H420LAD鋼橫梁零件翻邊開(kāi)裂原因分析及優(yōu)化

田志俊 崔磊 陳德順 劉陽(yáng) 谷海容 李軼倫

（1.馬鞍山鋼鐵股份有限公司技術(shù)中心，馬鞍山 243000；2.馬鞍山鋼鐵股份有限公司四鋼軋總廠，馬鞍山 243000）

1 前言

伸長(zhǎng)類翻邊成形是橫梁類零件的常見(jiàn)制造工藝，其邊部受拉應(yīng)力作用，容易出現(xiàn)翻邊開(kāi)裂的問(wèn)題。隨著汽車用鋼板強(qiáng)度的提升，其韌性降低，伸長(zhǎng)類翻邊成形中邊部開(kāi)裂的問(wèn)題逐漸增多，限制了高強(qiáng)鋼在汽車上的應(yīng)用。目前，對(duì)高強(qiáng)鋼邊部開(kāi)裂的研究集中在沖壓工藝、沖裁邊部質(zhì)量、材料性能、軟硬相強(qiáng)度差等方面[1-6]。趙廣濤等[7]通過(guò)優(yōu)化產(chǎn)品邊界、減少翻邊量，改善邊部區(qū)域的應(yīng)變狀態(tài)，減少開(kāi)裂區(qū)域的材料減薄率。張茜等[8]通過(guò)仿真和生產(chǎn)驗(yàn)證，證明了降低材料屈服強(qiáng)度、提高擴(kuò)孔率對(duì)翻邊開(kāi)裂有改善，且擴(kuò)孔率與零件邊緣質(zhì)量的關(guān)系更密切?；輥嗆姷萚9]分析了“先沖壓再壓邊工藝”與“先壓邊再?zèng)_壓工藝”2 種工況下元寶梁的邊部應(yīng)力集中情況，采用后者材料邊部變形均勻，可有效降低縮頸與開(kāi)裂的發(fā)生。

針對(duì)熱鍍鋅低合金高強(qiáng)鋼H420LAD 翻邊開(kāi)裂的問(wèn)題，從材料力學(xué)性能、壓料力、模具間隙、翻邊高度等方面，分析了導(dǎo)致零件翻邊開(kāi)裂的影響參數(shù)及影響因子。同時(shí)，通過(guò)優(yōu)化坯料尺寸、調(diào)整模具間隙、減小翻邊刀塊到底距離等，降低了翻邊開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)。提出了伸長(zhǎng)類翻邊成形邊部開(kāi)裂的控制措施。

2 橫梁翻邊成形邊部開(kāi)裂原因分析

2.1 橫梁零件沖壓工藝及開(kāi)裂位置

圖1為某乘用車副車架橫梁零件，采用1.8 mm 厚度的H420LAD 鋼沖壓成形。

圖1 副車架橫梁

零件經(jīng)5 道工序沖壓成形：OP10 落料→OP20壓型、預(yù)翻邊→OP30 翻邊→OP40 沖孔+側(cè)修邊→OP50 沖孔+側(cè)修邊。其中，零件開(kāi)裂發(fā)生在OP30 翻邊工序，采用毛坯邊部打磨、激光落料等方式，開(kāi)裂問(wèn)題依然存在，如圖2 所示。調(diào)試結(jié)果顯示，屈服強(qiáng)度較低的板料翻邊開(kāi)裂率低，但僅有約30%的量產(chǎn)板料滿足要求，對(duì)零件的穩(wěn)定生產(chǎn)不利。

圖2 橫梁在翻邊成形時(shí)邊部開(kāi)裂

2.2 樣板的力學(xué)性能檢驗(yàn)

通過(guò)拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)開(kāi)裂零件樣板進(jìn)行單軸拉伸試驗(yàn)，試樣標(biāo)距為80 mm，檢測(cè)樣板3 個(gè)方向（0°、45°、90°）的基本力學(xué)性能指標(biāo)，每個(gè)方向檢測(cè)3 組，結(jié)果取其平均值。同時(shí)，設(shè)置沖裁加工的試樣為試驗(yàn)組，測(cè)試沖裁加工對(duì)材料拉伸性能的影響。結(jié)果如表1 所示。

表1 H420LAD鋼板拉伸性能參數(shù)

