第三代高強(qiáng)鋼在汽車應(yīng)用中沖壓特性及回彈研究

李雙一, 趙磊，王光,李衛(wèi)紅, 任曉輝

(1.長城汽車股份有限公司哈弗新技術(shù)中心，河北保定 071000； 2.河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北保定 071000)

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第三代高強(qiáng)鋼在汽車應(yīng)用中沖壓特性及回彈研究

李雙一1，2, 趙磊1，2，王光1，2,李衛(wèi)紅1，2, 任曉輝1，2

(1.長城汽車股份有限公司哈弗新技術(shù)中心，河北保定 071000； 2.河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北保定 071000)

隨著汽車輕量化趨勢的發(fā)展，高強(qiáng)鋼應(yīng)用已成為汽車輕量化的最佳手段。論述了第三代高強(qiáng)鋼中的淬火延性鋼在汽車上的應(yīng)用，將淬火延性鋼的沖壓特性及回彈特性與同級別的第一代高強(qiáng)鋼進(jìn)行了對比試驗(yàn)及分析，并選擇典型車身零部件進(jìn)行仿真模擬分析。結(jié)果表明：淬火延性鋼適合形狀相對復(fù)雜、強(qiáng)度要求高的安全結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)，但回彈較大。通過減少圓角半徑可有效控制回彈量，從而實(shí)施減薄減重，滿足車身輕量化效果。

第三代高強(qiáng)鋼；輕量化；沖壓特性；回彈；仿真分析

0 引言

隨著我國環(huán)境法規(guī)逐步向發(fā)達(dá)國家看齊及新能源汽車的快速發(fā)展，汽車輕量化的研發(fā)已經(jīng)成為汽車企業(yè)發(fā)展的重中之重。實(shí)踐表明：輕量化最直接、最有效、最經(jīng)濟(jì)的方法就是提高汽車高強(qiáng)鋼的應(yīng)用比例，通過薄壁化和優(yōu)化零件結(jié)構(gòu)的方式實(shí)現(xiàn)輕量化[1]。但是隨著高強(qiáng)鋼應(yīng)用量的增加，隨之帶來的問題也顯著增加，其中材料的延展性降低、回彈增加，對汽車生產(chǎn)中的沖壓工序帶來不利影響。因此第三代高強(qiáng)鋼以強(qiáng)度高、吸能性強(qiáng)、塑性適中、冶金穩(wěn)定、價格適中等顯著優(yōu)勢，得到了業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注。

第三代高強(qiáng)鋼中的淬火延性鋼(Quenching and Partitioning Martensite,QP鋼)是近年來興起的高強(qiáng)度、高塑性汽車用材料。QP工藝是基于碳在馬氏體/奧氏體混合組織中擴(kuò)散規(guī)律的一種全新認(rèn)識。工藝特點(diǎn)為鋼在奧氏體化后在馬氏體轉(zhuǎn)變開始

溫度與終了溫度之間的某一溫度進(jìn)行等溫淬火，得到馬氏體與一定數(shù)量的奧氏體組織(5%～15%)。為保證奧氏體在室溫下的穩(wěn)定性，隨后在高于Ms的一定溫度進(jìn)行碳的再分配處理，即板條馬氏體發(fā)生回復(fù)轉(zhuǎn)變，將其中的高碳轉(zhuǎn)移到與其接壤的奧氏體中并冷卻至室溫，形成了一種以馬氏體為基礎(chǔ)相，組織為馬氏體、鐵素體和殘余奧氏體的材料。QP鋼利用殘余奧氏體在變形過程中的TRIP效應(yīng)[2]，可以實(shí)現(xiàn)較高的加工硬化能力，因此可以滿足外形相對復(fù)雜、強(qiáng)度要求相對高的沖壓件，即實(shí)現(xiàn)白車身安全結(jié)構(gòu)件超高強(qiáng)鋼的冷沖壓工藝。

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)內(nèi)容

文中就淬火延性鋼中的典型材料QP980的沖壓特性與回彈特性進(jìn)行相關(guān)研究，試驗(yàn)材料為寶鋼生產(chǎn)，試驗(yàn)類別、項(xiàng)目及試驗(yàn)內(nèi)容如表1所示。

