980MPa超高強鋼前縱梁沖壓成形分析

郭 運，顧 浩，李 亞

（1.寶山鋼鐵股份有限公司 研究院，上海 201900；2.汽車用鋼開發(fā)與應(yīng)用技術(shù)國家重點實驗室，上海 201900；3.寶鋼日鐵汽車板有限公司 銷售部，上海 201900）

0 引 言

通過車身輕量化以提高車輛燃油經(jīng)濟性是汽車行業(yè)關(guān)注的焦點[1-3]，汽車用先進高強鋼（advanced high strength steel，AHSS）具有較高的強度和較好的成形性，可在不損失車身性能的情況下實現(xiàn)車身輕量化，因此受到廣泛的關(guān)注和應(yīng)用[4,5]。隨著對汽車安全研究的不斷進步，對車身結(jié)構(gòu)安全提出了更高的要求，對車身材料的功能表現(xiàn)也充滿期待，期待超高的強度、良好的成形性、較高的斷裂韌性等。雙相鋼（dual phase steel，DP）、淬火延性鋼（quenching & partitioning steel，QP）具有超高的強度和良好的可制造性，在汽車上的應(yīng)用呈上升趨勢，DP 鋼成為應(yīng)用較為廣泛的先進高強鋼[6]。

雙相鋼因具有高延伸率、高初始硬化指數(shù)和低屈強比等良好的沖壓成形性，而成為汽車用高強鋼的首選。由于材料強度的提升，雙相鋼在進行較復(fù)雜制件成形過程中易開裂和起皺，與傳統(tǒng)鋼相比，更容易產(chǎn)生較大的回彈。關(guān)于雙相鋼的可制造性已有科研人員開展了相關(guān)的研究，刁可山等[7]對寶鋼1000MPa 級DP 鋼的擴孔性能和成形極限進行了研究，980MPa 雙相鋼的FLC0較低，成形范圍窄，材料抵抗拉伸變形的能力較弱，但具有良好的脹形性能。高強度DP 鋼的斷裂特性與壓邊力大小關(guān)系密切，李梅等[8]的研究表明，壓邊力大時雙相鋼容易在彎曲圓角處斷裂，當壓邊力小時則易在側(cè)壁上發(fā)生縮頸開裂。SUH C H 等[9]對DP780 材料的壓型成形性能進行了研究，發(fā)現(xiàn)拔模角和拉深筋對回彈的影響較大。雙相鋼在成形較復(fù)雜造型的制件時會出現(xiàn)開裂問題。QP 鋼作為最具代表性的第三代先進高強鋼具有超高的強度，在變形過程中的TRIP（transformation induced plasticity，相變誘導(dǎo)塑性）效應(yīng)使得該鋼種同時兼?zhèn)淞肆己玫某尚涡裕徽J為可以替代熱成形鋼（press hardening steel，PHS）成形造型復(fù)雜的制件[10,11]。

前縱梁是車身關(guān)鍵的碰撞安全件，需要具備超高的強度以便在各種正面碰撞中確保其不發(fā)生變形或微小變形，保持汽車地板的結(jié)構(gòu)完整，避免對駕駛艙的過度侵入。以前前縱梁采用較大厚度的傳統(tǒng)高強鋼保障結(jié)構(gòu)強度，質(zhì)量較重。因輕量化的需求，現(xiàn)在前縱梁一般采用熱成形材料，但是制造成本較高，限制了熱成形縱梁在小成本或低端車型上的應(yīng)用。研究通過應(yīng)用980MPa 超高強鋼材料，并輔以合適的制件結(jié)構(gòu)優(yōu)化和工藝設(shè)計，實現(xiàn)了超高強鋼縱梁本體的開發(fā)，可為同類超高強制件提供參考。

1 前縱梁優(yōu)化及工藝分析

前縱梁位于縱梁總成后部、前圍板和地板前下方，是正面碰撞時的主要傳力途徑，如圖1所示。高速碰撞時，縱梁前段充分潰縮吸收能量以降低傳導(dǎo)至車身的力，處于后端的縱梁在高速沖擊下需保持結(jié)構(gòu)完整，防止彎曲變形，避免因侵入量過大危及前排駕乘人員安全，同時將力有效傳導(dǎo)至車身，因此縱梁通常采用高強鋼材料?？v梁最初設(shè)計為1.8 mm 厚的HC420/780DP 材料，若采用1.4 mm 厚 的980MPa 級材料則可實現(xiàn)成形制件減輕質(zhì)量20%以上。經(jīng)靜態(tài)性能和碰撞性能分析，采用1.4 mm 厚的980MPa材料并不會造成整車性能的損失，因此具備高強減薄的可行性。

