高強度板汽車零件的工藝設計和模具開發(fā)

1、北京汽車研究總院作者：張學文現(xiàn)代汽車結(jié)構(gòu)、性能和技術(shù)的重要發(fā)展方向是減重、節(jié)能、降低排放和提高安 全性。汽車的質(zhì)量和能源消耗成線性關(guān)系。據(jù)統(tǒng)計，汽車質(zhì)量每降低1則燃耗可降低 0.6 1.0。能耗又與尾氣排放密切相關(guān)。因此，汽車輕量化對節(jié)能和環(huán)保 意義重大。為了適應現(xiàn)代汽車生產(chǎn)需要，板料供應商開發(fā)了具有成型性好、強度高 等優(yōu)點的高張力鋼板。對于模具供應商來說，板料性能是影響零件成型性能和模具 使用壽命的關(guān)鍵因素。板料強度的提升直接影響到模具設計和沖壓工藝編制。較高 強度的板料會導致零件成型、沖壓件的尺寸精度、重復性保證難度提高，零件回彈 加大、模具本體磨損加快、使用壽命縮短。為了解決以上問題，必

2、須在工藝設定、 模具結(jié)構(gòu)設計上做出相應調(diào)整。汽車用高強度板料的種類和特點汽車用鋼板按其用途應用了各種強化機理。傳統(tǒng)的汽車用鋼板主要是采用向低 碳鋼中添加合金元素形成固溶強化型鋼以及晶粒細化的析出強化型鋼 2 種方式來實 現(xiàn)低碳鋼的高強度化。而現(xiàn)代汽車高強度鋼板則是采用鋼在冶煉及熱處理過程中使 其金相組織得到強化的機理，而獲得組織強化、復合組織強化、相變強化、熱處理 強化、冷作硬化強化和時效強化等現(xiàn)代高強度鋼。近幾年，這些高強度鋼軋制的鋼 板在汽車制造中獲得了廣泛使用。t（1）烘烤硬化鋼（ BH 鋼）。BH 鋼的金相顯微組織以鐵素體為基體，并主要以固溶的形式進行強化。 BH 鋼的特點是所添加的化

3、學元素磷在鋼的冶煉過程中能與碳、氮形成固溶強化，實現(xiàn) 了固溶體強化。在車身制造過程中，當進行沖壓成型加工時，基體（鐵素體）內(nèi) “位錯”密度增加，碳、氮原子向 “位錯”擴散的距離縮短。當用 BH 鋼制造的車身進 行涂裝時，車身在各烘干爐中被加熱烘烤，此時便賦予了固溶體中碳、氮原子擴散的熱激活能量，使碳、氮原子在 “位錯 ”處析出，從而增強了制品的屈服強度，故 將其稱為烘烤硬化鋼。 BH 鋼常用于車門、行李箱外板等零件的加工。t（2）雙相鋼（ DP 鋼）。 tDP 鋼具有很軟的鐵素體和堅硬的馬氏體 2種相。由于金相組織中含有大量的 鐵素體（即金相組織的基體為鐵素體），它的伸長率相當高，塑性相當好，

4、接近于 添加磷等元素形成含有固溶體的傳統(tǒng)高強度鋼板。此外，鋼中硬質(zhì)相馬氏體和軟質(zhì) 相鐵素體之間的應變不協(xié)調(diào)，但進行壓力加工時會引起相當高的加工硬化，從而引 起 DP 鋼相當高的加工硬化，致使它具有相當高的抗拉強度，限制了拉伸時出現(xiàn) “縮頸”，具有良好的延展性和成形性。因此，它被用于對加工性有嚴格要求的薄板 沖壓件，如車門加強板、保險杠等零件。（3）相變誘導塑性鋼（ TRIP 鋼）。TRIP 鋼的金相組織中含有大量的鐵素體和相變引起的貝氏體以及殘余奧氏體 和馬氏體，貝氏體組織可由中溫等溫得到，也可以在連續(xù)冷卻中得到。在 TRIP 鋼 的貝氏體或貝氏體 -鐵素體構(gòu)成的基體（母體）金相中，分散地存在

