硕士论文-汽车超高强度硼钢板热成形工艺研究.pdf

申请同济大学1 二学硕士学位论文 汽车超高强度硼钢板 热成形工艺研究 培养单位：机械工程学院 一级学科：机械工程 二级学科：机械制追及其自动化 研究生：周垒 指导教师：林建平教授 副指导教师：倪蜂高级工程师 二0 0 七年三月 摘要 摘要 使用高强度钢板是实现汽车轻量化、提高汽车被动安全性的重要途径之一。 采用传统冷冲压工艺，无法适应高强度钣金制件的加工要求。本文提出的淬火 硬化高强度钢板的热成形工艺，是利用金属热塑性成形的原理，结合金属板料 的模具冲压成形技术而诞生的一种针对生产高强度钢板制件的全新工艺技术。 与传统的冷冲压工艺技术相比，热冲压成形工艺采用淬火性能更好的硼钢板为 加工对象，能够在成形的同时实现对板料的淬火热处理，既利用了金属板料在 高温下塑性提高的特点，同时又实现了对板料组织的淬火强化，并最终获得尺 寸精度及机械强度俱佳的钣金制件。 美国A r c e l o r 公司的U s i b o r l 5 0 0 是一种典型的淬火硬化超高强度硼钢板， 可以通过热冲压成形工艺进一步提高其性能。本文首先提出了针对该材料的热 冲压成形工艺流程，并对其中几个主要工艺参数的选择与优化作了理论阐述。 通过有限元数值模拟仿真软件L s D y n a 对高强度钢板的热成形工艺进行热力耦 合分析，阐述了板料在成形过程中温度场及应力场的分布与变化特点，归纳了 板料初始温度、模具温度以及冲压速度对高强度钢板热成形过程的影响，并确 定了优化阈值。在此基础上，本文研制了采用嵌入式凹模设计，封闭式冷却水 槽的高强度钢板热成形专用模具，进行了采用热成形工艺加工汽车B 柱局部典 型成形制件的物理试验，成功地加工出了一批淬火硬化超高强度钢板u 型制件。 经过对制件尺寸精度的检测以及基体组织的金相观测，证实了高强度钢板热成 形工艺的本质与特点及其可行性与可靠性，于该项工艺在我国的实用化道路上 迈开了第一步。 关键词：U s i b o r1 5 0 0 超高强度钢板，热冲压成形，试验研究，数值模拟 A b s t r a c t A b s t r a I c t 1 1 1 ea p p l i c a t i o no fh i g hs t r e n g t hs t e e li sv e r yi m p o r t a n ti na u t o m o t i v el i g h t w e i g h t i n gi n d u s t r ya n dp r o m o t i n gp a s s i v es l 蚴l r i t y H o w e v e r , w i t ht h ee n h a n c e m e n t O ft h eb l a n k sm e c h a n i c a ls t r e n g t h i t sf o r m a b i l i t yi sw o r s e n e dd r a m a t i c a l l y I tw a s d i f f i c u l tt oa p p l yt r a d i t i o n a lc o l ds t a m p i n gt e c h n o l o g yi n t ot h ef i e l do fp r e s s i n gH S S W i mt h ed e v e l o p m e n to f m e t a l l u r g y , n e wH S Sh a v ee m e r g e dw h i c ha r ei m p o s s i b l et o b es h a p e db yc o n v e n t i o n a lc o l df o r m i n gt e c h n o l o g y T h eh o ts t a m p i n go fm a r t e n s i t i e s t e e lb l a n ki san e wt e c h n o l o g yw h i c hc o m b i n em e t a lt h e r m o p l a s t i cf o r m i n gm e t h o d w i t hm O B l dq u e n c h i n gp r i n c i p l e B o r o ns t e e lb l a n kC a nb eq u e n c h e da n df o r m e d s i m u l t a n e o u s l yd u r i n gt h ep r o c e s so fh o ts t a m p i n g , w h i c ha l l o wc o m p l e xg e o m