圖3 為H420LAD 鋼板的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，圖4為銑削、沖裁加工拉伸試樣斷裂形式。由表1、圖3、圖4 可知：0°、45°方向上，沖裁加工試樣斷裂伸長(zhǎng)率不受影響；90°方向上，沖裁加工試樣在均勻變形段即將結(jié)束時(shí)，局部微裂紋從試樣邊部向內(nèi)擴(kuò)展，導(dǎo)致異常斷裂，均勻伸長(zhǎng)率略有降低、斷裂伸長(zhǎng)率明顯降低。

圖3 H420LAD鋼板的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖4 銑削、沖裁加工拉伸試樣斷裂形式

2.3 樣板的成形極限試驗(yàn)

采用直徑為100 mm 的圓柱形球頭凸模進(jìn)行成形極限試驗(yàn)，試樣寬度分別為40～160 mm，圖5 所示為成形極限模具示意和試樣，圖6 為H420LAD的成形極限圖。

圖5 成形極限模具示意圖和試樣

圖6 H420LAD的成形極限圖

2.4 零件成形仿真分析

為尋找橫梁零件翻邊開(kāi)裂的原因，確定沖壓工藝的優(yōu)化方案，采用Autoform 軟件對(duì)零件進(jìn)行全工序仿真。將模具型面導(dǎo)入Autoform 軟件，按照原工藝方案進(jìn)行工序設(shè)定，其中，翻邊工序有限元模型如圖7所示。材料力學(xué)性能如表1所示，選取Swift-HS 硬化模型，屈服模型采用BBC 屈服準(zhǔn)則，單元類型為殼單元，厚向積分點(diǎn)11個(gè)。

圖7 翻邊工序有限元模型

零件的全工序模擬過(guò)程，如圖8 所示。該零件開(kāi)裂發(fā)生在OP30 工序——翻邊成形，通過(guò)對(duì)開(kāi)裂位置的成形過(guò)程、應(yīng)變路徑、主次應(yīng)變進(jìn)行分析，研究零件件翻邊開(kāi)裂的原因。

圖8 橫梁的全工序模擬過(guò)程

零件開(kāi)裂位置屬于伸長(zhǎng)類翻邊成形，零件邊部在拉應(yīng)力作用下，存在拉伸減薄，拉應(yīng)力方向與板料軋制方向夾角約為10°，圖9 為OP30 工序零件翻邊成形仿真結(jié)果。由表1、圖3、圖4 可知，0°～45°方向上，沖裁加工不會(huì)導(dǎo)致拉伸試驗(yàn)的斷裂伸長(zhǎng)率削弱，即沖裁加工不是該位置開(kāi)裂的主要原因。

圖9 OP30工序零件翻邊成形仿真結(jié)果

圖10 為零件翻邊開(kāi)裂位置應(yīng)變路徑。開(kāi)裂位置的主應(yīng)變?yōu)?.577、次應(yīng)變?yōu)?0.222，主、次應(yīng)變的比例約為2.608∶-1，趨向于單向拉伸應(yīng)變狀態(tài)。從開(kāi)裂位置的應(yīng)變狀態(tài)可知，零件開(kāi)裂的原因是翻邊量過(guò)大，導(dǎo)致零件所需的成形性要求超過(guò)材料成形極限。

圖10 零件翻邊開(kāi)裂位置的應(yīng)變路徑

經(jīng)過(guò)分析，改善零件翻邊開(kāi)裂的措施有：提高材料的成形極限，可解決零件的翻邊開(kāi)裂問(wèn)題，但涉及材料開(kāi)發(fā)，周期長(zhǎng)且結(jié)果不確定；開(kāi)裂位置的應(yīng)變路徑向左側(cè)旋轉(zhuǎn)，使主、次應(yīng)變比例趨向于2∶-1，即開(kāi)裂位置的應(yīng)變狀態(tài)趨向于單向拉伸狀態(tài)，增加零件的成形安全裕度。

2.5 零件翻邊開(kāi)裂的影響因素及影響因子

影響零件翻邊開(kāi)裂的參數(shù)很多，如板料厚度、屈服強(qiáng)度、拉伸應(yīng)變硬化指數(shù)（n值）、塑形應(yīng)變比（r值）、壓料力、摩擦因數(shù)等，各參數(shù)之間還會(huì)互相影響，應(yīng)用Autoform 軟件Sigma 模塊，綜合分析零件開(kāi)裂的影響參數(shù)，確定導(dǎo)致零件開(kāi)裂的主要參數(shù)[10]。表2 為零件開(kāi)裂的影響參數(shù)及影響因子。