5、著馬氏體以及 殘留的百分之幾到 30%左右的的奧氏體。這些殘留的奧氏體在加工時，會再轉(zhuǎn)變 為馬氏體，于是引起部分材料的強度提高，這就使得材料總體獲得良好的加工性， 并且抗沖擊性大大增加。前，世界各大鋼鐵公司生產(chǎn)的 DP 鋼或 TRIP 鋼的抗拉強度均已達到 590 980MPa ，并已進入實用化階段。新開發(fā)乘用車的前端車架縱梁、轉(zhuǎn)向拉桿下臂以 及各車身立柱均采用 DP 鋼或 TRIP 鋼。（ 4）多相復合鋼（ CP 鋼）。 CP 鋼既采用 了按晶粒細化機理提高延展性的措施，又采用了通過金相顯微組織硬化機理提高強 度的措施，雙管齊下，提高了機械性能。必須強調(diào)的是：與雙相鋼DP 相比，在相同抗拉強

6、度 800MPa 的情況下， CP 鋼的屈服強度明顯提高，并且較大。 CP 鋼還具 有相當高的抗沖擊吸能特性和很高的殘留變形能力。因此， CP 鋼既具有相當高的 抗拉強度、高加工硬化系數(shù)，又有非常均勻的延伸性能。以 CP 鋼加工的制件為 例，成形后再經(jīng)涂裝時的烘烤、硬化，其抗拉強度可超過 800MPa 。（ 5）鐵素體 - 貝氏體鋼（ FB 鋼）。鐵素體 -貝氏體鋼亦稱拉伸翻邊鋼或高擴孔鋼，這是因為它具 有改善凸緣翻邊或長孔的拉伸能力。 FB 鋼可用來制造熱軋產(chǎn)品，其主要優(yōu)點是改 善了由擴孔翻邊試驗所測定的修平凸緣或翻邊所形成的邊緣性能。在這些方面，它 優(yōu)于高強度合金鋼和雙相鋼。與 HSLA

7、鋼相比， FB 鋼在同等屈服強度的情況下， 也具有較高的加工硬化系數(shù) n ，并且增加了總的邊緣延伸量。此外由于 FB 鋼具有 良好的焊接性能，它總是被用來生產(chǎn)沖壓大、中型車身覆蓋件的激光對焊板坯 （TWB ）。FB 鋼的重要特點是：既具有良好的抗碰撞性能，又具有優(yōu)秀的抗疲勞 性能。高強度鋼板在汽車上的應用及存在的問題 1高強度鋼在汽車外面板上的應用車頂、車門、行李箱等部件要求具有變形剛 度和抗凹陷性，主要使用抗拉強度為 340390MPa的 BH 鋼板。 BH 鋼板的屈服強度在烘烤涂漆時升高，可在不損失成形性的前 提下，提高抗凹陷性，減薄鋼板。現(xiàn)在，有的車型已使用 440MPa 級BH 型高強

8、度 鋼板。 2高強度鋼板在車體框架上的應用隨著正面撞擊、側(cè)面撞擊的撞擊安全性標 準的提高，結(jié)構(gòu)件、加強件等主要使用 590MPa 級高強度鋼板。也有一些使用 780MPa 級、 980MPa 級高強度鋼板。甚至有將 390MPa 、440MPa 級高強度鋼板沖 壓成形后，對強化部分進行高頻加熱和淬火，以使部件局部抗拉強度達到 1200MPa 并在沖壓加熱鋼板的同時進行冷卻，以使部件整體抗拉強度達到 1470MPa 的方法。此外，還有拼焊方法，即采用激光將不同厚度、不同材質(zhì)鋼板 拼合起來，使材料配置適用于所要求材質(zhì)和使用部位。由于拼焊能使部件拼合，減 少部件數(shù)量，去除點焊凸緣，這對汽車輕量化有著

9、很大的作用。盡管拼焊材料在使 用初期以提高材料利用率為目的，僅用于小型部件上，但最近已將拼焊材料擴大應 用于車身側(cè)板和車箱底板等大型部件。拼焊板主要采用 400590MPa 級高強度鋼 板，也有使用 780MPa 級和 980MPa 級高強度鋼板的情況。 3高強度鋼板在汽車底 盤上的應用懸掛梁用材已從傳統(tǒng)的 440MPa 級熱軋板發(fā)展到 780MPa ，最大減重達 30 。近年來，高強度鋼板在底盤上的使用比例正在急劇增加。今后，高強度鋼板的 使用比例及更高強度鋼板的應用有望進一步提高。 4高強度鋼板的成形存在的主要問題鋼板高強度化易引起塑性下降，成形性變 差，而屈服強度的提高則引起面畸變和回彈