e t r i e s a n dh i 【g hm e c h a n i c a ls t r e n g t h 1 1 1 eU s i b o r15 0 0M a r t e n s i t i cs t e e lf r o mA r c e l o rU S i sat y p i c a lr e p r e s e n t a t i v e o fa d v a n c e dl l i g hs t r e n g t hs t e e l s w h i c h Sm e c h a n i c sp e r f o r m a n c ec a nb eg r e a t l y e n h a n c e dt h r o u g hh o ts t a m p i n gp r o c e s s 0 nt h eb a s i so fm e c h a n i c a lt e s t so ft h i s m a t e r i a l ，p h y s i c a le x p e r i m e n t sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o no f U s h a p ew o r k p i e c eu n d e r h o ts t a m p i n gp r o c e s sa l ep e r f o r m e dh e r e T h r o u g ht h et h e r m a lm e c h a n i c a lc o u p l i n g a n a l y s i so nh o ts t a m p i n g ，t h ed i s t r i b u t i o na n dd i v e r s i f i c a t i o ni nm e t a ls h e e td u r i n gt h e p r o c e s sa r ep r e s e n t e da n de f f e c to f t h ei n i t i a lt e m p e r a t u r eo f b l a n k s m o u l d sa sW e l la s p u n c h i n gv e l o c i t ya r ea l s oc e n c l u d e d As p e c i a lm o u l df e a t u r e sa s s e m b l e dc o n c a v e m o l da n dw a t e rc o o l i n gs y s t e mi sd e s i g n c da n dm a n u f a c t u r e d ，b yw h i c hs e t so fH S S U - s h a p ew o r k p i e c e w e r e p r o d u c e d A f t e l e x a m i n et h e i rd i m e n s i o n sa n d m e t a l l o g r a p h i cp h a s e ，t h ee S S e n c eo f h o ts t a m p i n gt e c h n o l o g ya sw e l la si t sf e a s i b i t i t y a n dr e l i a b i l i t yw e r ep r o v e d K e yW o r d s ：U s i b o r15 0 0u l 衄l l i g hs t r e n g t hs t e e l ，h o ts t u m p i n g ，p h y s i c a le x p e r i m e n t , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签 瑚年弓月2 0 E t 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 碉年弓月2 0 E l 第1 章绪论 第1 章绪论 近年来，由超高强度钢板制成的结构件在各类机械行业中得到了广泛的应 用，特别在国防工业以及各种飞行器、船舶、车辆等交通运输工具制造业中尤 其显著。针对超高强度钢板的成形机理与特点，在高温热态条件下利用模具冲 压加工，是汽车制造领域目前的一项全新技术，也是当前国内外科研工作的前 沿领域。本课题在同济大学机械工程学院、上海大众汽车有限公司、上海精典 精密模具有限公司和同济大学沪西校区校办工厂等多家单位的协作与帮助之 下，开展了一系列旨在探索超高强度钢板热冲压成形工艺可行性及其关键理论 与技术的试验研究。