圖1 縱 梁

縱梁因受動力總成和輪胎包絡(luò)的影響，在與前縱梁連接的前部區(qū)域呈現(xiàn)寬度小且深度深的腔體造型，再加上較大的縱向彎曲造型，其沖壓成形具有一定的難度，原成形工藝為：拉深、切邊沖孔、整形修邊、沖孔側(cè)沖孔。

2 材料成形性分析

常用的980MPa級材料有雙相鋼980DP、淬火延性鋼980QP和馬氏體鋼980MS。馬氏體鋼因為低的延伸率和超高的屈強比不適合沖壓成形，選用HC550/980DP 和HC600/980QP 作為研究對象。HC550/980DP 和HC600/980QP 的主要化學(xué)成分如表1 所示。圖2 所示為2 種材料的光學(xué)顯微組織，980DP 主要由鐵素體和馬氏體兩相構(gòu)成，而980QP則由鐵素體、馬氏體和殘余奧氏體三相構(gòu)成。工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3 所示，主要拉伸性能如表2 所示。980DP和980QP材料的屈服強度和抗拉強度相當，但QP 鋼的均勻延伸率和加工硬化指數(shù)（n 值）比DP 鋼分別高出63.4%和33.0%，典型成形性指數(shù)QP鋼明顯占優(yōu)，主要是由于殘余奧氏體在材料變形過程中發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，通過相變誘導(dǎo)塑性（TRIP 效應(yīng)）提升材料的變形能力。

表1 HC550/980DP和HC600/980QP化學(xué)成分 質(zhì)量分數(shù)

借助成形極限曲線（forming limit curve,FLC）評價薄板材料成形能力具有現(xiàn)實意義，也是應(yīng)用最為廣泛的方法。FLC描述了薄板在應(yīng)力作用下開始縮頸時的局部應(yīng)變，顯示薄板局部成形的能力。利用Nakazima 試驗法測得1.4 mm 厚HC550/980DP 和1.6 mm 厚HC600/980QP 板料的FLC 曲線如圖4 所示，其中980DP 最低點FLC0=13%，980QP 最低點FLC0=24.3%。

表2 HC550/980DP和HC600/980QP主要拉伸性能

圖2 光學(xué)顯微結(jié)構(gòu)

圖3 工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線

3 制件成形性有限元分析

3.1 全工序仿真分析

采用模擬軟件AutoForm 對制件進行全工序成形及回彈仿真分析，工藝排布及拉深工序模面設(shè)計均參照原設(shè)計進行，拉深工序有限元模型如圖5 所示，仿真材料參數(shù)如表3 所示，硬化曲線均采用Swift/Hockett-Sherby 混合模型擬合，屈服模型均采用BBC模型。

圖4 成形極限曲線

圖5 拉深工序仿真分析模型

圖6 所示為1.4 mm 厚的HC550/980DP 拉深成形及回彈計算結(jié)果。圖6（a）所示在拉深深度最大和拔模角度最小的部位均出現(xiàn)了開裂；圖6（b）所示為局部應(yīng)變在FLD 圖上的分布；圖6（c）所示為拉深減薄率分布，3 個開裂位置的減薄率均超過13%，最大達17.2%。側(cè)整形后在制件兩端呈現(xiàn)較大的回彈變形，最大回彈達到11.1 mm，如圖6（d）所示。

圖7 所示為1.4 mm 厚HC600/980QP 拉深結(jié)果，成形性良好，無開裂或起皺情況，盡管HC600/980QP 材料可以滿足制件的成形性要求，但因尚未完成材料認證，暫時無法應(yīng)用。

3.2 失效分析及優(yōu)化措施

采用HC550/980DP 材料進行制件開發(fā)的主要問題為沖壓開裂和回彈尺寸超標，直接采用原材料開發(fā)存在較大風(fēng)險。

表3 沖壓仿真材料參數(shù)