10、效應，增加形狀不穩(wěn)定性。典型的成形 缺陷有開裂、形狀不良、尺寸精度不良和卡模具等。（ 1）開裂。提高高強度鋼板 強度，易引起塑性下降，也會使脹形斷裂極限和拉伸翻邊斷裂極限下降。隨著鋼板 的高強度化，易產(chǎn)生裂紋。另外，由于其需要大的成型力，連續(xù)加工時，若模具溫 度升高，則發(fā)生卡模具現(xiàn)象，其結(jié)果將誘發(fā)裂紋的產(chǎn)生。（ 2）形狀不良。屈服點 升高時，易發(fā)生起皺現(xiàn)象。起皺不僅會造成卡模和裂紋，也難以在成形后期消除， 其結(jié)果往往導致形狀不良。由于不能在成形后期消除起皺，沖壓件不能在下死點 成形。而且，成型后的彈性回復引起的形狀不良以及起皺引起的面應變也是很大的 問題。（ 3）尺寸精度不良。材料強度升高時，

11、殘余應力增大，易產(chǎn)生成形后彈性 回復引起的形狀不良和尺寸精度不良（回彈）等。這是高強度鋼板成形中最為嚴重 的問題?；貜検前搴穹较驊Σ钜鸬囊詻_壓件角度不合格和面翹曲為代表的尺寸 精度不良現(xiàn)象。隨著材料強度的提高，角度不合格和面翹曲變得嚴重起來。 （4）卡模具。高強度鋼板成型時需要大的成形力，以使坯料與模具的接觸壓 力增大。這樣，易發(fā)生卡模具現(xiàn)象。若這一現(xiàn)象更為嚴重，則應修正模具。這不但 需要有更為合適的材質(zhì)對模具進行表面處理和淬火處理，也會縮短模具的維修期， 增加模具維修費用。高強度板零件產(chǎn)品的沖壓工藝特點分析模具制造主要分工藝設 計、結(jié)構(gòu)設計、加工、鉗裝和調(diào)試等 5 個步驟。應該說工藝方案

12、設計是影響零件最 終品質(zhì)的最關(guān)鍵的因素，工藝方案直接決定著產(chǎn)品的外觀和使用功能，而且也會影 響到模具生產(chǎn)成本。另外，模具結(jié)構(gòu)的合理性，將直接影響模具的加工性和操作維 修便利性。對于梁類高強度板來說，材料的選用和熱處理至關(guān)重要。零件回彈和拉 延模本體磨損拉毛是較難解決的問題。要想解決以上 2 個問題必須全流程控制，結(jié) 合以上分析確定了整個項目關(guān)鍵控制點如下： ·控制產(chǎn)品輸入（審查產(chǎn)品沖壓工藝性）；·最佳的沖壓工藝方案設計（不同強度板料采用不同方案）；·合理的模具結(jié)構(gòu)（加工性、回彈調(diào)整便利性）；·鑲塊材料的磨損、拉毛（選擇合適的材料、熱處理方式）。 1 高強

13、度板產(chǎn)品 成型性預判 ·消除突變凸臺；·避免局部脹形；·避免截面線長急速變化；防回彈措施；·圓角：零件圓角必須足夠大，原則上不要小于 8，否則拉延易破裂，而且整 形后零件法蘭上翹。2高強度鋼板的缺陷控制技術(shù)鋼板高強度化易產(chǎn)生開裂、形狀不良、尺寸精度 不良等沖壓缺陷。 （1）防止開裂、形狀不良（起皺）的技術(shù)。 鋼板的高強度化易引起成型性下降。因而，對原有復雜形狀的部件進行沖壓成 形變得非常困難。然而，采用能使部件形狀平直化等的方法則是一種有效的方法。 隨著電子計算機處理速度和軟件功能的提高，模擬成型技術(shù)有了飛速發(fā)展，可以高 精度預測開裂、起皺等形狀不良缺陷

14、。現(xiàn)在，模擬成形技術(shù)已被應用于開裂、起皺 預測、適用壓邊力設定、坯料合理余量設定和剛性筋沖頭形狀最佳化等。（2）防止尺寸精度不良（回彈）的技術(shù)。隨著汽車結(jié)構(gòu)件用材高強度化的快速推進，近年 來，在沖壓成形方面開發(fā)能防止回彈技術(shù)的呼聲日益強烈。為此，在模具結(jié)構(gòu)方面 采取了以下措施： 利用凹模肩部附近的反向彎曲，減小沖彎加工中常出現(xiàn)的面翹 曲； 在模具上設置壓筋，將下死點附近的凸起部分壓入鋼板，使板厚方向產(chǎn)生的 殘余應力得以緩解，以防止面翹曲的發(fā)生。此外，還有彎曲沖壓成型法，即在一次 成形中完成全部成形過程的大部分，然后進行壓筋加工二次成型，施加高壓邊力， 以抑制坯料從壓邊處流入。 另一方面，在模具