而本文，则将以模具现场的加工试验为依托，率先验证热 冲压工艺的可行性，揭示其与一般金属薄板冷冲压工艺的异同点，探索温度与 传热在成形过程中的作用。 1 1 引言 随着世界经济与社会的发展，人们对汽车提出了越来越高的要求，即：节 能、环保、安全、舒适。综观世界汽车工业的发展历史，可以看出现代汽车是 沿着“从底盘到发动机再到车身外形”逐步发展和完善起来的。这个发展取决 于科学技术的发展水平和人们的物质生活条件【2 1 。汽车车身作为整车所有零部件 的载体，其开发和制造成本约占整车成本的4 0 - 6 0 。过大的车身制造误差不 仅会直接导致各零部件的总装装配误差，而且还会影响整车的外观效果和封闭 性能。因此，车身设计与制造能力已经成为当前汽车制造企业提高市场竞争力 的关键所在。 要实现以上这些I f l 标，汽车的轻量化无疑是其中的一项关键技术。减轻汽 车自重是节约能源和提高燃料经济性的最基本途径之一，但是汽车轻量化不能 盲目的减重，总的来说，汽车轻量化的基本要求有以下几点【3 】： 1 、保证汽车质量和功能不受影响的前提下，最大限度的减轻各零部件的质 量，降低燃耗，减少排放污染。 2 、在使汽车减轻质量、降低燃耗、减少排放的同时，努力谋求高输出功率、 第1 章绪论 高响应性、低噪声、低振动、良好的操纵性、高可靠性和高舒适性等。 3 、在汽车轻量化的同时，汽车的价格应当下降或保持在合理水平，具有商 业竞争能力，即汽车的轻量化技术必须是兼顾质量、性能、价格的技术。 由此，人们对汽车用钢板提出了更高的要求。目前，在一辆典型的轿车中， 大约5 6 的材料是钢，其中车身部件约占4 0 。因此，高强度钢板具有使产品 轻量化、节省能源、降低成本等优点。例如美国、1 3 本等发达国家自上世纪八 十年代以来，广泛使用低合金高强度钢板，使汽车车身零件板厚由原来的1 O 1 2 m m 减薄到0 7 O 8 m m ，车身重量减轻2 0 4 0 ，节约汽、柴油等燃料可 达2 0 以上。 通常，把屈服强度在2 1 0 5 5 0 M p a 范围内的钢板称为高强度钢板，把屈服 强度大于5 5 0 M p a 的钢板称为超高强度钢板。根据国际上对“超轻型钢制车身” ( U L S A B ) 的研究，在车体结构上大量采用高强度钢板，不仅减轻了车身重量， 延长了使用寿命，还使车体的弯曲刚性和扭转钢性都得到显著提高，保证了整 车的抗冲击安全性。 高强度钢板在汽车车身制造中，主要应用于各种梁类零件，此类零件的变 形以折弯为主，成形中存在的主要问题是零件的翘曲和零件开口的扩大。因此， 就材料而言，要求坯料具有较低的屈强比和较高的延伸率。从实际生产来看， 在保持其他性能稳定的同时，当材料的屈强比小于0 8 5 时，对零件的折弯成形 最为有利1 6 J 。 随着高强度钢板在汽车制造业中的逐步推广，对现有的钢板冲压成形工艺 带来了一系列新的挑战。与普通钢板相比，高强度钢板具有更高的屈服应力和 抗拉强度，而硬化指数和厚向异性系数却比较低，延伸率也比较低。因此，高 强度钢板的成形性能比普通钢板要差，而且强度越高，成形就越困难。在常温 条件下，高强度钢板的变形范围很窄，所需的冲压力大，容易开裂，回弹严重。 所以，原有的冷冲压工艺已经不能满足未来的汽车工业对高强度钢板的制造要 求。然而在处于高温条件中时，也就是把金属加热到其再结晶温度以上，金属 的塑性和延展性会增加，屈服强度迅速降低，此时利用模具冲压成形，就可以 得到形状复杂的高强度钢零件【J ”。正是在上述背景条件下，近年来，在一部分先 进的汽车厂商中，一种全新的针对高强度钢板的热成形工艺开始崭露头角。 模具是机械工业重要的基础工艺装备。模具成形具有效率高、质量好、节 约原材料、降低成本等许多优点，因而被广泛应用于机械工业生产的各个领域。 2 第1 章绪论 其中，板材的冲压成形是一种非常重要的钣金零件加工方法。它是利用金属塑 性变形的特点，通过一定的工艺方法，对金属板材施加压力，使其产生永久的 塑性变形，获得所需要的各种形状的零件。 在塑性成形工艺中，按照不同的加热温度，只有把金属加热到再结晶温度 以上，才能称之为热加工，否则属于温加工。温加工工艺目前主要应用在镁、 铝等轻合金板料的成形加工上，而热加工工艺则广泛应用于制造钛合金的钣金 零件上。温热加工可以减少或消除铸态组织的缺陷，细化晶粒，改善金相组织， 提高强度和伸长率等力学性能。与冷成形相比，温热成形所需要的变形力小， 成形性能好，不必反复退火和再成形，零件尺寸精度高，不需中间软化处理工 序，便于自动化生产。在温热成形过程中，板料的延展性得以增强，其变形抗 力降低，从而有利于成形较复杂的零件。 1 2 国内外研究现状 汽车用钢板的强度要求因使用部位的不同而有很大差异，随着汽车轻量化 和性能上的要求提高，汽车用钢板的强度级别也在不断提高。汽车工业已经成 为高强度钢板的重要用户。