臨著諸多的問題。新的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，金屬成形潤滑劑只占生產(chǎn)總成本的約0.5%，但其直接關(guān)聯(lián)80項(xiàng)費(fèi)用并影響總成本70%的費(fèi)用調(diào)整，油品選用不當(dāng)會(huì)至少增加10%的生產(chǎn)成本，一個(gè)看似在生產(chǎn)天枰上無法稱重的物質(zhì)卻決定著整個(gè)生產(chǎn)價(jià)值鏈。無論是工件的成形質(zhì)量及廢品、模具壽命、生產(chǎn)效能、大量的脫脂、清洗以及表面處理所需的能耗、還有生產(chǎn)環(huán)境和排污問題等無不與潤滑劑的使用有著直接的關(guān)系。IRMCO公司三十年來一直致力于高性能環(huán)保潤滑劑的開發(fā)與研究，不僅解決了重載、深拉深及高強(qiáng)鋼等板材工件的成形質(zhì)量和模具壽命問題，還在環(huán)保與減少更多資源消耗的方面做了大量的工作。

“精益生產(chǎn)、綠色生態(tài)”是未來汽車制造的發(fā)展趨勢(shì)，IRMCO公司的高性能無油潤滑技術(shù)，就是針對(duì)這一行業(yè)歷史進(jìn)程，進(jìn)行研發(fā)與生產(chǎn)。最終目的是既要識(shí)別生產(chǎn)過程中的浪費(fèi)，優(yōu)化生產(chǎn)過程，同時(shí)還不能止步于生產(chǎn)過程本身，符合社會(huì)效益和公共利益。