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[分享] 超高强度钢加工模具研究

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发表于 2017-7-30 08:19:02 | 显示全部楼层 |阅读模式

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为了满足汽车行业严苛的油耗法规、加强行人保护并提升车辆性能,拉伸强度大于1000MPa(1GPa)的高等级钢种如先进高强度钢(AHSS)及超高强度钢(UHSS)等在汽车行业得到了快速的应用。先进高强度钢由于出色的强度和延性展现了最佳的性能。

然而,从冲压模性能角度来看,这些先进高强度钢在与传统模具材料和表面处理技术结合使用时还具有一定挑战性。其中模具的维护和生产的中断往往会导致成本的大幅增加。


图1 世界汽车用钢联盟(WorldAutoSteel)2011 年未来钢制汽车(FSV)项目采用的先进高强度钢级别的钢种类别。许多钢种的拉伸强度均超过900MPa。

为了帮助金属件加工商解决这些问题,美国Auto/Steel Partnership(A/SP)旗下冲压模具优化(STO)项目组开始着手研究先进高强度钢和超高强度钢对模具设计和维护的影响。他们的研究结果在项目的每个阶段完成后都会应用于旗下会员单位(菲亚特克莱斯勒美国公司、通用汽车及福特公司)的冲压模设计标准中。


图2 2016 款本田Pilot 采用了拉伸强度为1,500MPa 的拼焊热冲压车门框架。

国际钢铁行业已经开展了多个合作性项目,从1998年开始的超轻钢制车身(ULSAB)项目到2011年的世界汽车用钢联盟的未来钢制汽车(FSV)项目。这些项目均采用了新型先进高强度钢和创新制造技术,在大幅减重进而提升燃油经济性方面取得了巨大的成果。事实上,FSV研究项目几乎使当前汽车设计及制造工程师可采用的先进高强度钢种类和创新制造技术数量增加了一倍。


图3 2015 款克莱斯勒Colorado 和GMC Canyon 车型采用了连续变截面(厚度连续变化)、拉伸强度1500MPa 的热冲压成型B 柱。

北美汽车行业已经采用了FSV项目的研究成果——许多先进高强度钢和创新制造技术的快速应用就是很好的证明。图2和图3列举了当前北美市场生产的车型上采用的部分材料及制造创新技术。

这些应用实例强调了拉伸强度高于1GPa的先进高强度钢可加工性的重要性。随着这些钢种逐渐得到认可,A/SP冲压及冲压模具优化项目组开始着手在现有汽车制造体系内为这些钢种开发成形技术。

用于双相钢加工的模具耐久性研究

不久前,A/SP STO研究小组完成了一项在真实生产条件下针对DP1180级别钢的测试。该研究的目标是:在DP1180裸钢的折边加工中评估冲压模的耐久性,同时根据结果更新汽车模具的标准。


图4 该研究在Richard Tool & Die 公司( 迈阿密州New Hudson)级进模上按实际生产条件进行,分两个阶段完成。根据设计,14 个工作站冲压模将生产一个试验样件(如图所示),其中包含12 个具有复杂形状的折边。

这项研究在Richard Tool & Die公司(位于迈阿密州New Hudson)级进模上按实际生产条件进行,分两个阶段完成。根据设计,14个工作站冲压模将生产一个试验样件(如图4 所示),其中包含12个具有复杂形状的折边。所选的冲压材料——1.2mm厚的DP1180裸钢板,是目前用于冷冲压工艺中最具挑战的代表性材料。图5显示了14个级进模在条料排样上的操作情况,图6显示了冲压过程中模具在压力机中的情况。

试验所用的级进模由31个嵌件组成,采用了11种模具材料与9种表面处理技术(涂层)相组合的方式。研究第一阶段在2015年进行,采用了18 种模具材料和涂层组合,适用于目前拉伸强度低于980MPa 的先进高强度钢的加工。研究第二阶段在2016 年开展,在第一阶段结果的基础上使用13 种模具材料和涂层组合对拉伸强度大于980MPa 的部件材料进行测试。测试的模具材料包含TD2、D2、T44、CC1、D6510、DC53、S2333、S0050A、SLD-I、Toolox 44和Caldie模具钢, 涂层包括PVD Duplex CrN、Duplex CrN与Most、CR Plate、Cool Sheet、Concept、Concept与Most、铬板、离子氮化铬板以及 Duplex Variantic(TiAlCN)。