例如日本在1 9 9 2 年，一般汽车外板的强度为3 0 0 4 6 0 M P a ，内板的强度为2 6 0 M P a 以上。而最近几年来，强度在9 8 0 M P a 以上的 超高强度钢板在汽车上的用量日益增多。而西欧高强度热轧和冷轧钢板的消费 也是与日俱增，其几种主要车型所用高强度钢板的比例已上升到4 0 以上，这 一比例在日本也达到了3 6 左右。被誉为美国第一辆五星级碰撞防护的福特风 之星多用途汽车，其总计1 6 5 个车身零件有近1 0 0 个是用高强度钢板制造的， 比例超过6 0 。国内一些汽车厂商也在积极探索应用高强度钢板提升其产品。 如奇瑞汽车在其最新研制的新款轿车车身当中，高强度钢板的使用量达到 2 6 2 4 8 k g ，占车身用钢板总量的4 6 2 6 。据悉，由美国发起，在U L S A B 项目 中推出的样车上，高强度钢板的使用量超过了9 0 ，随着该项目取得的巨大成 功，高强度钢板无疑已经确立了其在未来的汽车工业中具有举足轻重的作用。 国外钢铁企业十分注重高强度钢板的研究开发和生产，以适应汽车工业对 高强度钢板的需要。例如日本钢管( N K K ) 使用水淬连续退火生产汽车用9 8 0 M P a 和1 1 7 0 M P a 级别的超高强度钢板；德国蒂森克虏伯钢铁公司有4 套宽带钢热轧 机，均能生产高强度钢板其生产的马氏体相组织钢的热轧带钢的强度可达到 3 第1 章绪论 1 2 0 0 M P a 。在国内，轿车采用的高强度钢板的强度级别为：冷轧板：3 2 0 7 8 5 M P a ， 热轧板：3 8 0 5 4 0 M p a ；国产供汽车用含磷冷轧高强度钢板强度级别为3 4 0 4 2 0 ， 3 7 0 4 5 0 ，3 8 0 4 7 0 ，3 9 0 4 8 0 ，4 4 0 5 6 0 M P a ，热轧供汽车梁用钢板为3 7 5 6 1 0 M p a ，先进的高强度钢板的研究、生产和使用相对于国外较落后，在热轧先 进高强度钢板生产方面，国内宝钢、武钢和鞍钢可生产一些低级别的双相钢， 在冷轧先进高强度钢生产方面，宝钢可生产一部分。总体而言，先进的高强度 钢板目前在国内多处在研发阶段。造成国内A H S S 钢板同国外品种差距较大的 原因主要是国内需求少，生产设备的制约也在一定程度上限制了A H S S 钢板的 开发。尽管目前这一系列的钢板市场需求少，但随着国内外汽车钢板接轨步伐 的加快，国内汽车采用A H S S 钢板用量大大提高。如在国内上海大众引进了德 国大众的B 6 车型，为了安全起见，其中一部分重要结构零件如门槛、门内侧梁， 底板中央通道、B 柱等预采用超高强钢板进行成形，若这些零部件采用热成形， 重量比采用冷成形可减轻2 8 K G ，并且还增强了汽车的安全性，因而淬火硼钢等 一系列超高强度钢在汽车零部件的应用是发展的必然趋势 8 , 9 J 0 】。 据国外有关环保部门统计，汽车质量每减轻1 ，燃油消耗量将下降 0 乱1 O 。钢板约占轿车用材料总量的7 5 ，而车身质量约占整车质量的 2 5 , - , 3 0 。因此，制造轻型车身甚至超轻型车身正越来越引起各大汽车厂商和钢 铁厂商的高度关注。2 0 世纪7 0 年代，两次石油危机推动了第一次汽车轻量化运 动。到了9 0 年代，环境污染备受人们关注，越来越严格的环保法规，推动了第 二次汽车轻量化运动。逐步健全的安全法规和环保法规，从根本上促进了高强 度钢板在汽车上的研究与应用。 2 0 世纪我国生产的汽车，除载货汽车大量应用热轧高强度钢板外，汽车车 身用冷轧高强度钢板几乎是空白，特别是轿车，仅有在北京切诺基吉普车采用 过热轧镀锌高强度钢板，约占该型汽车钢板总用量的1 6 ，以及夏利轿车外表 面件用烘烤硬化( B H ) 钢板。而国外，汽车用高强度钢板约占总量的1 0 - 3 0 。到 2 0 0 0 年，其用量已经上升到5 0 左右。 1 2 1 汽车用高强度钢板的分类及其应用 随着汽车工业的技术进步，在汽车车身制造中，逐步开始大量应用超深冲 I F 钢板、高强度冷热轧钢板、烘烤硬化( B H ) 钢板、双相( D P ) 钢板、激光拼焊钢 4 第1 章绪论 板( T W B ) 、各种镀层钢板、减振复合型钢板和相变诱导塑性( T R I P ) 钢板等。这些 新型钢板的使用，可使车身质量减轻、优化生产工艺、降低噪声污染、提高车 身的安全性和抗腐蚀能力。 