15、設計時預測坯料反彈量。預測模具形狀的方法已作為防止回 彈的措施而被廣泛應用。模擬成型法是預測方法之一，其作用正越來越明顯，可以 對裂紋和形狀不良進行高精度預測，該方法現(xiàn)已應用到實際工程中。（3）防止卡模具（影響生產(chǎn)率）的措施。新的薄膜處理方法 金剛石狀碳（ DLC ）薄膜處 理方法可解決影響生產(chǎn)率的卡模具現(xiàn)象。此外，還有能使模具壽命比現(xiàn)行 TiC 和 TiN 處理提高 1 倍的 DLC-Si 薄膜處理方法。從控制模具成本角度考慮，還提出通 過模擬成型，事先對需要進行表面處理部位進行預測的方法。隨著成形力的增加， 沖壓設備能力不足也是值得擔心的問題。簡化沖壓件形狀以及采用拼焊材料是解決 該問題的

16、有效方法。這對增加成型工序道次及重新審查沖壓部件的劃分情況和工序 劃分情況也是有效的，但這涉及到成本的增加，需加以認真研究。高強度板零件模 具結(jié)構(gòu)要點 為了便于模具的加工和防止模具再工作過程中由于意外壓雙 料損壞凹模鑄件， 采用了一種全 新結(jié)構(gòu)，將凹模固定座分成左右 2 塊，中間用 M24 的雙頭螺栓進 行連接，兩側(cè)用鎖板連接， 底面臥在底板窩座中。 在加工時左 右分開便于加工中間凹槽部位， 遇到工作意外時損壞螺栓 和鎖板，保證鑄件的安 全。 對于高強度板梁類零件的特殊性，雖然前期零件已 經(jīng)過多輪模擬對回彈進行了修正補償。 但 是模具實物修正也是無法避免的。由于 模具鑲塊均為 Cr12MoV,

17、 型面部焊困難，而且補焊后 局部材料硬度的偏差，容易在 制件表面造成拉毛缺陷。其次，熱處理后的 Cr12MoV 鑲塊加 工困難，而且材料成 本 高，因此，為了避免鑲塊報廢損失，決定先采用 HT300 做凸凹模鑲 塊，待零件 調(diào)試合格后重新更換 Cr12MoV 鑲塊，一次加工到位。 鑲塊熱處理變形及開裂是模 具處理過程的主要缺陷之一。 模具鑲塊在淬火后的變形， 不論采 取什么方法都是 無法避免的。 Cr12MoV 鑲塊在熱處理過程中 由于各部分加熱和冷卻速度不 一致 而引起溫度差， 加之組織轉(zhuǎn)變的不等時性等原因， 使得鑲塊截面各部分體積脹縮 不均勻， 組織轉(zhuǎn)變的不均勻，從而引起 “組織應 力”和

18、鑲塊內(nèi)外溫差所引起的熱應 力，當其內(nèi)應力超 過鑲塊的屈服極限時 ,就會引起鑲塊的變形或產(chǎn)生裂紋而報廢。 CAE 技術(shù)的應用 計算機輔助技術(shù)（ CAE ） 已成為國內(nèi)外汽車工業(yè)開發(fā)新產(chǎn)品、組織規(guī)模生產(chǎn)、增強市場競爭 能力的重要手 段。 隨著有限元技術(shù)的不斷發(fā)展和理論的日益成 熟， 借助于有限元模擬軟件， 不 但對上游產(chǎn)品設計理念和材料的選取有一定的指導作用， 而且對模具生產(chǎn)企業(yè)的 產(chǎn)品的工 藝性制定和現(xiàn)場調(diào)試都有很大的幫助。通過 對上游產(chǎn)品設計的指導，使 產(chǎn)品設計和模具同 步開發(fā)成為可能，大大縮短了汽車生產(chǎn)周期，增強了汽車生產(chǎn) 企業(yè)的競爭力。通過對模具工 藝制定的進行指導，使設計 人員正確把握零件的工 藝性能，弱化調(diào)試人員的現(xiàn)場作用，減 少調(diào)試人員的工作量。 高強度材料由于強度較高，成型困難，容易產(chǎn)生開裂、起 皺、回彈等缺陷。借助于 CAE 模 擬技術(shù)，成功預測零件在成型或者后序出現(xiàn)的缺 陷，在零件生產(chǎn)時 通過修改工藝，消除缺 陷的出現(xiàn)。 右/左前