汽車車架用高強度鋼板最小彎曲半徑及沖壓回彈規(guī)律研究

李炳新,伍衛(wèi)凱,張道達,陳汪林*

（1. 廣東工業(yè)大學機電工程學院，廣東廣州510006；2. 江西省機械科學研究所，江西南昌330002）

隨著汽車輕量化的發(fā)展，高強度鋼板在汽車上的應用倍受青睞［1-3］。為此，歐美國家紛紛組織國內(nèi)頂尖科研機構(gòu)對高強度鋼板在汽車上的應用進行研究。截止2009 年，已通過高強度鋼板組合應用的輕量化技術(shù)，從而實現(xiàn)減重37%［4-6］。與此同時，針對高強度鋼板在汽車輕量化應用方面，鋼鐵公司也獨立開展了研究，如ABC（Arcelor Body Concept）和NSC（New Steel Concept）公司制定了通過高強度鋼板的大量應用而實現(xiàn)了20%~40%的減重效果的目標［7］。此外，包括寶鋼、鞍鋼在內(nèi)的16 家國內(nèi)鋼鐵公司，針對鋼制車身結(jié)構(gòu)制定了車身減重35%的2020 年度目標，以便進一步提升和穩(wěn)固鋼鐵材料在汽車制造業(yè)中的優(yōu)勢地位［8-9］。然而在發(fā)掘高強度鋼板在車身上的應用潛力的同時，也發(fā)現(xiàn)高強度鋼板在沖壓成型過程中存在回彈的問題，其對成型件的尺寸精度有較大影響［10-15］。因此，對高強度鋼板的回彈規(guī)律進行研究，對合理使用高強度鋼板及控制企業(yè)成本和提高生產(chǎn)效率都有重要意義。

某公司在輕量化研究進程中，使用新型QP-700型號的高強度鋼板沖壓成型車架，在成型過程中發(fā)現(xiàn)鋼板的回彈角度較大，使車架尺寸精度難以保證，且鋼板的最小彎曲半徑無經(jīng)驗數(shù)據(jù)指導［16］。因此，擬對上述型號的高強度鋼板的回彈規(guī)律進行研究，以確定QP-700 鋼板的最小彎曲半徑，并研究板材厚度及抗拉強度對回彈的影響規(guī)律，以便為工業(yè)生產(chǎn)提供有效指導。

1 實驗部分

以QP-700 高強度鋼板為研究對象，分別取厚度為4，6，8 和10 mm 的試樣進行研究。采用大量實驗法，設(shè)計與大型車架成型模具結(jié)構(gòu)相近的簡易V 型彎曲模具以完成高強度鋼板的沖裁實驗，待沖裁結(jié)束后記錄試樣的失效情況，并統(tǒng)計失效試樣百分比，同時利用游標萬能角度尺對試樣成型后角度進行測量，以便測定樣品的回彈量。

模具的初始模角半徑為10 mm，折彎角度為90 °，第一次沖裁結(jié)束后對模具修模，使模具圓角逐漸增大，依次進行后續(xù)沖裁試驗。通過大量實驗確定不同厚度的高強度鋼板對應的最小彎曲半徑，并通過數(shù)據(jù)處理分析得出最小相對彎曲半徑的經(jīng)驗公式，探明高強度鋼板回彈與板材厚度和抗拉強度的關(guān)系。為保證實驗的準確性，每種實驗條件下取5塊樣品進行實驗，分別記錄失效及回彈情況，以便統(tǒng)計試樣失效的百分含量及回彈量，其中回彈量取5塊試樣回彈的平均值。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 最小彎曲半徑測定及分析

板材在彎曲過程中外表面的切向拉應力最大，產(chǎn)生的切向變形也最大。當變形超過極限變形程度時，板料將會沿著折彎線方向發(fā)生破裂。因此，最小彎曲半徑是產(chǎn)品沖壓成型過程中的一個比較重要的參數(shù)［17-18］。圖1 為不同厚度t的失效試樣（試樣斷裂或有裂紋的試樣）的百分比與沖壓模具圓角的關(guān)系曲線。從圖1（a）可見，當彎曲半徑為12 mm 時，厚度為4 mm 的QP700 鋼板試樣沒有失效，說明該試樣的最小彎曲半徑為rmin為12 mm。從圖1（b）至圖1（d）可見，當厚度為8、10 和12 mm 時，高強度鋼板的最小彎曲半徑分別為14、18 和22 mm。

