高強(qiáng)度鋼板在微車梁類件的沖壓應(yīng)用

文/徐偉·一汽吉林汽車有限公司

高強(qiáng)度鋼板在微車梁類件的沖壓應(yīng)用

文/徐偉·一汽吉林汽車有限公司

徐偉，高級(jí)工程師，沖壓技術(shù)主管一汽沖壓專家；負(fù)責(zé)森雅車型、佳寶V80車型、R020 SUV車型沖壓生產(chǎn)準(zhǔn)備（包括工藝方案確定、模具驗(yàn)收等）。

隨著全球能源的緊張，節(jié)能、環(huán)保成為未來汽車的主要發(fā)展方向，而輕量化則是節(jié)能最基本的手段。研究顯示，若汽車整車重量降低10%，燃油效率可提高6%～8%；汽車車重每減少100kg，百公里油耗可降低0.3～0.6L。由于高強(qiáng)度板的應(yīng)用是汽車輕量化的最佳解決方案，各汽車生產(chǎn)廠都非常重視。微車轎車化，白車身高強(qiáng)度化、輕量化是當(dāng)前微型汽車發(fā)展的趨勢，目前高強(qiáng)度鋼板技術(shù)在國內(nèi)的各微型車企業(yè)都已陸續(xù)得到應(yīng)用。

近幾年，高強(qiáng)度鋼板在微車中應(yīng)用越來越多，五菱等廠家部分車型的縱梁、加強(qiáng)板等件都采用了高強(qiáng)鋼板。高強(qiáng)度鋼板在吉林汽車的應(yīng)用發(fā)展也較快，部分車型的車門外板及發(fā)動(dòng)機(jī)罩板采用H180烘烤硬化高強(qiáng)度鋼板成形，外板厚度從0.8mm降低到0.7mm，降低重量13%以上；在結(jié)構(gòu)件及加強(qiáng)件應(yīng)用方面，森雅、佳寶V80車型縱梁及部分加強(qiáng)件采用高強(qiáng)度鋼板成形；SUV車型大量采用高強(qiáng)度鋼板成形，應(yīng)用比例已達(dá)到39%以上。但是，高強(qiáng)度鋼板的抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度比普通鋼板高很多，零件成形性較差，缺陷解決起來很困難，特別是U形梁類件的回彈、扭曲等缺陷。本文以典型梁類件作為研究對象提出了質(zhì)量缺陷（特別是回彈）的解決對策。

高強(qiáng)度鋼板定義、分類及性能指標(biāo)

高強(qiáng)度鋼板是一個(gè)相對的概念，國際鋼鐵協(xié)會(huì)先進(jìn)高強(qiáng)鋼應(yīng)用指南第三版中將屈服強(qiáng)度為210～550MPa的鋼定義為高強(qiáng)度鋼，小于210MPa的為軟鋼，超過550MPa的超高強(qiáng)度鋼，汽車用鋼板的屈服強(qiáng)度與延伸率的關(guān)系如圖1所示。高強(qiáng)鋼分為傳統(tǒng)高強(qiáng)鋼和先進(jìn)高強(qiáng)鋼，傳統(tǒng)高強(qiáng)鋼主要包括碳-錳（CMn）鋼、烘烤硬化（BH）鋼、無間隙原子（HSSIF）鋼和高強(qiáng)度低合金(HSLA）鋼等；先進(jìn)高強(qiáng)鋼主要包括雙相（DP）鋼、相變誘導(dǎo)塑性（TRIP）鋼、馬氏體(Mart）鋼、復(fù)相（CP）鋼、熱成形（HF）鋼等。圖1中，IF為無間隙原子鋼，Mild為低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼，TWIP為孿晶誘發(fā)塑性鋼，Stainless為不銹鋼，B steel為熱沖壓用鋼。從圖中可知，隨著強(qiáng)度的提高，各類鋼的塑性明顯下降，但由于強(qiáng)化機(jī)制的不同，在強(qiáng)度提高的同時(shí)，塑性下降的程度也不同。由于汽車車身零件多采用沖壓成形，塑性是汽車鋼板的重要性能。因此，具有強(qiáng)度和塑性綜合優(yōu)良性能的鋼種成為高強(qiáng)鋼的發(fā)展趨勢。