表2 零件開(kāi)裂的影響參數(shù)及影響因子

圖11 為開(kāi)裂位置主應(yīng)變的影響參數(shù)。由圖11、表2 中可知，摩擦因數(shù)、板料厚度、OP20 工序壓料力、OP30 工序壓料力等因素是零件開(kāi)裂位置主應(yīng)變偏高的主要因素，影響因子分別為11%、5%、3%、4%等。

圖11 開(kāi)裂位置主應(yīng)變的影響參數(shù)

圖12 為開(kāi)裂位置次應(yīng)變的影響參數(shù)。從圖11、表2 可知，r值、n值是導(dǎo)致零件開(kāi)裂位置次應(yīng)變偏高的主要因素，影響因子分別為35%、8%。

圖12 開(kāi)裂位置次應(yīng)變的影響參數(shù)

根據(jù)Sigma 分析結(jié)果，使主、次應(yīng)變比例趨向于2∶-1，確定一組最優(yōu)值，如表2 所示。仿真結(jié)果顯示，開(kāi)裂位置主、次應(yīng)變分別為0.561、-0.235，主、次應(yīng)變比例從2.608∶-1 變?yōu)?.387∶-1，零件成形安全裕度增至5.15%，如圖13 所示。

圖13 原方案優(yōu)化后的沖壓仿真結(jié)果

其中，r值與開(kāi)裂位置主、次應(yīng)變的關(guān)系如圖14 所示，隨著r值增大，零件邊部在拉應(yīng)力作用下抵抗變薄的能力愈強(qiáng)，仿真結(jié)果顯示：開(kāi)裂位置主應(yīng)變最大降低0.88%、次應(yīng)變最大降低11.90%，零件的成形安全裕度增加，最高占增量的57.98%。

圖14 r值與開(kāi)裂位置主、次應(yīng)變的關(guān)系

n值與開(kāi)裂位置主、次應(yīng)變的關(guān)系如圖15 所示，隨著n值增大，開(kāi)裂位置主應(yīng)變降低4.59%、次應(yīng)變?cè)黾?.08%，零件的成形安全裕度增加，最高占增量的30.85%。

圖15 n值與開(kāi)裂位置主、次應(yīng)變的關(guān)系

屈服強(qiáng)度與開(kāi)裂位置主、次應(yīng)變的關(guān)系如圖16 所示，隨著屈服強(qiáng)度增大，開(kāi)裂位置主應(yīng)變?cè)谇?qiáng)度在513 MPa 時(shí)開(kāi)始下降、最大降低0.18%，次應(yīng)變階梯下降、最大降低1.29%，零件的成形安全裕度增加，最高占增量的8.06%。

圖16 屈服強(qiáng)度與開(kāi)裂位置主、次應(yīng)變的關(guān)系

板料厚度與開(kāi)裂位置主、次應(yīng)變的關(guān)系如圖17 所示，隨著板料厚度的增加，開(kāi)裂位置主應(yīng)變最大降低0.18%、次應(yīng)變維持不變，零件的成形安全裕度略增加。

圖17 板料厚度與開(kāi)裂位置主、次應(yīng)變的關(guān)系

摩擦因數(shù)與開(kāi)裂位置主、次應(yīng)變的關(guān)系如圖18 所示，隨著摩擦因數(shù)的增大，開(kāi)裂位置主應(yīng)變不變、次應(yīng)變最大降低0.43%，零件的成形安全裕度略有增加。

OP20 工序壓料力與開(kāi)裂位置主、次應(yīng)變的關(guān)系如圖19 所示，在100～116 kN 范圍內(nèi)隨著壓料力增加，開(kāi)裂位置主應(yīng)變略有增加，次應(yīng)變維持不變。

圖19 OP20工序壓料力與開(kāi)裂位置主、次應(yīng)變的關(guān)系

OP30 工序壓料力與開(kāi)裂位置主、次應(yīng)變的關(guān)系如圖20 所示，開(kāi)裂位置主應(yīng)變不變，在166～183 kN范圍內(nèi)隨著壓料力增加次應(yīng)變略有降低，零件成形安全裕度略有增加。

圖20 OP30工序壓料力與開(kāi)裂位置主、次應(yīng)變的關(guān)系

從原方案的優(yōu)化分析結(jié)果可知，r值、n值、屈服強(qiáng)度等提升，尤其是r值的提升，是原方案優(yōu)化后零件成形安全裕度提升在重要原因；摩擦因數(shù)、壓料力、板料厚度對(duì)零件成形安全裕度的提升有限。