目前，常见的汽车用高强度钢板的分类方法有： 按冶金学分类： 深冲性能钢：无间隙原子O F ) 钢、软钢、低碳钢； 传统高强钢：碳锰( C - M n ) 钢、烘烤硬化( B H ) 钢、含磷( P ) 钢、各相同性( I s ) 钢、无间隙原子高强( I F H S ) 钢、高强低合金( H s L A ) 钢； 先进高强钢( A H S S ) ：双相p P ) 钢，相变诱发塑性( T R I P ) 钢、复相( c P ) 钢、 马氏体( M ) 钢； 按机械性能一抗拉强度分类： I f 氐强钢( L s s ) ：抗拉强度6 b 7 0 0M P a 按机械性能延伸率与抗拉强度的比值分类：参见图1 - 1 图i - 1 按延伸率与抗拉强度的比值分类 1 、超深冲I F 冷轧钢板 当钢中的含碳量小于5 0 1 0 r 6 时，并加入足够量的强碳、氮形成元素钛、铌 使钢中的碳、氮原子完全被固定成碳氮化合物W i ( C ，N ) 、N b ( C ，N ) 】。钢中无间隙 原子存在，称为无间隙原子( 1 F ) 钢。 5 第1 章绪论 2 、冷轧高强度钢板 深冲冷轧高强度钢板主要用磷强化，这是由于磷的强化能力很强，约为硅 的7 倍，锰的1 0 倍。磷属于置换固溶强化，当磷原子置换铁原子时，在磷原子 周围产生弹性变形，引起晶格位移，从而使钢得到强化。要获得强度相当的钢 板，钢中加入0 1 的磷和加入O 7 的硅或1 O 的锰，其强化效果是等同的， 这样就可以节约大量的合金元素，既降低了钢的生产成本，又不会因钢中加入 过多量的合金元素( S i 或M n ) 而降低钢板的塑性。 3 、烘烤硬化( B H ) 钢板 薄板在冲压成形前具有较低的屈服强度，经冲压成形或预拉延变形后，随 即进行烘烤( 约1 7 0 。C ) 或高温处理，薄板的屈服强度得到一定程度的提高，这种 薄板称烘烤硬化( B H ) 钢板。含有间隙固溶碳、氮原子的退火状态薄板，经变形 后，导致基体内位错密度增加，碳、氮原子向位错扩散的距离缩短，随着高温 时效处理( 或烤漆温度处理) ，提高了碳、氮原子扩散的热激活能，促使其向位错 的扩散加快。碳、氮原子在位错处聚集，钉轧位错，此时薄板荐变形需要更高 的屈服应力。薄板呈现烘烤硬化值，用B H 表示。薄板的烘烤硬化值( B H 值) 主 要依赖于钢中固溶原子碳，随着固溶碳原子含量的增加B H 值提高。烘烤温度提 高，B H 值亦增加，烘烤温度在2 5 0 - - 2 8 0 时B H 值达到最大。 4 、相变诱导塑性( T R I P ) 钢 将含有o 1 0 加4 0 C 、1 0 - 2 0 S i 和1 O 屯0 M n ，加热到( a + Y ) 两相 区，保持一定时间，以某一速度冷却到钢的贝氏体转变温度时保温，最后就可 以得到铁素体、贝氏体及含有( 1 0 也O 呦残余奥氏体的复合组织。当钢板经冷加 工成形时，诱发残余奥氏体向马氏体转变，此时钢板就呈现高强度和高塑性。 5 、双相( D u a l P h a s e ) 钢板 随着强度的增加，钢板伸长率下降。要获得强度高、塑性好的钢板，最理 想的组织应为铁索体( 高塑性) + 马氏体( 高强度) ，其中马氏体的含量应在 5 - 2 0 ，随着马氏体含量的增加，强度线性增加。要求马氏体不破坏冲压时的 基本组织( 铁素体) 变形的连续性，马氏体应为岛状，这种铁素体+ 马氏体钢称为 双相钢。双相钢( 相变强化) 可获得高强度和良好的塑性，主要是低的屈强比、高 的加工硬化指数、高的烘烤硬化性能、没有屈服延伸和室温时效等特点。同时 还具有高抗疲劳性、抗碰撞吸收能、好的抗凹陷性能和安全性，被汽车界所关 注，有可能成为汽车特别是轿车首选的冷轧高强度钢板。 6 第1 章绪论 6 、热镀锌钢板 统计表明，热镀锌钢板生产的汽车的腐蚀率、故障率仅为普通钢板生产汽 车的1 3 ，随着汽车使用期的延长更加明显。 7 、减振复合钢板 减振复合钢板是在上下2 层钢板之间夹着1 层厚度约0 0 5n l n l 的高分子阻 尼材料，把金属材料和高分子材料的特性有机地结合起来。因此，减振复合钢 板既具有金属材料的强度、塑性、可焊性和冷加工成型性，又具有高分子材料 的阻尼特性。为减小汽车振动、降低噪声、增加乘坐的舒适性，在汽车发动机 和变速器周围的冲压件常采用减振复合钢板制造，如发动机油底壳、气缸罩盖、 变速器正时齿轮盖板、齿轮室罩盖和驾驶室前围板等。如果将减振复合钢板中 间高分子阻尼材料由O 0 5m i l l 增加到整板厚度的1 3 - - 1 2 ，这种钢板既具有优异 的减振性能，又可在不降低零件刚度的条件下，大幅度减轻汽车质量，故在汽 车上具有广泛的应用前景。 8 、热轧酸洗钢板 热轧钢板生产流程短，成本低，钢板有较高的强度和较好的伸长率，主要 用来制造汽车车架、车轮、车厢及底盘和结构件。这种钢板经盐酸酸洗、在线 平整和涂油，钢板表面光洁平整，尺寸精度高，称热轧酸洗钢板。可用它代替 部分冷轧钢板生产结构件和深冲件，以降低汽车成本。 9 、马氏体钢板 马氏体钢板的生产是通过高温的奥氏体组织快速淬火转变为板条马氏体组 织，可通过热轧、冷轧连续退火或成形后退火实现，其最高强度可达1 5 0 0 M p a ， 是目前商业化高强度钢板中强度级别最高的钢种。