圖6 成形及回彈計算結(jié)果

圖7 HC600/980QP成形計算結(jié)果

HC550/980DP 成形性低是導(dǎo)致開裂的主要原因，從典型的成形性指數(shù)來看，HC550/980DP 的均勻延伸率僅為7.89%，n 值為0.109，均低于HC420/780DP，也低于同強度級別的HC600/980QP。從組織結(jié)構(gòu)來看，DP 鋼由鐵素體和硬質(zhì)相馬氏體相構(gòu)成，隨著強度的提升，馬氏體相在組織中的含量越來越高，材料的成形性降低。由于較高比例馬氏體相的存在，隨著拉深變形的加大，HC550/980DP 材料對局部應(yīng)力的舒緩能力不足，無法像QP 鋼一樣通過殘余奧氏體的相變避免局部應(yīng)力集中，并將應(yīng)力有效傳導(dǎo)出去，引入更多的材料參與變形（硬化能力）。同樣因為硬化能力不足，導(dǎo)致在拉深變形中實際參與變形的材料較QP 鋼少，更容易發(fā)生局部過度減薄，導(dǎo)致開裂，980DP 材料偏低的FLC0值也印證了這一成形特性。HC550/980DP 的組織特點決定了其拉深成形能力差的特性，在制件設(shè)計中對此應(yīng)充分考慮，避免制件對板料有過高的拉深成形性要求。

工藝排布及拉深工序模面設(shè)計不合理是導(dǎo)致成形開裂的另一個主要原因，開裂主要發(fā)生在拉深深度較深且拔模角度較小區(qū)域。圖6（b）所示開裂區(qū)域的應(yīng)變狀態(tài)主要為拉伸變形，增加材料流入將有利于改善開裂。圖8所示在成形制件前端兩側(cè)均發(fā)生了開裂，該位置兩側(cè)拔模角度均未超過5°，而在后端開裂位置的拔模角度也僅為4.9°，拔模角度過小導(dǎo)致材料成形困難，因此需在結(jié)構(gòu)允許的情況下增大拔模角度。由于空間、搭接關(guān)系等限制無法通過修改制件造型來增大拔模角度，但可以在工藝設(shè)計中將板料的變形量分配到后續(xù)整形工序，增大拉深時的拔模角度，降低成形難度。最大拉深深度約70 mm，不存在過拉深的情況。凸模圓角和凹模圓角小，不利于材料流動，也會造成成形困難。成形該制件的凸模圓角半徑最小為R6.5 mm，凹模圓角半徑最小為R7.5mm，均相對偏小。拉深模設(shè)計時，可將上述圓角半徑放大至R10 mm 以上，并在后續(xù)整形工序再整形到位。綜上分析，拔模角度小是影響拉深成形性的首要原因，增大制件拔模角度、放大凸模和凹模圓角、降低材料流入難度有利于改善開裂。

超高強鋼材料成形性偏低，成形后因內(nèi)應(yīng)力分布不均導(dǎo)致回彈問題突出。圖9所示為前縱梁整形后的回彈，由圖9 可知，回彈超過了±1 mm 的尺寸精度要求?；貜椫饕l(fā)生在制件的兩端，原工藝整形為首工序，對頂部的定型不足，拉深后兩端回彈較大，兩側(cè)法蘭邊受端部翹曲影響及局部反向補償不足，整形后回彈仍然超標較多，需加大反向補償。因此改善回彈需從強化頂部定型性和優(yōu)化回彈補償量2個方向進行綜合整改。

根據(jù)以上分析，考慮HC550/980DP 材料的拉深成形特性，從工藝排布和模具設(shè)計兩方面考慮，對制件成形及回彈控制進行整改，制定了改進措施。

（1）優(yōu)化模具設(shè)計，增大拉深工序拔模角度，開裂位置最小拔模角度＞5°。

（2）拉深模凸模圓角設(shè)計半徑＞R10 mm，凹模圓角半徑保持在R12 mm以上。

（3）優(yōu)化工藝排布，在整形修邊工序后增加側(cè)整形工序以應(yīng)對回彈尺寸超差的問題。

4 改進措施驗證

制件造型無法變更，但工藝排布可針對980MPa級別超高強鋼應(yīng)用進行重新設(shè)計和優(yōu)化。針對拉深開裂問題降低拉深工序?qū)Π辶铣尚涡砸?，減小拉深變形量，并適當分配至后工序。針對該制件，主要方案是增大拔模角度：將前端最小拔模角度由0.67°增大至7.81°，為了平衡材料流入，將對應(yīng)位置側(cè)立面拔模角度由最小4.7°增大至8.2°。類似將后端的拔模角度由4.9°和11.4°分別增大至8.7°和12°。此外為了改善成形性和材料流入，還將成形較難部位的壓料面適當抬高，以降低拉深深度。

