高强度薄板在车身上的应用及成形中出现的问题

高强度钢板在车身上的应用及成形时出现的问题南京依维柯汽车有限公司二车身厂 常毓斌摘要：本文从高强度钢板的强度性能和工艺性方面入手，着重阐述了高强度钢板在车身上的应用，以及在冲压工艺方面 应注意的问题。 针对高强度钢 板冲压成形特性，提出了选择模具材料、模具制造、工艺润滑方面的注意点，以确保 产品质量和模具寿命。关键词：高强度钢板，强度性能 ，工 艺性，拉深，粘 结瘤，回弹1. 引言在汽车制造业中，节约能源一直是技术人员解决的主要问题之一。影响汽车燃料经济性的因素很多，如汽车自重、发动机功率、传动效率以及各种摩擦阻力等。采用钢板制造汽车车身具有很大的减轻质量潜力。从材料角度出发，使用高强度钢板可减轻质量 5%，如果配合加工制造和设计的减轻质量潜力（分别可达 15%和 25%），则减轻质量效果会十分显著。2高强度钢板在车身上的应用车身上对汽车零件材料减薄，必须首先提高材料的强度，保证零件的可靠性。高强度钢板所以得到应用和发展，主要是能减薄板厚，降低重量，这是其基本优越性所在。高强度钢板的应用及其在汽车各类构件中的作用见表 1。表 1 高强度钢板的应用和作用构件使用中可能承受的变形量用高强度钢板制造的零件 需要的零件性能板厚、强度和性能之间的关系方程保险杠、加强板、门 高的压溃强度大的塑性变形边梁、加强筋 高的撞击吸收能量小的塑性变形 车顶盖、门、油箱 盖板 高的压痕抗力非常小的弹性与塑性变形 车身边梁、横梁 高的弹性模量值非常小的变形 边梁、车轮 高的疲劳强度表中 Ps 为压溃强度，AE 为压溃吸能，Pt 为压痕抗力， P 为微量变形抗力，w 为疲劳强度，b 为抗拉强度，t 为板厚，p 为成形构件应变下的流变应力，ED 为动负荷设计弹性模量，n 为常数。由表 1 中各类关系方程可以看出，除疲劳强度外，其它各性能均正比于板厚和相应的材nbstPEA2nDtbwnptt料性能（抗拉强度、流变应力、动负荷设计弹性模量）n 次方的乘积。如果材料的性能提高，在所要求的性能不变或略有提高的前提下，则板材构件的厚度可以减薄。高强度钢板用于汽车车身，除能够减薄零件、降低汽车自重外，还能够达到以下目的：a）用于汽车表面件，以提高抗凹陷性；b）用于汽车易碰撞部位以提高抗毁坏能力。高强度钢板的使用不仅减轻了车重，还使车体的扭转刚性得到显著提高，同时，车体的弯曲刚性也得到提高，因而保证了整车的抗冲击安全性。近两年依维柯二车身厂在高强度钢板的使用中进行了多次冲压工艺试验，目前已在都灵 V 系列车型中实现了顶盖、后开门、前围左右板等零件（见附图 1）使用高强度板，顶盖和后开门等外板件料厚由 0.8mm 减为 0.7mm。 附图 13高强度钢板的成形性能 所谓高强度钢板即抗拉强度不小于 340Mpa、屈服强度为 210550MPa 的钢板，我厂生产用的宝钢含磷高强度钢板（B170P1）是在低碳钢中通过添加一定量的磷、锰等固溶强化元素来提高强度，抗拉强度不小于 340Mpa、屈服强度为 260Mpa。高强度钢板用于车身生产有其不利的一面：a）降低疲劳强度和焊接性能；b）降低钢板的塑性成形性能。在车身外覆盖件的选材方面，对 n 值（材料硬化指数）和 r 值（板厚方向性系数）要求较高。n 值大，表示材料的变形抗力随变形的进展而增大的速度高。因此，在同样的条件下，n 值大的材料在成形中不易出现局部的集中变形和破坏，能扩展变形区，使变形均匀稳定；r 值大的材料，厚度变薄量小，起皱的趋向降低。采用高强度钢板后，由于钢板本身的化学成分、组织、材料的变化，因而对冲压成形有不利影响。