基于正交設(shè)計(jì)的高強(qiáng)度鋼矩形管熱輥壓工藝參數(shù)優(yōu)化分析

吳俊源，韓靜濤，王 宇，馬曉燕

（1. 廣西柳州鋼鐵集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，廣西 柳州 545002；2. 北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100083；3. 欣諾冷彎型鋼產(chǎn)業(yè)研究院（曹妃甸）有限公司，河北 唐山 063200）

引 言

隨著汽車產(chǎn)量的穩(wěn)定增長(zhǎng)，汽車工業(yè)引發(fā)的能源、資源緊張以及環(huán)保問題也日趨嚴(yán)重［1-2］。以高強(qiáng)度鋼為代表的輕量化材料的應(yīng)用，可以有效降低車身重量，達(dá)到節(jié)能減排的目標(biāo)［3-5］，是實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的主要途徑之一［6］。高強(qiáng)度鋼矩形管作為客車車身骨架的主要結(jié)構(gòu)件［7］，可以同時(shí)提升安全性能和燃油經(jīng)濟(jì)性。

高強(qiáng)度鋼矩形管的主要成形工藝為輥壓成形，然而，由于屈服強(qiáng)度的大幅提升，冷成形時(shí)面臨諸多難題，比如回彈變形［8-9］、板帶翹曲與褶皺［10-11］、裂紋缺陷［12-13］等。雖然通過合理控制工藝參數(shù)，可以顯著改善成形質(zhì)量，但角部冷作硬化效應(yīng)嚴(yán)重［14］，強(qiáng)塑積降低是所有板帶彎曲成形工藝的通病，這與強(qiáng)塑積不斷提升的高強(qiáng)度鋼發(fā)展趨勢(shì)背道而馳［15］。此外，冷作硬化效應(yīng)嚴(yán)重還會(huì)增大角部殘余應(yīng)力［16］，導(dǎo)致后續(xù)焊接過程中的開裂風(fēng)險(xiǎn)大幅提升。

近些年來，以熱沖壓為代表的高強(qiáng)度鋼熱成形技術(shù)廣泛應(yīng)用［17-19］，為傳統(tǒng)冷成形工藝的發(fā)展提供了新的思路。國(guó)內(nèi)外學(xué)者先后進(jìn)行了熱輥壓成形工藝的相關(guān)試驗(yàn)研究。Lindgren 等［20］和Kim 等［21］以鋼板為原材料，分別采用接觸電阻加熱技術(shù)和火焰加熱技術(shù)，對(duì)板料待彎曲部位進(jìn)行預(yù)加熱，然后進(jìn)行了多道次熱輥壓成形試驗(yàn)，改善了開口型材的回彈、開裂等質(zhì)量缺陷。彭雪鋒等［22］以高強(qiáng)度鋼方管為原材料，采用感應(yīng)加熱技術(shù)，改善了角部力學(xué)性能，但研究中只考慮了單一工藝參數(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。

本文以高強(qiáng)度鋼矩形管為原材料，選取三個(gè)主要工藝參數(shù)：軋輥孔型的壓下量、電動(dòng)機(jī)的電源頻率和感應(yīng)加熱設(shè)備的振蕩電流，基于正交設(shè)計(jì)完成熱輥壓成形試驗(yàn)。分別測(cè)試高強(qiáng)度鋼矩形管平面和角部?jī)晌恢玫睦煨阅?，基于極差分析和方差分析得到工藝參數(shù)的影響程度，并對(duì)工藝參數(shù)組合進(jìn)行合理優(yōu)化。

1 工藝流程

試驗(yàn)材料選用微合金高強(qiáng)大梁鋼，牌號(hào)為QStE700TM，化學(xué)成分如表1所示。這種高強(qiáng)度鋼主要用于商用車縱梁以及客車骨架的輥壓或沖壓成形。寶鋼產(chǎn)品手冊(cè)提供的數(shù)據(jù)表明，采用高強(qiáng)大梁鋼替代傳統(tǒng)大梁鋼，減重率十分可觀，輕量化效果顯著。

