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[汽车钢板] 高强度钢板的成形特性及成形技术现状

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发表于 2020-3-5 08:06:32 | 显示全部楼层 |阅读模式

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本帖最后由 metal 于 2020-3-5 08:09 编辑

高强度钢板的成形特性及成形技术现状

金英锡1 吕晓东2 肖潇1 曹坤洋2 未建青2
(1.韩国国立庆北大学,大邱 702-701;2.北京航空航天大学,北京 100083)
【中国汽车材料网】摘要:简述了高强度钢板的成形特性、破坏形式和评价方法。阐述了在用超高强度钢作为材料制造汽车零部件成形时,使用的热冲压成形技术的概要及其特征。对高强度钢板在多种变形模式下,成形性、成形不良的发生原因及相应对策进行了说明,对国内、外相应的先进技术发展趋势进行了介绍。
关键词:高强度钢 成形特性 热冲压 成形技术

1 前言

随着因温室气体(Greenhouse Gas Emission,GHG)排出引起的地球变暖及酸雨等环境污染问题的日益严重,汽车轻量化成为刻不容缓的研究课题。与此同时,在韩国,从2016年开始,遵照先进国家的标准,温室气体的允许排出量变为97 g/km,燃油消耗基准为24.3 km/L。本文将延续上次论文[1],对高强度钢板的成形特性进行深入了解,展示不同模式时评价其变形性的方法。同时,展示各种高强度钢板的成形性及在冲压加工工艺中,不良产品出现的事例。并对这些事例进行分析,以找出克服出现不良产品的好的方案。


2 高强度钢板的成形性

同之前提到的一样,在高强度钢板成形过程中,多发生材料破裂、成形不良、尺寸精密性不理想、冲压加工时金属模具磨损等问题[2]。在实际汽车冲压生产现场,使用类似有限元要素分析手段,防止破损、断裂发生,确定最佳的金属模具模样及成形条件。通过此方法减少试冲(trial)次数、增加生产速度、降低产品生产单价,是目前重要的研究课题。Hecker等,以局部颈缩(localNecking)发生极限定义的成形极限图FLD(FormingLimit Dia⁃gram)概念为基础,对板材冲床加工过程中,材料在多种变形状态下避免断裂和破损的同时能承受的最大变形率进行了说明[3,4]。通常,成形极限图通过比例变形路径得到(假设冲压加工中维持一定比例的变形率时)。但实际加工中,变形路径改变的情况时有发生,对此还需进行进一步观察。对于高强度钢板,关于其变形路径变化的FLD预测以及成形工艺的有限元要素分析中材料的强化曲线(流动应力-变形率),使用Swift和Voce的组合式是非常好的解决办法[5]。

图1为与HSLA340、DP600、TRIP600、DP800高强度钢板相比,软质钢板(DDS)使用ISO 12004-2试验方法时测得的成形极限图[4]。

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图1 多种高强度钢板成形极限图[4]

由图1可知,随着钢板强度的增加,其整体成形极限会降低。同时,高强度钢板的成形极限线的高度虽然不同,但形态相似。在平面应变拉伸试验(Plane strain stretchingtest,PSST)或角拉伸弯曲试验(Angular stretch bend test)中,可以得到较高的平面变形成形极限的主要变形率FLD。

图2表示双向预应变拉伸(Prestrain)时,呈现的成形极限图。从图2中可知,在DP780、TRIP690高强度钢板比例变形线路中,与平面变形方向的成形极限相比,双向预应变拉伸方向的成形极限要高很多。但是,双向均受拉伸力时,平面变形方向及单向拉伸方向的成形极限会变得非常小。两种情况试验开始的同时板材便发生了断裂。图3a表示拉伸试验中的极限拉伸比(Limit Drawing Ratio,LDR),图3b表示冲压拉伸试验中板材断裂时的净高(Dome Height,DH),图3c表示使用直径为50mm,半角为30°的圆锥角模具进行空穴试验得到的扩孔率(Hole Expansion Ratio,HER)。

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图2 非线性应变对高强度钢成形极限图的影响[6]