對頂部圓角的變形量進行了重新分配，為滿足拉深工序增大拔模角度與改善凸模圓角成形性的需要，將凸模圓角半徑增大至10°～18°，并在后續(xù)整形及側(cè)整形工序?qū)㈨敳繄A角整形到設(shè)計尺寸。

隨著材料強度的提升，成形后的回彈控制也更加困難，針對800MPa 及以下強度高強鋼制件的回彈，當前通過一道次整形可滿足回彈控制要求。但針對強度更高的超高強鋼材料，如HC550/980DP，在制件未進行針對性結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的情況下，一般需要增加整形量方可達到回彈控制的目的。針對該制件的造型特征，在原4 道工序布置的基礎(chǔ)上增加側(cè)整形工序，工藝布置設(shè)計為拉深、切邊沖孔、整形修邊、側(cè)整形，沖孔側(cè)沖孔。整形工序?qū)蠖嗽煨洼^復(fù)雜部位先實施局部整形，對兩側(cè)立壁回彈進行反向補償2°～4°。側(cè)整形工序?qū)㈨敳繄A角整形到設(shè)計尺寸，并對側(cè)壁進行反向回彈補償，法蘭邊在側(cè)壁補償基礎(chǔ)上再增加1°～2°反向補償。

AutoForm 軟件中采用新的工藝排布和模具設(shè)計對制件進行全工序仿真分析，拉深成形性及安全裕度如圖10（a）、（b）所示，開裂問題得以消除，且未產(chǎn)生其他拉深缺陷。通過工藝優(yōu)化增加側(cè)整形工序，制件的回彈改善明顯，但在局部位置仍稍有超標情況，如圖10（c）所示，回彈超標主要發(fā)生在整形變形量偏小的法蘭邊部區(qū)域，后續(xù)可考慮在超高強鋼制件設(shè)計階段通過增加局部特征改善局部變形狀態(tài)，提升整體回彈控制水平。

依據(jù)整改后方案進行模具開發(fā)和調(diào)試，尺寸精度按照1 mm的控制要求，成形制件合格率達到85%以上，制定的改進措施有效，在設(shè)計約束下實現(xiàn)了980MPa 級輕量化縱梁制件的開發(fā)，圖11 所示為成形的樣件。

5 結(jié)束語

針對某車型縱梁采用980MPa 級超高強鋼的開發(fā)，HC550/980DP 材料固有的成形特性對制件設(shè)計和工藝開發(fā)均提出了新的挑戰(zhàn)。在制件結(jié)構(gòu)設(shè)計的約束下，通過優(yōu)化工藝排布對成形制件變形量進行合理分配，并通過增大局部拔模角度、優(yōu)化凸模和凹模圓角、降低拉深深度等措施，改善板料在拉深工序的成形性以及通過增加側(cè)整形工序加大對回彈尺寸的控制，成功應(yīng)用1.4 mm HC550/980DP 材料代替原設(shè)計1.8 mm 厚的HC420/780DP 材料開發(fā)符合質(zhì)量要求的980MPa 前縱梁，在不損失整車性能的情況下實現(xiàn)制件質(zhì)量減輕22.21%。HC550/980DP超高強度前縱梁本體制件的開發(fā)為設(shè)計人員提供了新的輕量化思路，在部分關(guān)鍵安全件上除了熱成形方案還可以應(yīng)用綜合開發(fā)成本更低的超高強鋼方案。在超高強鋼制件設(shè)計階段應(yīng)充分考慮強度提升帶來的板料成形性差、回彈大的影響，設(shè)計與工藝結(jié)合才能有效降低超高強鋼制件開發(fā)難度，對提高超高強鋼應(yīng)用、實現(xiàn)車身輕量化將大有益處。