表1 試驗(yàn)材料化學(xué)成分

以QStE700TM 帶鋼為原材料，采用“直接成方”輥壓成形工藝，通過多道次輥壓成形和高頻焊接，得到高強(qiáng)度鋼矩形管（預(yù)成形管）。之后以預(yù)成形管為原材料，進(jìn)行熱輥壓成形，工藝流程如圖1 所示。首先對(duì)預(yù)成形管的四個(gè)圓角區(qū)域進(jìn)行局部感應(yīng)加熱，并通過PID 自動(dòng)反饋系統(tǒng)保證所需的目標(biāo)加熱溫度。之后矩形管進(jìn)入輥壓成形機(jī)組，在軋輥孔型作用下，外形尺寸不斷減小。由于圓角區(qū)域與平面區(qū)域之間溫度差導(dǎo)致的金屬塑性變形能力差異，平面區(qū)域的金屬逐漸流向圓角區(qū)域，促使圓角區(qū)域金屬在三向壓應(yīng)力作用下熱成形，從而改善力學(xué)性能。此外，熱輥壓成形過程中，還可以通過道次間的輥徑差引起的速度差產(chǎn)生的軸向張力，結(jié)合角部余熱，消除其成形過程中出現(xiàn)的翹曲、扭曲等冗余變形。

作為熱輥壓成形工藝的關(guān)鍵裝置，局部感應(yīng)加熱線圈如圖2 所示，主要組成包括銅管、導(dǎo)磁體和膠木固定板。其中，銅管為載流元件，材質(zhì)為紫銅，表面安裝導(dǎo)磁體，用于提高感應(yīng)加熱效率［24］。局部感應(yīng)加熱線圈入口和出口處均采用膠木板固定銅管形狀，所有緊固件材質(zhì)均為無磁不銹鋼，避免在感應(yīng)加熱過程中出現(xiàn)升溫現(xiàn)象，會(huì)導(dǎo)致感應(yīng)加熱效率的降低。

2 正交設(shè)計(jì)

正交設(shè)計(jì)是一種研究多因素、多水平的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，尤其適用于因素個(gè)數(shù)和水平數(shù)均達(dá)到三個(gè)以上時(shí)的情形，可以實(shí)現(xiàn)以最少的試驗(yàn)次數(shù)達(dá)到與全面試驗(yàn)等效的結(jié)果，在降低試驗(yàn)成本的同時(shí)，大幅提升試驗(yàn)效率。

熱輥壓成形工藝中，工藝參數(shù)的選取主要考慮變形溫度、變形程度和變形速度三個(gè)方面。其中，變形溫度取決于感應(yīng)加熱設(shè)備振蕩電流（簡(jiǎn)稱為“振蕩電流”）與成形速度的綜合影響；變形程度主要取決于軋輥孔型的壓下量（簡(jiǎn)稱為“壓下量”）；變形速度主要受成形速度的影響，而成形速度取決于電動(dòng)機(jī)變頻器的頻率（簡(jiǎn)稱為“電機(jī)頻率”）和主動(dòng)輥直徑。

成形速度與電機(jī)頻率、主動(dòng)輥直徑之間的關(guān)系如下所示：

式中v為高強(qiáng)度鋼矩形管的成形速度，單位為m/min；f為三相異步電機(jī)的電機(jī)頻率，單位為Hz；D為熱輥壓成形機(jī)組的主動(dòng)輥直徑，單位為m，本設(shè)備為0.32 m；S為三相異步電機(jī)的轉(zhuǎn)差率，本設(shè)備為5 %；P為三相異步電機(jī)的極對(duì)數(shù)，本設(shè)備為4。

壓下量的水平值分別為1，2 與3 mm；振蕩電流的水平值分別為190，240 與290 A；電機(jī)頻率的水平值分別為10，14 與18 Hz。本文采用L9（33）的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，共計(jì)9 次試驗(yàn)，如表2 所示。

表2 L9（33）正交試驗(yàn)參數(shù)

3 結(jié)果分析

按照正交表完成9 組試驗(yàn)后，分別在每組矩形管試樣的平面和角部，參照國(guó)標(biāo)GB/T 228.1—2010，沿縱長(zhǎng)方向切取拉伸試樣，詳細(xì)尺寸如圖3所示。