圖1 汽車用鋼板的屈服強(qiáng)度與延伸率的關(guān)系圖

表1

高強(qiáng)度鋼板所表現(xiàn)的力學(xué)性能是擁有較高的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度，成形力隨著拉延深度的增加而急劇增加，回彈量也隨之相應(yīng)增加；高強(qiáng)度鋼板的材料延伸率小、塑性差，成形困難、容易開裂，成形后回彈大且回彈數(shù)值不易控制；高強(qiáng)度鋼板的材料剪切強(qiáng)度高，剪切力增加。高強(qiáng)鋼板和普通低碳鋼板性能比較見表1。由表1可以看出，高強(qiáng)鋼板的σs和σb比低碳鋼板高很多，但n值和r值較低。因此，高強(qiáng)度鋼板的成形性能比低碳鋼板差。高強(qiáng)度鋼板雖與低碳鋼板一樣具有破裂和起皺問題，但由于σs和σb高，n值和r值低，影響貼模性的幾何面缺陷更為突出。因此，要保證高強(qiáng)度鋼板的沖壓質(zhì)量，不僅要避免破裂和起皺問題，更重要的是要想辦法解決回彈問題。

梁類件成形缺陷產(chǎn)生原因及解決措施

由于高強(qiáng)度鋼板具有抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度高、塑性低、成形困難等特點(diǎn)，所以高強(qiáng)度鋼板梁類件成形存在的主要缺陷有：形狀及尺寸精度不良、制件開裂和起皺、零件拉毛及模具損傷等。

零件形狀、尺寸精度不良

⑴產(chǎn)生原因。形狀及尺寸精度不良的主要表現(xiàn)有側(cè)壁回彈（圖2）、側(cè)壁內(nèi)凹（圖3）和型面扭曲變形（圖4）問題。圖2中，彎曲棱線的二個(gè)面的夾角角度和模具型面角度不同；圖3側(cè)壁面變成帶有曲率面；圖4與縱向軸垂直的二個(gè)斷面發(fā)生回轉(zhuǎn)。高強(qiáng)度鋼板梁類件彎曲成形中，材料在彎曲圓角外部產(chǎn)生拉伸應(yīng)力，而內(nèi)部產(chǎn)生壓縮應(yīng)力。因此，在零件脫模后，由于存在彈性變形和板厚內(nèi)外應(yīng)力釋放，即發(fā)生力矩，從而產(chǎn)生角度變化，發(fā)生回彈。如果零件各部位形狀不同，不平衡殘余應(yīng)力產(chǎn)生扭曲力矩，造成零件扭曲等成形缺陷，從而導(dǎo)致零件形狀不合格（圖5）。零件形狀、尺寸精度不良主要有以下影響因素：

1）凸凹模圓角半徑。凸模圓角半徑越小，角度變化越小（圖6），反之亦然。因?yàn)?，?dāng)凹模圓角半徑變大時(shí)，彎曲支點(diǎn)間距離大，在初期成形過程形成的彎曲范圍擴(kuò)大，這個(gè)被彎曲的范圍，隨著成形的進(jìn)展，被彎曲回復(fù)而彈出。

2）凸凹模間隙。U形件凸凹模的間隙增加時(shí)，在成形最終階段，由于材料和沖模形狀不服貼，角度變大。因此，只有保證凸模和凹模間隙，才能保證沖壓件質(zhì)量的穩(wěn)定。

圖2 側(cè)壁回彈示意圖

圖3側(cè)壁內(nèi)凹示意圖

圖4 型面扭曲示意圖

圖5縱梁回彈分析示意圖

圖6 凸凹模圓角半徑示意圖

3）產(chǎn)品形狀。U形件彎曲角度越大，角度變化就越大。由于減小材料向凸模圓角處的卷繞角度，從而造成回彈發(fā)生區(qū)域增大，成形高度越高，回彈也就越大。

4）產(chǎn)品材質(zhì)。隨著抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度的增加，板厚表里應(yīng)力的彎曲力矩也呈線性增加，回彈就越大。板料越薄，零件剛性越差，角度變化也就越大。

⑵解決措施。模具制造主要分為產(chǎn)品SE工程、工藝設(shè)計(jì)、模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工、裝配和調(diào)試等步驟，側(cè)壁回彈、內(nèi)凹、扭曲變形是高強(qiáng)度鋼板成形缺陷中最難解決的問題，必須從模具制造的全過程進(jìn)行控制，才有可能最終解決問題。