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图3 评价成形性能图

图3b中,当凸模圆角半径Rp=25 mm时,凸模成为完全的球形,因此属于冲压拉伸试验。在预测高强度钢板的机械特性和拉伸应力-变形率方面,和软质钢相比,LCD与DH处于劣势。统一水准的TRIP800钢与DP800钢相比,TRIP钢的延伸性和加工强化指数N更高,因此在LDR和DH上更好。在使用高强度钢板进行的空穴试验中,因为材料强度高,受冲压板材的断层面和破裂面位置容易受到高强度应力,从而产生很多微细龟裂和空隙。所以和软性钢板相比扩孔率HER会下降很多。DP600钢的扩孔率大约为60%~70%,但是经过改善的FB590钢(YS530,TS615,El21.0,N0.102,R0.93)的扩孔率几乎能达到100%。

使用高强度钢板进行扩孔试验时,因为微细龟裂是在瞬间产生,用肉眼观察其准确度不高,因此开发了影像技术来观察和处理这些问题,如图4[7,8]所示。

图5中,大部分高强度钢板的延展性不足,和铝的变形一样,观测不到明显的颈缩变形现象。

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图 4基于视觉辅助技术自动测定扩孔率

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图5 各种钢材的内部损伤图像

高强度钢板在冲压拉伸变形或冲压凸缘变形时,通过以颈缩变形现象中的FLD为基础求出成形极限是不可实现的,如图6所示[10]。作为代替,根据韧性断裂准则(Ductile fracture criterion)或修正的Mohr-Coulomb破坏准则(Modified Mohr-Cou⁃lomb Fracturemodel,MMC),以断裂成形极限图(FractureForming Limit Diagram,FFLD)为基础求出成形极限的办法可行。

3 高强度钢的冲压缺陷

汽车车体零部件在冲压成形时,常出现的成形不良情况有撕裂、弯曲等破坏现象,以及皱褶、面弯曲成形不良,同时成形产品在回弹、挠率张量、成形精度等方面也存在问题。因此,冲压成形极限及产品品质的好坏取决于其在成形过程中是否发生了成形不良问题。

另外,高强度钢板使用时,要尽量避免材料和螺丝因为较强的接触应力而产生的摩擦或黏附磨损,导致出现产品表面损伤,产品质量下降的问题。

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图6FLD和MMCC-FFLD的比较

因为高强度钢板的屈服应力和引张应力较高,所以与软性钢相比,容易发生皱褶、面变形等成形不良以及尺数精密性不够等问题。同时,其延伸性较低,冲压成形性和冲压凸缘性较低,在成形过程中容易出现弯曲、破断等问题。

3.1 破断

除了在高强度钢板外板中使用R值较高的IF钢板以外,一般来说因为R值较低,拉伸加工时,受到成孔肩胛处破裂的影响,拉伸性较低。另外,拉伸性与材料的延伸性及均一变形率密切相关,因为高强度钢板的破断延伸率较低,所以其拉伸性也较低。但是,拉伸性又受到强化机理的影响,因此,和析出强化钢相比,DP与TRIP钢的拉伸性更为理想。

高强度钢板在轮轴等地方使用时,剪切、打孔、冲压或折断部分位置经常是凸缘成形,所以关于凸缘破断,需要更好的对策。例如,为了提高凸缘成形性及切面品质,要充分管理好剪断间隙及工具的磨损。

另外,因为高强度钢板的冲压成形负荷非常高,连续加工时,随着模具的温度升高,容易出现缝隙导致破断,所以对模具的材质选择及其冷却手段要有更好的方案。

3.2 形状不良

因为高强度钢板屈服应力较高,所以成形初期皱褶容易发生,并一直持续到成形后,导致成形不良。另外,因成形后的弹性回复力容易导致回弹及面弯曲等成形不良,为了克服面弯曲,成形时,在金属板中附加张力致其延伸率提高的方法最为普遍,因此,拉深压边力的设计、张力调整杆的灵活运用、对于补强厚度(excess thick⁃ness)的使用,模具面成形的组合、在厚度方向加压等方法,都是比较有效的手段。

3.3 成形精度不良

随着板材强度增加,其成形后的残留应力(residual stress)变强,所以成形后容易出现回弹导致的尺寸精密度不良。如图7和图8所示,使用断面为U型及帽子型(hat type)产品时出现的尺寸精密度不良主要有角度变化(angular change)、弯曲(wall wrap,curl)、断面或轴扭曲(twisting)、长度变形(longitudinal wrap)等。