在材料試驗(yàn)機(jī)上完成室溫拉伸實(shí)驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)抗拉強(qiáng)度和斷后延伸率結(jié)果，并分別計(jì)算得到平面和角部強(qiáng)塑積結(jié)果，作為力學(xué)性能的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)。強(qiáng)塑積是鋼的抗拉強(qiáng)度與斷后延伸率的乘積，數(shù)值近似等于鋼的拉伸曲線所包圍的面積，表示鋼在拉伸過程中所吸收的能量。高強(qiáng)度鋼矩形管的強(qiáng)塑積越大，表明在車身發(fā)生碰撞時(shí)，可以吸收的沖擊功越多，安全性能也就越好。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析主要采用極差分析法和方差分析法。在方差分析中，采用顯著性水平P值評(píng)價(jià)工藝參數(shù)的影響程度。P值越小，說明影響程度越顯著，P值與影響程度對(duì)應(yīng)關(guān)系如表3 所示。

表3 顯著性水平P 值判別表［25］

高強(qiáng)度鋼矩形管角部拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4 所示。由表中數(shù)據(jù)可知，在熱輥壓成形之后，大多數(shù)矩形管的角部抗拉強(qiáng)度下降，延伸率上升。熱輥壓成形前，原材料的角部強(qiáng)塑積為12.9 GPa%。在熱輥壓成形之后，所有矩形管的角部強(qiáng)塑積出現(xiàn)不同幅度的上漲，最高增幅可達(dá)60 %，充分說明熱輥壓成形工藝可以提升矩形管的角部強(qiáng)韌性。

表4 角部拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果

高強(qiáng)度鋼矩形管的角部強(qiáng)塑積極差分析結(jié)果如表5 所示。由表中數(shù)據(jù)可以得知，壓下量、振蕩電流和電機(jī)頻率三個(gè)工藝參數(shù)的極差分別為0.36，3.36 ，和3.69 GPa%。極差值最大的因素為電機(jī)頻率，其次為振蕩電流，最后為壓下量。其中，振蕩電流與電機(jī)頻率極差值相差不大，而壓下量的極差則相對(duì)較小，說明振蕩電流和電機(jī)頻率對(duì)角部強(qiáng)塑積的影響相近，并遠(yuǎn)高于壓下量。

表5 角部強(qiáng)塑積極差分析

高強(qiáng)度鋼矩形管的角部強(qiáng)塑積方差分析結(jié)果如表6 所示。從表6 的結(jié)果中可以看到，振蕩電流與電機(jī)頻率的顯著性水平落在（0.1，0.25］區(qū)間內(nèi)，說明對(duì)結(jié)果有一定影響；而壓下量的顯著水平值大于0.25，說明影響不顯著。

表6 角部強(qiáng)塑積方差分析

高強(qiáng)度鋼矩形管的角部強(qiáng)塑積主效應(yīng)如圖4 所示。由圖中可以直觀看出，各工藝參數(shù)對(duì)強(qiáng)塑積影響程度與極差分析一致，電機(jī)頻率最大，振蕩電流次之，最后為壓下量。振蕩電流的增加，可以有效提升加熱功率，提高線圈出口處，矩形管角部的加熱溫度；電機(jī)頻率的降低，會(huì)減慢成形速度，這意味著矩形管在感應(yīng)加熱線圈中停留更長(zhǎng)的時(shí)間，同樣也會(huì)提高矩形管離開線圈時(shí)的角部峰值溫度。加熱溫度的提升有利于后續(xù)熱加工過程中動(dòng)態(tài)回復(fù)和再結(jié)晶效應(yīng)的進(jìn)行，從而提升強(qiáng)塑積。壓下量對(duì)強(qiáng)塑積的影響很小，且隨著壓下量的增加，強(qiáng)塑積有所降低，這是因?yàn)閴合铝吭龃髸?huì)促進(jìn)加工硬化效應(yīng)。

當(dāng)壓下量為1 mm，振蕩電流為290 A，電機(jī)頻率為10 Hz 時(shí)，矩形管角部強(qiáng)塑積最大，此時(shí)的參數(shù)組合為A1B3C1。

高強(qiáng)度鋼矩形管的平面拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表7 所示?？梢钥闯?，在熱輥壓成形之后，約半數(shù)矩形管的平面抗拉強(qiáng)度下降，而大多數(shù)矩形管的平面延伸率下降。熱輥壓成形前，原材料的平面強(qiáng)塑積為19.4 GPa%，在熱輥壓成形之后，絕大多數(shù)矩形管的平面強(qiáng)塑積輕微下降，這說明，熱輥壓成形工藝會(huì)降低矩形管的平面強(qiáng)韌性，所以需要合理選用工藝參數(shù)。