1）在產(chǎn)品SE階段，仔細(xì)審查產(chǎn)品沖壓工藝性。

2）沖壓工藝方案的控制。沖壓工藝設(shè)計(jì)是影響零件最終品質(zhì)的關(guān)鍵因素。以某車型左右中縱梁為例（圖7），該零件材質(zhì)為DP590，料厚為2.0mm，屈服強(qiáng)度σs≥340MPa，抗拉強(qiáng)度σb≥590MPa。工藝方案設(shè)計(jì)如下：①?zèng)_壓工藝分析。該件位于車架中段，是重要的承載部件。因此，該件必須具有較好的剛性和強(qiáng)度，不得存在褶皺、裂紋、扭曲等缺陷。該零件長度達(dá)2000mm以上，型面高度差大，是典型的幾字形形狀。由于一端部斷面沒有凸緣，左側(cè)斷面不對稱，在前后方向零件左右端頭存在明顯的錯(cuò)位特征，所以極易導(dǎo)致拉延后的零件在前后向出現(xiàn)扭曲?？深A(yù)測該件成形時(shí)出現(xiàn)回彈、側(cè)壁內(nèi)凹、型面扭曲的可能性很大，因此在設(shè)計(jì)沖壓工藝方案時(shí)，必須考慮缺陷的解決方案，在這里主要考慮通過拉延和整形工序來消除缺陷。由于拉延是解決高強(qiáng)度鋼板零件回彈和扭曲的基礎(chǔ)，整形則是回彈和扭曲后序必要的解決手段，通過整形可對殘余應(yīng)力區(qū)實(shí)施應(yīng)力改造，使應(yīng)力達(dá)到平衡或使因殘余應(yīng)力導(dǎo)致的變形在許可范圍之內(nèi)。②拉延工序：由于高強(qiáng)度鋼板加工硬化的特點(diǎn)，因此考慮在一次成形工序中把制件幾何形狀全部成形出來，然后通過后續(xù)修邊及側(cè)修邊把多余的工藝補(bǔ)充部分修掉；工藝補(bǔ)充采取臺(tái)階式，臺(tái)階式拉延是在拉延模具臺(tái)肩部分設(shè)定臺(tái)階形狀，在成形終期，通過把這個(gè)臺(tái)階形狀進(jìn)行成形，對縱壁附加較大的張力，使板料充分變形，所以能夠減小回彈和壁翹曲（圖8）；在工藝補(bǔ)充部分保證拉延深度基本一致，這樣材料流動(dòng)比較均勻；采用合適的拉延凹?？趫A角；工藝參數(shù)采用較大的壓邊力。③整形工序：采取斜楔側(cè)整形方式，由于材料性能參數(shù)等因素影響，現(xiàn)在的CAE分析手段還不能十分準(zhǔn)確地預(yù)測回彈，在調(diào)試階段進(jìn)行回彈調(diào)整是必然的，而采取斜楔側(cè)整形非常有利于后期的回彈調(diào)整；側(cè)壁考慮回彈補(bǔ)償；整形區(qū)域?yàn)閭?cè)壁、法蘭面及圓角，斷面兩側(cè)整形區(qū)域完全對稱，保證受力平衡。④其他工序考慮定位方式、廢料排除、壓料板強(qiáng)度等分兩序修邊、沖孔。綜上所述，設(shè)計(jì)工藝方案流程為：拉延（OP10）→修邊沖孔、斜修邊（OP20）→斜整形（OP30）→修邊、沖孔、側(cè)沖孔、側(cè)修邊（OP40）。

3）采用合理的模具結(jié)構(gòu)（圖9～11）。①工作部位采用鑲塊結(jié)構(gòu)，且鑲塊要全部增加靠背。②拉延模采用合適的拉延筋結(jié)構(gòu)。③整形凹模采用壓料結(jié)構(gòu)，保證制件底面在成形或整形過程中處于強(qiáng)壓狀態(tài)，防止制件竄動(dòng)，有利于控制制件扭曲。④拉延、整形模具鑲塊采用試制鑲塊。由于高強(qiáng)度鋼板模具回彈調(diào)整比較困難，模具調(diào)試時(shí)需多次調(diào)整逐漸修正，在調(diào)整中難免進(jìn)行反復(fù)燒焊等修改；另外高強(qiáng)度鋼板的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度高，導(dǎo)致在試模時(shí)鑲塊磨損會(huì)很嚴(yán)重，因此模具的制造過程需要試制鑲塊。在回彈穩(wěn)定和確定之后，對試制鑲塊做逆向掃描，再用掃描的數(shù)據(jù)加工正式模具鑲塊進(jìn)行精調(diào)。⑤模具工作部位材質(zhì)的選擇。由于高強(qiáng)度鋼板強(qiáng)度高，需要更高的壓邊力、成形力及剪切力，這就要求模具工作部位的材質(zhì)要具有更高的硬度、更好的抗磨損性能、更高的強(qiáng)度。因此，拉延凹模鑲塊、壓料圈鑲塊及整形凹模鑲塊及修邊鑲塊采用Cr12MoV（SKD11）材質(zhì)整體淬火，且拉延模具鑲塊進(jìn)行表面硬化處理。