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图7“帽沟”成形后回弹量的比较[4]

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图8“帽沟”的形状尺寸和成形精密度不良

在图8中,塑性变化率小的情况为角度变化,塑性变化率大的情况为弯曲,轴弯曲主要发生在较浅的非对称形状当中。

回弹是角度变化及弯曲中具有代表性的不良现象,且全部是因为厚度方向上的应力(材料内外面的应力差)差异产生。回弹受到成形材料的数值(模具和冲头的间隙、冲头的曲率半径、形状)、成形条件(在轴向方向上的附加压力、底部冲头的压力等)、材料特性(厚度、杨氏模量、屈服强度)等方面的影响。

图9是NUMISHEET 2008-BM2条件下帽子型成形结果。从图9中可以看出,回弹量变化(θ1)及弯曲(1/R)会随着钢板强度的增加而成比例增大。而轴方向上扭曲的情况不明显。

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图9 各种板形缺陷

图10表示统一强度水准的TRIP钢和DP钢的比较结果。低变形率领域时,DP钢的加工强化指数较高,高变形率领域时,TRIP钢的加工强化指数高。因此,V-弯曲变形时,DP钢发生更多回弹,帽子型弯曲变形时,TRIP钢发生更多回弹(参照图11所示矩形横截面(b×h)弯曲应变变化后的杆角度)。通过Autoform软件和PAM—STAMP软件对弯曲角和回弹量进行比较如图12所示。

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图10 统一强度水准的TRIP钢和DP钢加工强化指数比较

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图11 高强度钢的回弹量在实验和有限元预测上的对照比较[13]

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图12 通过Autoform软件和PAM—STAMP软件对弯曲角和回弹量进行比较

3.4 烧灼

高强度钢板在冲压成形时,由材料和金属模型之间的高压力引起的烧灼及黏附磨损,不仅使产品表面的品质下降,同时会增加金属模具的维护费用。所以考虑到表面处理,要选择合适的金属模具材质、涂层及相应的热处理。

4 高强度钢板的热冲压成形

随着强度升高材料延伸性变低,会导致钢板破断,容易造成成形不良及金属模具耐久性降低等问题。解决方法是,对拥有600 MPa左右抗拉强度的软质高碳素钢,在成形后通过整体或局部热处理使其高强度化,或使用热冲压技术使其变为具有1 200~1 500 MPa抗拉强度的产品。

瑞典的Plannja会社在生产锯条及除草机的切割装置时第一次使用了热压成形(hot press form⁃ing)或热印(hotstamping)成形技术。1984年在SAAB9600型号汽车上第一次使用该技术,使用强化能力优秀的硼钢,在Ac3变态点以上930°C前、后,在奥氏体单向组织区域加热数分钟,然后在成形后的金属模具进行15~20 s的冷却。通过淬火硬化效应(quenching hardening),得到含有马氏体组织的产品(图13)。该项技术还叫模压淬火(press quenching)、模具淬火(die quenching)或直接热压成形(Directhot press forming)。以类似方式,约90%~95%的终产物在常规冲压机中冷成形和休整后,给予加热,最后通过冷冲压得到成形的方法叫做间接热压成形(in-direct hot pressform⁃ing)。间接热压成形是制造复杂形态产品的非常优秀的方法[19,20]。

图13b中可知,一般情况下,冲压用硼钢在冷却率35℃/s以上时,可以成为拥有无扩散马氏体的超高强度产品。冷却速度比临界值低时,则得不到马氏体组织的同时,产生铁素体、珠光体、贝氏体等,导致其整体强度下降及软化特性降低。给材料加热的方式主要有使用辊底式炉(roller⁃hearth furnace)加热的方法、使用高频发射器和包裹式感应线圈(induction coil,inductor)诱导发热的方法以及在材料两边设置电极,利用其电阻加热的方法(conduction heating)。

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图13 22MnB5钢的持续冷却转换图(A:奥氏体;
B:贝氏体;F:铁素体;M:马氏体)[19]