主要用于成形要求不高的车 门防撞杆等零件，代替管状零件，减少制造成本。其成分含有较高的C 、M n 、 s i 、C r 、M o 、B 、V 、N i 等合金元素，其组织完全由星板条状的马氏体组成。 先进高强度钢板( A H S S ) 主要包括双相钢、相变诱发塑性钢和马氏体钢等， 这类钢是通过相变组织强化来达到高强度的、强度范围为5 0 0 1 5 0 0 M P a 。具有 极大的减重潜力、高的碰撞吸收能、高的疲劳强度、高的成形性和低的平面各 项异性等优点。是未来车身制造用钢板发展的主流方向。 目前，先进高强度钢板在汽车车身上的主要应用部位如图1 - 2 所示，其中： l 、车门侧板； 2 、保险杠； 7 第1 章绪论 3 、车身纵梁、横梁； 4 、A 柱、B 柱； 5 、车门加强板； 图1 - 2 先进高强度钢板在车身上的应用 1 2 2 传统成形工艺制造高强度钢板件存在的问题 由于高强度板的强化机制往往在一定程度上需要牺牲其他成形性能，比如 高强度钢板的屈服强度o 。和抗拉强度ob 比普通钢板要高得多，而硬化指数n 值和各向异性指数r 值却比较低，因此高强度钢板的成形性能比普通钢板差。高 强度钢板成形时不仅同样存在起皱与破裂问题，同时由于o 。和ob 高，n 值和r 值低，影响贴模性的面畸变及形状冻结性问题更加突出，因此要保证高强度钢 板的冲压件质量，不仅要避免开裂与起皱，更重要的是要保证零件的尺寸与形 状精度。表1 1 列出了部分高强度钢板冲压件存在的质量问题及其通常采用的解 决方法。 表1 1 高强度钢板成形时易产生的问题及解决措施 解决措施 产生的问题典型零件 材料方面工艺方面 1 、降低0 。( 防皱) ； 破裂和起皱深覆盖件降低成形深度； 2 、提高r 值( 防裂) ； 定形性差 外覆盖件 降低o 。； 1 、增大压边力； ( 冻结性差)2 、增大拉延筋的作用； 8 第1 章绪论 ( 续表1 - 1 ) 1 、降低o 。； 1 ，凹模面光滑； 表面几何 外覆盖件2 、提高r 值； 2 、缩短贴模时间差； 缺陷 3 、少拉伸成分； 3 、提高n 值： 4 、采用阶梯拉伸； 型钢梁 降低半； 2 、凸模下面加反压弹性垫； 回弹 1 、用辊压代替冲压； ( 保险杠件) 3 、调整压边力和反压力； l 、采用自由成形； 曲度 2 、施加预变形； ( 中凸反翘) 型钢件 降低材料强度； 3 、优化设计凹模相对圆角 半径r t 和相对问隙矾： 1 、改善凹模材料和润滑； 磨损所有零件降低材料强度： 2 、降低压边力： 3 、浅成形： 冲压是一种先进的金属加工方法，它是建立在金属塑性变形的基础上，利 用模具和冲压设备对板料金属进行加工，以获得所需要的零件尺寸和形状。通 常在一辆汽车中，从数量上看，车身包括7 0 1 1 0 个覆盖件、上千个中小冲压 件，底盘和发动机中包括1 5 2 5 个中厚板冲压件。按重量比，冲压零件占汽车 总重量的5 5 7 5 。近年来，冲压技术无论在深度和广度上都取得了前所未 有的进展，其特征就是与高新技术相结合，在方法和体系上开始发生巨大变化。 目前，国外钢铁公司推出一系列具有更高强度的淬火硼钢系列，经过热处理后， 其屈服强度可达1 2 0 0 M p a ，抗拉强度可达1 5 0 0 M p a 。采用此种钢板生产的汽车零 件可以使同等强度、刚度的零件减重5 0 以上。因此这种钢板受到汽车厂家的 重视，在汽车的一些重要安全结构零件陆续使用了淬火硼钢等超高强度钢板成 形技术。 高强度钢的屈服强度和抗拉强度都很高，随着强度增高，成形性能下降， 冲压后的回弹增加，导致零件尺寸和形状稳定性交差，因此，高强度钢板较难 冲压成形状复杂的零件。利用热成形技术，可以软化高强度钢板，从而减少回 弹，提高零件的尺寸和形状精度，且不损失高强度钢的高强度性能。关于这项 技术，无论在国内还是国外，均尚处于理论及模拟研究阶段，实际应用还不多 见，有关文献资料更是风毛麟角。把金属在加热条件下进行压力成形的加工工 艺，目前广泛应用的主要有锻造、挤压、轧制等为主的一些体积成形工艺。关 9 第1 章绪论 于这方面的工艺路线和工装设计技术已比较成熟。但是在冲压加工方面，国外 有报道的研究与应用还不多。而国内仍处于研究阶段，相关零件完全依赖进口。 按照不同的加热温度，只有把金属加热到再结晶温度以上，才能称之为热 加工，否则属于温加工。温加工工艺目前主要应用在镁、铝等轻合金板料的成 形加工上，而热加工工艺则广泛应用于制造钛合金的钣金零件上。温热加工可 以减少或消除铸态组织的缺陷，细化晶粒，改善金相组织，提高强度和伸长率 等力学性能。与冷成形相比，温热成形所需要的变形力小，成形性能好，不必 反复退火和再成形，零件尺寸精度高，不需中间软化处理工序，便于自动化生 产。在温热成形过程中，板料的延展性得以增强，其变形抗力降低，从而有利 于成形较复杂的零件。