3 沖壓工藝優(yōu)化方案及生產(chǎn)試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 沖壓工藝優(yōu)化方案

由表2 及上述分析結(jié)果可知，r值、n值、屈服強(qiáng)度等材料性能以及板料厚度，是開(kāi)裂位置次應(yīng)變的主要影響因素，由于材料性能、板料厚度與零件的性能相關(guān)，不宜改變，那么，僅調(diào)整壓料力、摩擦因數(shù)等影響主應(yīng)變的工藝參數(shù)，零件成形安全裕度提升有限。

因此，需要通過(guò)調(diào)整局部模具間隙、板料尺寸、沖壓工藝等，改善材料流動(dòng)性、為翻邊工序預(yù)留充足的成形余量，并根據(jù)工作量的大小，設(shè)計(jì)了2 種優(yōu)化方案，進(jìn)行仿真及生產(chǎn)試驗(yàn)。

方案1：控制OP20 壓型+預(yù)翻邊工序壓料板與下模的間隙約為1倍料厚，壓料板左/右前段與下模間隙分別為2.3 mm、5 mm，左右兩側(cè)壓料板與下模間隙為5 mm，C 型翻邊刀塊到底距離為9.5 mm，如圖21 所示。仿真結(jié)果顯示，通過(guò)調(diào)整預(yù)翻邊工序的模具間隙、C 型翻邊刀塊到底距離，增加了翻邊工序成形余量，開(kāi)裂位置的主、次應(yīng)變分別為0.541、-0.215，主、次應(yīng)變的比例約2.51∶-1，零件的安全裕度為4.49%，如圖22 所示。綜合評(píng)估，該方案改善零件翻邊開(kāi)裂的效果有限。

圖21 方案1沖壓工藝優(yōu)化方案

圖22 采用方案1的沖壓仿真結(jié)果

方案2：優(yōu)化板料尺寸，OP20 工序由壓型+預(yù)翻邊改為拉延、并增加修邊工序，如圖23 所示。仿真結(jié)果顯示，預(yù)翻邊工序采用拉延工藝替代預(yù)翻邊，將邊緣減薄轉(zhuǎn)換為面減薄，增加的修邊工序，將減薄較嚴(yán)重的邊部裁掉，客觀上提升了翻邊工序的成形余量，開(kāi)裂位置主、次應(yīng)變分別為0.420、-0.158，主、次應(yīng)變的比例約為2.658∶-1，安全裕度16.44%，如圖24 所示。經(jīng)評(píng)估，該方案改善零件翻邊開(kāi)裂效果明顯，但模具需要更改。

圖23 方案2沖壓工藝優(yōu)化方案

圖24 采用方案2的沖壓仿真結(jié)果

3.2 生產(chǎn)試驗(yàn)驗(yàn)證

為保證生產(chǎn)的穩(wěn)定性，選擇方案2 并開(kāi)展生產(chǎn)試驗(yàn)，沖壓零件如圖25 所示，翻邊成形區(qū)域成形質(zhì)量良好，無(wú)開(kāi)裂問(wèn)題，且無(wú)需挑選屈服強(qiáng)度較低的板料維持生產(chǎn)，生產(chǎn)穩(wěn)定。

圖25 橫梁的實(shí)際沖壓結(jié)果

4 結(jié)論

a.對(duì)于伸長(zhǎng)類翻邊成形零件，翻邊量大是造成邊部應(yīng)力集中，主、次應(yīng)變超過(guò)材料成形極限，進(jìn)而造成零件翻邊開(kāi)裂的主要原因。

b.降低主、次應(yīng)變，尤其是次應(yīng)變，更加有利于開(kāi)裂問(wèn)題的改善；塑性應(yīng)變比r值是影響開(kāi)裂位置次應(yīng)變的主要參數(shù)，提升r值可以改善開(kāi)裂問(wèn)題。

c.優(yōu)化模具間隙、翻邊刀塊到底距離等措施，改善零件翻邊開(kāi)裂的效果有限。

d.優(yōu)化板料形狀、預(yù)翻邊工序改為拉延、增加修邊工序，即將零件的邊部減薄轉(zhuǎn)換為面減薄，增加的修邊工序?qū)p薄較嚴(yán)重的邊部裁掉，為翻邊工序預(yù)留足夠的成形余量，可大幅度提升零件的成形安全裕度，是解決翻邊開(kāi)裂問(wèn)題的有效手段。