表1 QP980試驗(yàn)類別、項(xiàng)目與內(nèi)容

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 沖壓特性試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 成形極限圖

成形極限圖(FLD)是判斷和評定鋼板成形性的最為簡便和直觀的方法。此次試驗(yàn)選擇QP980進(jìn)行成形極限圖(FLD)的繪制，并選擇同厚度的第一代高強(qiáng)鋼DP780、DP980進(jìn)行成形極限對比。

試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 24171.2-2009 《金屬材料 薄板和薄帶 成形極限曲線的測定》。

試驗(yàn)方法：采用邊長2.5 mm的方網(wǎng)格，用杯突試驗(yàn)機(jī)對頸縮前一時刻對應(yīng)圖像進(jìn)行應(yīng)變計算，選取主應(yīng)變最大點(diǎn)作為試樣極限應(yīng)變點(diǎn)。

獲取的成形極限圖用試驗(yàn)料片如圖1所示，3種材料的成形極限圖如圖2所示，試驗(yàn)結(jié)果表明QP980比DP980具有更高的成形極限；QP980的平面應(yīng)變狀態(tài)點(diǎn)FLD0為 18%，與DP780等同，高于同強(qiáng)度級別的DP980[3]。

圖1 獲取成形極限圖用試驗(yàn)料片

圖2 成形極限圖

2.1.2 擴(kuò)孔試驗(yàn)

極限擴(kuò)孔率λ是衡量高強(qiáng)鋼剪切邊的拉伸(擴(kuò)孔、翻邊)極限的重要指標(biāo)[4]。試驗(yàn)采用錐形沖口的試驗(yàn)方法。由于超高強(qiáng)鋼材料呈現(xiàn)明顯的脆性，試驗(yàn)時若采用力控制法，裂紋易擴(kuò)展造成試驗(yàn)結(jié)果異常偏大，因此保障高強(qiáng)鋼擴(kuò)孔性能精度是關(guān)鍵。進(jìn)行超高強(qiáng)鋼擴(kuò)孔試驗(yàn)時，采用數(shù)字式攝像頭對試驗(yàn)過程進(jìn)行實(shí)時控制，當(dāng)出現(xiàn)目視微小裂紋時即立即停止，極大地保障了擴(kuò)孔率的試驗(yàn)精度。

試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 15825.4-2008 《金屬薄板成形性能與試驗(yàn)方法 第4部分：擴(kuò)孔試驗(yàn)》

試驗(yàn)?zāi)＞叱叽纾簲U(kuò)孔凹模內(nèi)徑Dd=50.9 mm，擴(kuò)孔凹模圓角半徑rd=4.5 mm，擴(kuò)孔凸模直徑dp=40 mm，頭部錐角60°。試樣尺寸為150 mm×150 mm，事先沖壓dpp=10 mm的孔，沖孔過程如圖3所示。

圖3 試樣沖孔過程示意圖

試驗(yàn)采用厚度相同(2.0 mm)的QP980與DP980進(jìn)行對比試驗(yàn)，壓邊力Fc=100 kN，錐頭凸模速度0.2 mm/s。實(shí)驗(yàn)過程如圖4所示，試樣的極限擴(kuò)孔率λ試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

圖4 試樣擴(kuò)孔過程示意圖

鋼種試驗(yàn)值/%平均值/%QP980-2．0mm38．038．032．036．036．0DP980-2．0mm33．531．531．032．032．0

由極限擴(kuò)孔率試驗(yàn)結(jié)果可見：QP980的擴(kuò)孔性能優(yōu)于第一代高強(qiáng)鋼DP980；極限擴(kuò)孔率λ高于DP980約4%。可見QP980的剪切邊拉伸(擴(kuò)孔、翻邊)極限能力要高于DP980。

2.1.3 加工硬化性能

QP鋼中殘余奧氏體的存在，在應(yīng)力松弛狀態(tài)下會誘發(fā)高塑性，并在應(yīng)力作用下會發(fā)生馬氏體相變，發(fā)生TRIP效應(yīng)。那么QP鋼的加工硬化效果由于殘余奧氏體的相變會呈現(xiàn)出與其他鋼種不同的特性嗎？