国外的温热成形技术相对国内进行得更深入、具体一些， 其应用的范围也更加广泛。在理论研究方面，除了研究板材的材料特性、应力 应变系、温度及应变速率对成形性能的影响等基本特性之外，较多地集中在成 形极限的研究方面，为材料的合理应用寻求最佳的应用条件和范围。 1 3 课题背景和意义 随着现代金属冶炼技术的突飞猛进，越来越多的高强度钢板，甚至超高强 度钢板不断地被开发出来，采用传统的冷冲压方法已经很难成形，甚至不能成 形此类钢板。这就制约了高强度钢板在提高汽车被动安全性方面的应用。热冲 压技术的出现，为解决此类问题指明了方向，但是其工艺本质和特点尚未能得 到很好的认识，许多方法、概念在我国还停留在酝酿阶段，没能在实际中得到 运用。正是在这样一个大背景下，本课题开展了淬火硬化高强度钢板这一新型 材料在我国进行热冲压成形工艺运用方面的研究工作。 热冲压成形工艺主要是利用金属在高温状态下，其塑性和延展性迅速增加， 屈服强度迅速下降的特点，通过模具使零部件成形的工艺。采用热冲压成形工 艺，一般是将板料加热到再结晶温度以上某个适当的温度( 对于钢铁材料，加 热至奥氏体状态) 时进行冲压成形，使板料成形时的流动应力降低、提高板料 的成形性、削弱成形件的回弹，并且降低所需设备的吨位。同时，冲压成形后 进行的快速冷却淬火将能够大大提高其强度1 1 1 , 1 2 , 1 3 , 1 4 。 与板料冷冲压工艺相比，热冲压成形具有以下优点：变形抗力小、塑性 好、成形极限高、易于成形；由于变形抗力降低，所以减小了模具的单位压 1 0 第1 章绪论 力，相应降低了对模具和机床的要求；由于成形性能的提高，减少了变形的 工序数从而缩短了生产周期 1 5 , 1 6 1 。对于硼钢，通过热成形不仅具有以上所描述的 热成形的优点，并且配以合适的后继热处理方式，还可以使板料发挥其最佳的 性能，为汽车提供高质量的零部件，从而不但降低了汽车零部件的重量，还提 高了其抗冲击性能及疲劳性能，提高了汽车的安全性。 对于汽车工业，特别是国内的汽车制造业来说，只有掌握了新技术、新工 艺，才有可能更大程度地降低成本和提高劳动生产率，才有可能占得市场先机， 在残酷的竞争中脱颖而出。一旦高强度钢板的热成形技术在国内成功投入应用 领域，将使国内汽车厂商能够在安全性、环保节能等诸多方面提升自身产品， 摆脱进口限制，降低制造成本，从而在很大程度上推动中国汽车及其他相关行 业的发展。 含硼超高强度钢板的强度可以高达1 5 0 0 M p a ，为普通钢板强度的3 4 倍， 将其应用于汽车零部件成形不仅可直接减少料厚，降低车身重量，还可提高汽 车的安全性，以及相关联的降低油耗，节约能源、减少汽车排放等。并且，硼 钢属于含硼高强度钢板，废物可以充分回收利用，有利于降低环境污染。此外， 车身重量的减轻，还有助于改善汽车的行驶、转向、加速、制动等运动性能和 排气性能，同时，还为降低噪声、振动、实现大功率创造条件。 我国汽车工业已进入高速增长的发展阶段，2 0 0 3 年汽车产量超过4 0 0 万辆， 己成为世界汽车生产大国，2 0 1 0 年前，年均增长率为1 0 1 5 。汽车轻量化 和原料国产化、高性能化是中国汽车工业及相关工业努力的方向。因此，汽车 的轻量化不仅是汽车制造商亟待解决的问题，还要依托各有关企业和厂家通力 合作、立项攻关，研究开发新材料、进一步加快原料和成形工艺开发，使中国 汽车工业在产量迅速增长的同时，质量、性能和档次上也都上新台阶，真正跻 身世界汽车制造工业前列。 近年来，淬火硬化高强度钢板的热冲压成形技术在发达国家的汽车工业中 已经开始逐步应用到实际的生产当中去了。根据有关资料报道，德国大众就在 其P A S S A T 的B 6 车型中对部分零件采用了热冲压成形技术。而在国内，由于受 到技术和设备的限制，在这方面的研究与应用均还没有展开，对金属热塑性成 形的应用还只是停留在热锻，热轧等方面，对金属板料的热塑性成形则更可以 说是一片空白。因此，开展这项研究工作对国内产业和相关企业而言，更具非 常重要的意义。 第1 章绪论 1 4 课题研究的主要内容 本课题以硼钢板的热冲压成形工艺为研究对象，计划在淬火硬化高强度钢 板热成形工艺方面做出一些建设性的探索研究工作。这其中具体包括：热冲压 模具的设计制造、热冲压零件的试制、热冲压工艺影响参数的确定等几个方面。 目的在于设计并制造能适应批量化生产要求的热冲压模具，通过一定量的零件 试制，找出并掌握一个或几个热成形工艺参数对高强度钢板热成形性能的影响， 以期为高强度钢板热成形性能评价指标的确定提供事实依据，并为其工艺方法 的实际应用提供有价值的指导与参考。 1 、高强度钢板热冲压工艺的设想。将金属板料的模具成形工艺与材料的固 体淬火工艺相结合，本课题提出了淬火硬化超高强度钢板热冲压成形工艺的总 流程，并对其中的几个重要工艺参数的优化选择做了探讨。 