随着强度的提高，n 值、r 值、延伸率等特性在很多情况下都低于低碳钢钢板。除了成形性能较差外高强度钢板成形后回弹较严重。表面翘曲度 即回弹也是反映钢板成形性能的重要指标之一，屈服强度越高，回弹越大，n 值低，不产生应变扩散，易于产生形状不良，所以车身外覆盖件用屈服强度高的钢板，易于产生回弹现象。4高强度钢板拉深特点由于高强度钢板的屈服点高，硬度高，冷作硬化效应显著，高强度钢板进行拉深时其特点如下： 1) 因导热性比普通低碳钢差，导致所需变形力大；2) 高强度钢板拉深时，塑性变形剧烈硬化，拉深时容易起皱，需要较大的压边力； 3) 板料在拉深凹模圆角处的弯曲和反向弯曲所引起的变形，通常会在产品侧壁形成凹陷变形使得尺寸精度和形状要求较高的产品需要增加整形工序来达到；4) 高强度钢板在深拉延和部分翻边工序中容易出现粘结瘤和回弹，造成零件表面拉痕和尺寸超差。如附图 2 所示，从微观角度看，板料与模具表面都是凹凸不平的粗糙面，由于拉深过程中压边力较大，载荷由局部凸起部位承受单位压力很大；又因板料与模具间产生相对运动以及板料的塑性变形产生热能，板料与模具直接接触，板料凸起部位被模具凸起部位刮下成为碎片堆入模具凸起部位前方，如温度足够高，使得碎片熔化、枯焊在模具上，形成粘结瘤。粘结瘤一且形成就很难脱落，且越粘越大，从而导致板料拉深产品表面留下严重划痕。另外，拉深速度、板料变形量大小等也对粘结瘤形成起着重要作用。如何避免拉延模粘结瘤的形成，提高拉深件的表面质量是高强度钢板深拉延中的技术难题所在。 附图 2 模具、板料真实接触状态板料5 解决措施高强度钢板拉深成形过程中出现粘结瘤的问题一直困扰着生产现场，给生产者带来很大的麻烦，然而由于粘结瘤形成涉及到摩擦学等问题，影响因素较多。目前，我们只能从不同角度提出措施来防止粘结瘤的形成及减少。5.1 模具工作部分材料选择针对粘结瘤问题，选择模具材料应根据高强度钢板料与模具材料的亲合关系注意两点：选择一是抗粘合性强，二是耐磨减摩的模具材料。一般来讲，特性相似的金属，其相互吸引、溶解能力强，易粘附在一起，结果摩擦系数变大。Cr、Ni 与 Fe 的互溶性大，因此用钢模拉深时，更易发生粘结瘤现象。实践证明：采用碳化钨钢结构硬质合金制造凹模比用 Cr12Mov制造凹模寿命提高数倍，且不粘模；目前我厂拉延模具普遍采用合金铸铁，在模具表面进行火焰淬火，模具表面出现粘结瘤的几率大大降低。另外在一些翻边模具易损部位可采用硬质合金镶块，它具有优良的抗压性能、超群的耐磨性和持久的表面粗糙度及尺寸精度控制，缺点是价格较高。此外，还应对高强度钢板拉深模进行表面处理以提高模具的耐磨性、抗粘合性。对于合金铸铁材料制作的模具采取渗氮等表面强化工艺，使用效果较好。5.2 模具工作部分的表面加工高强度钢板拉深模表面质量要求很高。较低的表面粗糙度可以起到减摩和提高抗粘合性的作用。因此，拉深模在进行了数控加工后，更重要的是消除加工痕迹。而在模具制造中往往忽视了研磨和抛光工序。应该指出。在整个模具加工过程中，抛磨工作量应占三分之一，因高强度钢板产品的外观质量在很大程度上取决于模具的抛磨技术。模具表面粗糙度降低，模具的修磨次数相应减少，模具使用寿命相应地得到提高。如果模具表面抛磨不够，加之高强度钢板拉深易引起粘结瘤的特性，因而拉深出来的产品划痕严重。而产品上的这类划痕用抛光处理来解决既费时又达不到效果。因此，我们应该在模具抛磨工序上下大的功夫，只有模具表面加工精度提高才能减少产品的划痕，模具的修模寿命才能得到大幅度提高。近年来，国内出现了各种抛光新技术和抛光工具，开发了超声波、电解抛光、磨料喷射、挤压珩磨等新工艺、新设备。