試驗(yàn)采用INSTRON拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)，試樣標(biāo)距50 mm，應(yīng)變速率0.01 s-1，計算在0～0.15的應(yīng)變范圍內(nèi)所對應(yīng)的n值，獲得瞬時應(yīng)變硬化規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 n值變化曲線

結(jié)果顯示：QP980的n值隨應(yīng)變量呈現(xiàn)先增大后減少的趨勢。原因是鋼中的殘余奧氏體在應(yīng)變開始階段發(fā)生馬氏體相變，使n值上升；隨著鋼中殘余奧氏體數(shù)量的減少，發(fā)生相變所轉(zhuǎn)化的馬氏體減少，n值則不再上升而呈下降趨勢。另外QP980在較高的應(yīng)變范圍內(nèi)仍保持較高的n值，即保持高的均勻應(yīng)變，抑制局部頸縮，因此QP980具有高漲形成形方式。

2.2 彎曲回彈試驗(yàn)與分析

為考察板料的彎曲對回彈的影響[8]，進(jìn)行彎曲回彈試驗(yàn)。試驗(yàn)條件：壓邊力F=50 kN；凸模行程：50 mm；凸模速率：200 mm/min。試驗(yàn)設(shè)備如圖6所示，試樣尺寸采用形狀為300 mm×50 mm的矩形試樣料片進(jìn)行彎曲回彈試驗(yàn),軋制方向垂直于長邊。

利用3D數(shù)字化回彈測量設(shè)備進(jìn)行測量，設(shè)備實(shí)物如圖7所示。其工作原理為：通過3D CaMega微型光學(xué)三維掃描儀，對零件掃描產(chǎn)生點(diǎn)云數(shù)據(jù)；通過 “三維數(shù)據(jù)處理軟件”，生成掃描型面的3D模型，與導(dǎo)入軟件的原始3D模型對齊、對比；通過 “回彈測量軟件”生成回彈量對比結(jié)果。測量軟件的模型匹配圖如圖8所示。

圖6 彎曲回彈試驗(yàn)?zāi)＞邔?shí)物圖

圖7 回彈測量設(shè)備實(shí)物圖

圖8 模型與云圖匹配結(jié)果

彎曲回彈評價參數(shù)的測量方法如圖9所示。Δθ1=θ1-90°，θ1為側(cè)壁角，Δθ1為側(cè)壁回彈角，表征了凸模圓角處的回彈；Δθ2=90°-θ2，θ2為法蘭角，Δθ2為法蘭回彈角，表征了凹模圓角處的回彈；ρ為側(cè)壁曲率半徑，用曲率1/ρ表征側(cè)壁卷曲程度。

圖9 彎曲回彈評價參數(shù)示意圖

為方便試驗(yàn)對比，選取同為980 MPa級別的第一代高強(qiáng)鋼DP980與QP980進(jìn)行對比，其中兩種材料的板料厚度為1.2與1.6 mm兩種規(guī)格。

試驗(yàn)用凹模圓角半徑R分別為2、2.5 mm，共兩套模具。模具設(shè)置拉延筋，試驗(yàn)結(jié)果如圖10—13所示。

圖10 凹模圓角半徑為2 mm時的回彈角

圖11 凹模圓角半徑為2 mm時的曲率

圖12 凹模圓角半徑為2.5 mm時的回彈角

圖13 凹模圓角半徑為2.5 mm時的曲率

2.3 仿真分析與優(yōu)化

選擇某車型的A柱下板加強(qiáng)板進(jìn)行仿真分析，應(yīng)用軟件：AutoForm R5.1，目前厚度為1.4 mm的HC340/590DP材料，現(xiàn)采用厚度1.2 mm的HC600/980QP材料進(jìn)行可成形性分析。仿真結(jié)果如圖14、圖15所示。

圖14 A柱下加強(qiáng)板用QP980成形仿真分析結(jié)果

圖15 A柱下加強(qiáng)板用QP980回彈仿真分析結(jié)果

仿真結(jié)果顯示該零件可安全成形，但零件成形后側(cè)壁及法蘭回彈量較大，如圖15(a)所示。根據(jù)文中回彈分析，將回彈處圓角(凹模圓角半徑)減少15%后再次進(jìn)行仿真分析，則仿真后結(jié)果符合產(chǎn)品尺寸公差要求，回彈量如圖15(b)所示。