圖1 不同厚度失效樣品的百分含量與彎曲半徑的關(guān)系曲線Fig.1 The relationship between the percentage content and the bending radius of the failure samples with different thickness

在origin 軟件中采用最小二乘法繪制板材厚度t與最小彎曲半徑rmin的關(guān)系曲線，如圖2 所示。從圖2 的擬合結(jié)果可見：該擬合直線的方程為rmin=1.7t+4.6；同時，發(fā)現(xiàn)rmin與t之間的關(guān)系圖的回歸率達到了0.97，誤差極小為0.17。表明，該直線能夠較好的描述QP700 高強度鋼板的最小彎曲半徑與厚度之間的關(guān)系，可以將該關(guān)系式作為除上述四種厚度以外的其他厚度的鋼板最小彎曲半徑的參考公式。

圖2 鋼板最小彎曲半徑rmin與鋼板厚度t的關(guān)系圖Fig.2 The relationship between the minimum bending radiusrminand the thicknesstof steel plate

板材的極限變形程度經(jīng)常用最小相對彎曲半徑rmin/t來表示。因此，利用origin 軟件將四種厚度的QP700 板材的相對彎曲半徑r/t與板材失效百分含量之間的關(guān)系繪制成柱狀圖，如圖3 所示。從圖3 可以看出：隨著相對彎曲半徑r/t的比值逐漸增大，板材失效的百分含量總體呈遞減趨勢；當r/t≥2.2 時，QP700 板材的失效試樣百分含量為零。由此可以推斷，QP700 高強度鋼板的最小相對彎曲半徑rmin/t=2.5，該值亦可為其它厚度的高強度鋼板最小彎曲半徑的確定提供理論指導。

圖3 試樣失效百分含量與相對彎曲半徑（r/t）的關(guān)系圖Fig.3 The relationship between the fail?ure percentage of the sample and the relative bending radius（r/t）

2.2 沖壓回彈規(guī)律研究

研究板料的沖壓回彈，一般采用解析及有限元模擬方法，或者通過大量試驗進行預測［4］?？紤]到試驗法能通過相同或近似的模具結(jié)構(gòu)獲得在近似的載荷及工況下的回彈數(shù)據(jù)，進而整理成公式或圖表，供生產(chǎn)設(shè)計時參考。因此，本研究采用大量試驗法，觀察QP700 高強度鋼板沖壓回彈規(guī)律，并推導出該類型鋼板的回彈量的計算公式。將厚度為4、6、8 和10 mm 的板材，在彎曲半徑為10~24 mm 時的回彈情況記錄下來，利用origin 軟件做出不同厚度的鋼板回彈角度與彎曲半徑的關(guān)系圖，如圖4 所示。從圖4 可以看出，回彈量隨著板厚的增加逐漸減小，而隨著彎曲半徑的增加逐漸增大。

圖4 不同厚度下的鋼板回彈角度與彎曲半徑的關(guān)系圖Fig.4 The relationship between springback angle and bending radius of steel plate with different thickness

由上述分析可知，回彈與板厚和彎曲半徑之間有密切的聯(lián)系。為了得出它們的確切關(guān)系，利用origin 軟件采用最小二乘法畫出回彈量與r/t之間的關(guān)系圖（圖5），通過計算得出其直線方程為y=0.85r/t+0.81。從圖5 可見，各點均勻的散落在直線兩旁，且回歸誤差較小為0.19。結(jié)果表明，該直線方程能夠很好的描述QP700 高強度鋼板的回彈量，可依據(jù)此公式為后續(xù)高強鋼板沖壓回彈的預防和設(shè)計提供理論指導。

圖5 回彈量與相對彎曲半徑之間的關(guān)系圖Fig.5 The relationship between the amount of springback and the relative bending radius

3 結(jié)論

通過大量試驗及試驗數(shù)據(jù)分析整理，可得出以下結(jié)論，進而為QP700 高強度鋼板的沖壓回彈提高理論指導。

（1）QP700 高強度鋼板的最小彎曲半徑可用公式rmin=1.7t+4.6 表示，其相對最小彎曲半徑rmin/t=2.2。

（2）QP700 高強度鋼板的回彈量隨鋼板厚度的增加而減小，隨彎曲半徑的增大而增大。

（3）QP700 高強度鋼板的回彈量可用公式y(tǒng)=0.85r/t+0.81 表示。