据资料介绍，对CrWMn，3Cr12W8V,Cr12 三种材料模具进行电化学抛光试验研究，证明这种抛光仅用 5-10分钟就能使模具型腔表面粗糙度从原来的 Ra3.2-Ra1.6 的基础上降低到 Ra0.4-RaO.2。同时通过电化学抛光还可提高表面硬度以提高耐磨性。对于新的抛光技术我们应该积极去运用和总结。5.3 工艺润滑由高强度钢板拉深特性可知，形成粘结瘤是因为板料与模具发生了直接接触，这是一个理论上不争的事实，因此选择润滑剂或涂覆剂的首要点就是在板料拉深成形过程中润滑膜自始至终不发生破裂并且起润滑作用。“防粘降摩” 是选择润滑剂的基本出发点。一般在润滑剂中加一定比例的添加剂或采用固体润滑剂均可取得较好效果。这主要是提高润滑剂对金属表面的润滑能力，用以产生含硫、磷、氯的化合物在高温下与金属表面起化学反应，生成硫化铁、氯化铁等来加强油膜强度和增强吸附能力，较好地润滑模具与产品表面。固体润滑剂则是填充到金属表面的小坑内，使干磨擦接触点减少到最少，另外固体润滑剂有很高的稳定性，在高温下也能起到润滑作用，不易发生模具粘结。通常在生产中根据产品变形程度和实际情况选择和配方(有关冲压手册上可查到配方) 。目前我厂用的高强度板零件拉伸都较浅，形状也简单，拉延模具用合金铸铁制作，生产时选用一般拉延油效果也较好。5.4 高强度钢板冲压中如何解决回弹问题车身用高强度板材的屈服强度和变薄的板材都会引起更大的回弹。零件成形性的回弹控制具体到生产时的模具调整包括：a）冲头压力；b）压边圈压力；c）拉延筋调整。实际生产中模具一旦制造完成，通过后期调整往往不能有效的减少回弹量。为了减少后期整改的投入，我们更应关注的是采用先进的回弹补偿技术在模具的设计制造阶段即考虑高强度板冲压的回弹因素。CAE 技术在模具制造中的应用已使材料回弹在模具设计阶段得到仿真，在制造中将分析所得的模面补偿直接作用到凹模表面，可以有效减少零件回弹量。回弹补偿技术包括：模面几何补偿：难度是精确预测变形量，将变形量补偿功能直接影响凹模表面，但不影响压料面；预先弹性法，在凹模上预先施加弹性变形，而零件的强度通过调整压边力和补偿面来加强；补偿因子法：基于回弹仿真的补偿，必须对回弹有足够精确的预测。上述方法都需要数值分析技术（CAE）在冲压工艺上的应用来保证。用高强度钢板冲压的零件在产品设计阶段也应考虑回弹控制，如在侧面增加加强筋。我厂车身前围左右板由于拉延较深，侧面即采用了加强筋（附图 2）增加强度同时拉延筋布置在零件折弯部可以有效减少回弹。附图 2同样可以考虑在冲压工艺中的回弹控制，如下图左侧零件截面拉伸后很容易产生回弹，采用过拉伸法（通过改变拉延面形成过拉伸）改变零件的拉伸形状如下图右侧零件，加深拉伸深度，使材料充分变形，可以有效减轻零件回弹量，多余形状在后续工序中切除。原拉延截面 修改后拉延截面6结束语国外汽车生产中应用高强度钢板已相当普遍，一般说来，汽车外覆盖件采用强度为350450MPa 的高强度钢板，以提高抗凹陷性；内板件则采用 450600MPa 的钢板。汽车减震器、保险杠等易受到冲击的部位采用 600800MPa 级别的钢板。国内高强度钢板也已开始使用，但比例较小。高强度钢板在满足汽车轻量化的同时，对汽车安全性也有很大提高。相信在不久的将来，高强度钢板能广泛应用于中国的汽车工业。在汽车车身制造的发展进程中，早期的汽车车身是使用低强度钢薄板（如 A3 钢板），屈服强度少于 210MPa。后来，大多数汽车车身都使用高强度钢板（如 HSS 钢），屈服强度在210Mpa 至 550MPa