图5 条料排样上展示了用于加工一个试验样件的14 个级进模冲压操作。

在试验之前,研究人员采用LS-Dyna和AutoForm软件进行了仿真计算,确保预先的操作设置不存在加工可行性问题。


图6 在Richard Tool & Die 工厂内正在进行试验的级进模、试验用冲头和条料。

新的模具材料与涂层组合

对冲压模的磨损判断基于以下标准:安全(无磨损)、轻微刮痕和冲压件表面非常粗糙的刮痕(见图7)。每冲压100次,就对冲压板材进行一次评估。2015年进行的试验采用了成功用于拉伸强度低于980MPa 钢的冲压模和涂层材料组合,试验结果显示,最快冲压35 次就会出现性能问题,大多数嵌件在20,000次冲压后出现问题。唯一能够挺过20,000次冲压的组合是:采用CoolSheet涂层的TD2材料。


图7 该试验样件出现了粗糙的刮痕,由磨损的冲头造成。

2016年,研究小组再次研究了新的模具材料和涂层组合的耐久性,来确定采用这种组合的冲压模能否用于加工拉伸强度大于980MPa的新一代先进高强度钢。总的来说,模具嵌件性能比2015年有非常大的提升。虽然本次研究在4,000次冲压后出现一次故障,但是大多数嵌件的冲压次数都超过10,000次,四种组合的总冲压次数达到了65,800次。事实上,在2015年试验中表现最佳的嵌件(采用TD2材
料及CoolSheet 涂层组合)在2016年的试验中依然表现突出,没有出现较大的问题,总的冲压次数超过了80,000次。

研究小组进一步分析了两次试验的结果,试图找到模具磨损与嵌件硬度和表面粗糙度之间的关系。结果显示与模具磨损的程度没有直接联系。不过,此前的研究表明,硬度超过60洛氏C的嵌件更容易出现切屑,而硬度超过54洛氏C的嵌件则会出现早期磨损现象。嵌件表面粗糙度的分析结果相比硬度更加无规律可循,但是显示了中等粗糙度可能为最好的结果。

第二阶段的结果是在重复第一阶段试验的基础上得到的。与第一阶段相比,研究小组发现模具性能和测量结果并无直接关系。作为第二阶段试验分析的一部分,研究小组测量了钢板在最初状态和最终加工后的表面粗糙度。在模具出现磨损的情况下,最终加工件的表面粗糙度因折边材料和涂层的不同而呈现差异。在某些情况下,粗糙度如预想的那样有所增加。但是在其他一些情况下,表面粗糙度有所减少,表明在折边操作中,模具开始磨损工件表面突出的地方。

此外,研究小组用扫描电子显微镜仔细观察了每一个磨损的模具嵌件,并用成像处理软件对磨损区域进行了测量分析。这些结果与工件表面评估结果进行了比对,结果验证了之前的推测——目前大规模生产中使用的模具及涂层材料无法承受DP1180钢的冲压加工,而且会导致冲压工具过早出现损坏,并在冲压件表面造成严重的刮痕。

模具/ 涂层组合是韧性钢加工的关键

A/SP冲压模具优化项目组最近进行的研究表明,要想加工拉伸强度超过1GPa的钢材,需要改进模具材料和涂层的组合。一些模具材料和涂层组合经验证与之前用于冲压拉伸强度小于1GPa钢板的模具设计相比在耐磨性方面性能更佳。

此外,研究小组还计划继续对模具硬度和粗糙度之间的关系展开研究,以提高超高强度钢加工的模具性能。随着汽车行业对先进高强度钢的接受和应用速度的加快,以及钢铁行业不断开发强度更高、延展性更强的钢种,不断提高模具技术以跟上其步伐显得愈发重要。


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