通過以上仿真模擬分析可得出以下結(jié)論：

(1)該零件換用1.2 mm HC600/980QP后，零件可安全成形；

(2)替換QP980后材料回彈較大，測得最大法向自由回彈為7.254 mm。減少回彈處產(chǎn)品圓角(凹模圓角)半徑約15%后重新進(jìn)行仿真分析，測得最大法向自由回彈減小至3.232 mm。有效改良了該零件的回彈程度，回彈量在可接受范圍內(nèi)。

3 結(jié)論

沖壓特性：

(1)QP980具有較高的成形極限，平面應(yīng)變狀態(tài)點(diǎn)FLD0與DP780等同，高于同級別的DP980，所以QP980的拉延成形性能優(yōu)于DP980。

(2)QP980的擴(kuò)孔性能優(yōu)于同級別的DP980，極限擴(kuò)孔率λ高于同級別的DP980約4%，所以QP980剪切邊的拉伸(擴(kuò)孔、翻邊)能力要高于DP980。

(3)QP980中含有殘余奧氏體發(fā)生了TRIP效應(yīng)，使加工硬化指數(shù)n發(fā)生了先升后降的現(xiàn)象。且QP980在較高的應(yīng)變量狀態(tài)下仍然能保持較高的n值，即可以保持高的均勻應(yīng)變，抑制局部頸縮，所以QP980具有高漲形成形方式的特性。

彎曲回彈分析：

(1)在凹模圓角半徑為2 mm的條件下，QP980(或DP980)隨材料厚度的增大，其彎曲回彈的3個表征量Δθ1、Δθ2和曲率1/ρ均隨之減小，即回彈量減少；

(2)對同為1.2 mm的QP980與DP980，QP鋼的彎曲回彈量大于DP鋼，QP鋼的彎曲回彈的3個表征量Δθ1、Δθ2、1/ρ均比DP鋼高。但厚度同為1.6 mm的QP980與DP980，QP鋼的側(cè)壁回彈角Δθ1大于DP鋼，法蘭回彈角Δθ2與曲率1/ρ呈相反趨勢而小于DP鋼；

(3)在凹模圓角半徑增大至2.5 mm后，彎曲回彈的3個表征量的值均有一定程度的上升，表明隨著凹模圓角半徑的增加，回彈量增加。

仿真分析與優(yōu)化：

根據(jù)以上零部件的仿真分析，QP980的仿真成形無開裂、起皺風(fēng)險，可安全成形，但存在回彈較大的問題。參照文中回彈分析的結(jié)論，對零件圓角(凹模圓角半徑)進(jìn)行減小。分析結(jié)果表明：若將產(chǎn)品圓角(凹模圓角半徑)減小約15%，可有效控制回彈，回彈量在可接受范圍內(nèi)。

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Research on Stamping Characteristic and Springback of the Third Generation High Strength Steel

LI Shuangyi1，2, ZHAO Lei1，2, WANG Guang1，2, LI Weihong1，2, REN Xiaohui1，2

(1.New Technology Center of HAVAL,Great Wall Motor Co., Ltd., Baoding Hebei 071000,China; 2.Automotive Engineering Technical Center of Hebei, Baoding Hebei 071000,China)

With the development currency of automotive light-weight, application of HSS has been the best mean to achieve light-weight. The application of quenched & partition steel (short for QP)belonging to the third generation HSS was discussed. Compared with the first generation steel, their stamping and springback characteristics were contrasted through test. The typical auto part was selected to do simulation analysis. The result shows: for the complex shape and high strength structure part, the QP steel can fully fulfill the requirements but the springback is a bit larger. By reducing the radius, the springback value can be decreased effectively. So the part can become thinner and the weight reducing can be achieved.

The third generation high strength steel；Lightweight; Stamping characteristic; Springback; Simulation analysis

2016-08-09

李雙一(1989—)，男，工學(xué)學(xué)士，助理工程師，主要研究方向?yàn)槠囕p量化材料研究。E-mail：572576564@qq.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2016.11.005

TG142.1

A

1674-1986(2016)11-021-05