表7 平面拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果

高強(qiáng)度鋼矩形管的平面強(qiáng)塑積極差分析結(jié)果如表8 所示。由表中數(shù)據(jù)可以得知，壓下量、振蕩電流和電機(jī)頻率三個(gè)工藝參數(shù)的極差分別為0.97，4.61，5.03 GPa%。電機(jī)頻率的極差值最大，振蕩電流次之，壓下量最小，這表明，電機(jī)頻率對(duì)平面強(qiáng)塑積的影響最大，振蕩電流的影響略小于電機(jī)頻率，而壓下量的影響程度最小。

表8 平面強(qiáng)塑積極差分析

高強(qiáng)度鋼矩形管的平面強(qiáng)塑積方差分析結(jié)果如表9 所示。由表中數(shù)據(jù)可知，振蕩電流與電機(jī)頻率的顯著性水平落在（0.01，0.1］區(qū)間內(nèi)，說明兩者對(duì)平面強(qiáng)塑積的影響顯著，尤其是電機(jī)頻率；而壓下量的顯著水平值大于0.25，說明對(duì)平面強(qiáng)塑積的結(jié)果影響不顯著。

表9 平面強(qiáng)塑積方差分析

高強(qiáng)度鋼矩形管的平面強(qiáng)塑積主效應(yīng)如圖5 所示。由圖中可以直觀看出，各工藝參數(shù)對(duì)強(qiáng)塑積影響程度從大到小依次為，電機(jī)頻率、振蕩電流、壓下量。如上所述，電機(jī)頻率的降低和振蕩電流的增加，可以有效提升角部加熱溫度，而平面溫度由于溫度熱傳導(dǎo)效應(yīng)，也會(huì)隨之增加，這將有利于強(qiáng)塑積的提升。但是由于矩形管的平面加熱溫度和塑性變形量都遠(yuǎn)低于角部，動(dòng)態(tài)回復(fù)和再結(jié)晶效應(yīng)會(huì)大幅降低，加工硬化效應(yīng)則始終占據(jù)主導(dǎo)地位。壓下量對(duì)強(qiáng)塑積的影響依舊很小，壓下量的增大進(jìn)一步增大了加工硬化效應(yīng)，從而導(dǎo)致強(qiáng)塑積的降低。

當(dāng)壓下量為1 mm，振蕩電流為290 A，電機(jī)頻率為10 Hz 時(shí)，矩形管的平面強(qiáng)塑積最大，此時(shí)的參數(shù)組合為A1B3C1。

4 結(jié) 論

本文基于正交設(shè)計(jì)，對(duì)截面尺寸為50 mm×30 mm×2 mm 的高強(qiáng)度鋼矩形管進(jìn)行了熱輥壓成形試驗(yàn)。通過極差分析法和方差分析法研究電機(jī)頻率、振蕩電流和壓下量三個(gè)主要工藝參數(shù)對(duì)高強(qiáng)度鋼矩形管的角部和平面強(qiáng)塑積結(jié)果的影響，并根據(jù)主效應(yīng)圖給出最佳工藝參數(shù)組合。主要結(jié)論如下：

（1）在高強(qiáng)度鋼矩形管的熱輥壓成形工藝中，電機(jī)頻率和振蕩電流對(duì)角部和平面強(qiáng)塑積的影響最大，壓下量影響最小。電機(jī)頻率和壓下量降低，振蕩電流增加有利于角部和平面強(qiáng)塑積的提升。

（2）熱輥壓成形過程中，高強(qiáng)度鋼矩形管的角部動(dòng)態(tài)回復(fù)和再結(jié)晶效應(yīng)強(qiáng)于加工硬化效應(yīng)，強(qiáng)塑積隨著加熱溫度增大而提升；高強(qiáng)度鋼矩形管的平面加工硬化效應(yīng)占據(jù)主導(dǎo)，雖然強(qiáng)塑積有所提升，但相比于成形前會(huì)有輕微下降。

（3）當(dāng)壓下量為1 mm，振蕩電流為290 A，電機(jī)頻率為10 Hz 時(shí)，高強(qiáng)度鋼矩形管的平面和角部強(qiáng)塑積均可達(dá)到最大值。