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图14 热压成型技术在汽车上的典型应用

如图14所示,冲压加工工艺在车用防撞梁、保险杠、侧梁、a、b加固柱等方面有很好的应用,并且其应用范围正在不断扩大。截止到2013年末,全世界约有4.5亿个零部件是通过冲压加工技术生产的。在冲压成形中使用的硼钢被称为渗碳钢(Press-Hardened Steel,PHS)。普通表示为22MnB5。在表1和表2中,展示了具有代表性的硼钢USIBOR1500厚度为1.2 mm的化学特性及机械特性。坯料加热原理如图15所示。

冲压机内,加热成形后的板材急速冷却,为了生成单向组织的马氏体,通常使用在金属模具下方装置冷却管使内部有冷水流入或在金属模具外表涂冷却液的方法。在设计冷却管的大小、位置、分流等方面时,要充分考虑加工板材能否均一地生成马氏体,同时不发生破损等影响其耐久性的问题。制造冷却管时通常不使用深孔钻,推荐使用在金属模具制作时即预先铸造孔的方法。近来,为了加大金属模具材料的冷却特性,同时减少2~3 s的冷却时间,已开发出在铝压铸模中加入镀铬、镍、钼合金的HTCS-170金属模具。

表1 1.2 mm厚度USIB1500元素组成表mass %
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表2 1.2 mm厚度USIB1500机械性质
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图15 坯料加热原理[19]

将未涂层的硼钢在炉内加热时,为了防止与空气碰撞而产生的表面氧化与脱碳现象,常使用保持炉内还原性气体及使用铝硅涂层、锌涂层或基于X-tech纳米技术的被覆钢板。另外,因为加热而引起的氧化现象对其焊接性、涂层存在不利影响,常使用喷丸除锈机进行去除。通过此处理,产品表面产生的残留压缩应力会有利于其自身的疲劳破坏及延迟破坏。

通常根据钢板氧化层温度T的Arrhenius表达式α()

T=A0θXP{-EA/(KBT)}可知,T会不断增长。

冲压成形后的产品因为多是超高强度钢,所以在后期加工时,多使用激光切割方法。但是激光切割的周期较慢,最近在使用现有深冲压技术的同时,正对相关后处理技术进行研究。此外还有,不在高温下加热而是在常温中使用1 000 MPa以上板材直接进行冲压加工的技术也已经被研发。

此外,像B柱这种需要加强冲撞性能的的车用零部件,为了使其后部防止冲撞扩散又要其下部能很好地吸收能量,并且与零件各部分接触的金属模具在分别具有不同冷却能力的情况下不改变其加工工艺局部淬火(partial quenching)的研究正在进行。对于不同区域使用不同强度(multi-strength)的钢种,或使用不同厚度的焊接式钢板(Taylor Welded Blank,TWB)的下一代热冲压成形技术也得到使用(图16)。

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图16 通过控制冷却速率和使用不同厚度的焊接式钢板设计组件属性[20]

为了进行热冲压有限元分析,需要得到随温度变化时产生的应变-变形率曲线及变形与加热之间的关系图,如图17所示。另外,即使在统一温度时,因为相结构的体积比不同,其应力-变形率曲线也不同,所以要使用在构成方面具有相变性行为的模型[25~27]。

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图17应变速率和冷却速率对22MnB5板材的影响[27]

由图17可知,温度增加时,应力及加工强化指数反而会减小。同时,在800°C附近时,变形率的增加会导致应力及加工强化指数增大,应力会表现出收敛于一个特定值的现象,这是因为在高温环境下发生了回复及动态再调整现象。但是,在500°C附近时,奥氏体组织会突然生成贝氏体组织,会出项变形率降低时应力反而增加的情况。高温时,Cowper-Symonds在LS-DYNA条件下的应力-变形率如下所示[28]:

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式中,σd和σs分别为动态屈服应力和静态屈服应力;C和P为C-S的材料常数。

5 结束语

对高强度钢板在多种变形模式下,成形性、成形不良的发生原因及相应对策进行了说明,对于解决超高强度的汽车零部件成形时发生的回弹和金属模具磨损等问题常用的热冲压成形技术,对其国内外相应的先进技术发展趋势进行了详细介绍。

对于汽车与零部件企业的研究人员来说,通过本文介绍的高强度钢板的成形性与相关热冲压成形技术,会对实际设计汽车的高强度零件时起到很大帮助。


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