圖7 中縱梁產(chǎn)品示意圖

圖8 臺(tái)階式工藝補(bǔ)充示意圖

4）保證好的裝配質(zhì)量。注意模具鑲塊的裝配質(zhì)量，即使是試制鑲塊，這將有利于正式模具的調(diào)試；注意檢查鑲塊的貼合率，避免成形過程中鑲塊活動(dòng)，這是控制回彈和回彈補(bǔ)償估計(jì)的關(guān)鍵。

5）調(diào)試。調(diào)試注意以下三個(gè)方面：拉延圓角和拉延筋的研配；壓料面研配著色率必須達(dá)到90%以上；零件測量的基準(zhǔn)選擇要一致，以便回彈的可對比性。

6）制件整改。準(zhǔn)確模擬高強(qiáng)度鋼板的回彈是非常困難的，實(shí)際調(diào)試時(shí)制件往往需要經(jīng)過多輪整改才能滿足要求：根據(jù)實(shí)際出件檢測結(jié)果（檢具或白光掃描），綜合分析回彈偏差值，確定控制相關(guān)特征點(diǎn)，篩選出平均偏差值，采取反向點(diǎn)云回彈補(bǔ)償方法進(jìn)行回彈補(bǔ)償修改。

圖10 修邊、沖孔模具圖

圖11 斜整形模具圖

制件開裂和起皺

⑴產(chǎn)生原因。高強(qiáng)度鋼板由于強(qiáng)度高，塑性降低，拉延時(shí)需要較大的壓邊力且需靠壓料面控制走料，壓料面及拉延筋不能有效控制材料流動(dòng)，易造成制件起皺現(xiàn)象發(fā)生；在連續(xù)生產(chǎn)時(shí)，模具溫度升高且阻力變大，由于進(jìn)料困難造成拉裂。另外，由于脹形斷裂極限和拉伸翻邊斷裂極限下降，成形時(shí)易產(chǎn)生裂紋。

⑵解決措施。高強(qiáng)度鋼板由于強(qiáng)度高，成形性能較差，通過傳統(tǒng)工藝解決開裂和起皺的矛盾問題很困難，現(xiàn)在采用的主要手段是通過好的產(chǎn)品設(shè)計(jì)來減少兩方面矛盾的風(fēng)險(xiǎn)。具體做法是在產(chǎn)品SE階段，根據(jù)工藝經(jīng)驗(yàn)結(jié)合CAE模擬分析，找出產(chǎn)生皺裂的部位，適當(dāng)加大破裂部位的圓角或增加拔模角度，對起皺的部位采取增加吸料筋、包邊等措施，產(chǎn)品修改后再進(jìn)行模擬，直到消除缺陷為止。在后期調(diào)試中保證走料部位的光潔度及型面著色率，根據(jù)皺裂的嚴(yán)重程度適當(dāng)調(diào)整起皺部位吸料筋包的大小及破裂部位的圓角或凹模圓角，適當(dāng)調(diào)整壓邊力的大小，基本可以消除缺陷。

零件拉毛及模具損傷

⑴產(chǎn)生原因。對于汽車梁類件而言，零件的拉毛直接影響著汽車的安全性能，較深的拉痕會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，容易引起斷裂，釀成事故。拉毛是在兩個(gè)相對滑移的固體之間產(chǎn)生的一種肉眼可見的表面損傷，通常表現(xiàn)為材料局部粗糙化，在原始表面上產(chǎn)生突出物，而且常伴有物料轉(zhuǎn)移或塑性流動(dòng)或兩者都發(fā)生。拉毛主要是成形過程中板料通過壓料面及凹?？谧吡显斐傻?，連續(xù)加工時(shí)，模具溫度會(huì)升高，零件與模具摩擦阻力加大，進(jìn)而發(fā)生黏著，產(chǎn)生嚴(yán)重的拉毛并使模具表面損傷，造成修模次數(shù)增加。⑵解決措施。主要解決措施如下：1）拉延模具走料部位采用鑲塊結(jié)構(gòu)，材質(zhì)采用硬度高、強(qiáng)度高、耐磨性好的Cr12MoV整體淬火+表面硬化處理；2）采用合理的凸凹模間隙；3）保證拉延模具走料部位表面光潔度。