2 、高强度钢板热冲压模具的设计与制造。模具是冲压加工的核心装备，热 冲压模具除了具备一般冷冲压模具所需要的条件以外，还必须根据热冲压的要 求调整模具结构，设置冷却系统。 3 、高强度钢板热冲压工艺参数对板料成形性能的影响与评价。由于热冲压 和冷冲压相比，在成形机理上存在根本性的差异，况且板料在高温状态下的机 械性能和成形性能根本不能用在般室温条件下获得的经验与理论来表征。因 此，本课题从理论探讨和计算机模拟研究出发。发现并总结出了些工艺参数 及其对高强度钢板热成形规的律影响。 4 、高强度钢板成形u 型零件的工艺试验。以汽车中的一个典型机构件为对 象，本课题开展了超高强度钢板热成形加工的工艺试验，对有关工艺参数的优 化进行验证。其结果对今后该项工艺的实际应用具有很强的指导意义。 1 2 第2 章金属板料热塑性变形理论 第2 章金属板料热塑性变形理论 金属薄板在发生变形的过程中内部微观结构、内能变化复杂，对冲压件的 质量、效率有很大的影响，且这种变化受材料、施力方式、模具结构等多种外 部因素影响，长期以来人们在这方面作了大量的研究，是我们进行有限元仿真 研究的基础。同时，有限元仿真方法研究冲压成形就必须从最基本的力学、数 值计算考虑，才能制定出最合理的仿真方案，达到运用有限元技术解决实际问 题的目的。因此，在对板料成形过程的仿真研究之前必须了解材料的力学特性 和塑性变形的力学特点，以及仿真研究中对冲压的力学特性、材料特性的处理 和数值计算方法，确定出我们的仿真方案，其中包括计算方法的选用，壳单元 的确定，接触处理方法和材料本构模型的选择。 2 1 金属薄板冲压成形的原理与特点 板材冲压成形是利用金属塑性变形的特点，通过一定方式对金属板料施加 压力，在上下模腔的约束下产生所需的塑性变形，从而获得满足所需的各种形 状的零件。在圆筒形件的简单冲压过程中，当凸模向下运动时，凸模的底部首 先压住坯料中间部分；凸模继续下行，即将坯料的凸缘逐步拉入凹模模腔内， 凸缘材料便不断的转化为零件的壁。由此可见，冲压成形的实质就在于凸缘部 分的变形，冲压成形过程就是使坯料凸缘逐步收缩形成零件的壁的过程。在这 一过程中，材料形状的改变归根结底都是材料内部的微观变化引起的，既与金 属晶格的变形有关，又与材料内部的应力变化有必然的联系。 2 1 1 冲压过程的金属变形 冲压成形过程的金属变形包括弹性变形和塑性变形两个发展阶段，两个发 展过程既相互区别又相互关联。没有外力时，金属晶格中的原子处于稳定的平 衡状态( 如图2 - l a ) 。冲压时的外力作用破坏了这种平衡，引起了原子间距离的 改变，造成了晶格的畸变，使晶格中的原子处于不稳定的状态，晶格的畸变必 然表现为整个晶体的变形( 如图2 - I b ) 。外力除去后，晶格的原子因为内力的作 1 3 第2 章金属板料热塑性变形理论 用，立即恢复到原来稳定平衡的位置，晶格的畸变和整个晶体的变形也就立即 消失了。这就是弹性变形的实质。 如果外力进一步加大，金属晶格的弹性畸变程度也随之而加大，当外力和 畸变到达一定程度时，晶格的一部分即相对另一部分产生较大的错动( 滑移或 孪动，如图2 - l c ) 。错动以后的晶格原子，就在新的位置与其附近的原子组成新 的平衡。这时如果卸去外力，原子间的距离虽然仍可恢复原状，但是错动的晶 格却不再回到其原始位置了( 如图2 - l d ) 。于是，晶体产生了一种不可恢复的永 久变形塑性变形。塑性变形是晶格之间的错动形成的，因此可以产生比弹 性变形大的多的变形量。 ( a ) 咖 ( c )( d ) 图2 1 金属晶格的弹塑性变形过程 由此可见，金属在塑性变形过程中必须首先经过弹性变形阶段，即在外力 作用下金属晶格先产生晶格的畸变，外力继续增大时，才产生晶格之间的错动。 由于晶格的错动过程中晶格的畸变仍然存在，因此在塑性变形过程中弹性变形 和塑性变形是同时存在的，外力消除后，总变形量中的弹性变形也就消失了。 2 1 2 冲压过程的力学分析 进行任何一种冲压工艺的目的，都是使毛坯的形状和尺寸发生变化并成为 成品或半成品零件。在这个过程中，毛坯的变形都是模具对毛坯施加外力所引 起内力或由内力直接作用的结果。一定的力的作用方式和大小都对应着一定的 变形。在金属的塑性变形过程中，力以不同的方向作用于金属上，并产生复杂 的应力状态。 冲压拉深过程中，毛坯各部分的应力应变状态是不同的，变形区的应力、 1 4 第2 章金属板料热塑性变形理论 应变状态决定了板料的变形性质。下面以常见的筒形拉深件为例没，来说明板 料上变形区的应力、应变状态。 图2 - 2 拉深过程中板料各区域的应力状态 如图2 - 2 所示毛坯所处的拉深状态，按照应力应变状态可以分为5 个区： l 、凸缘变形区( 主要变形区) 材料在径向拉应力0r 和切向压应力00 的作用下，产生径向伸长和切向压 缩变形，在厚度方向，压边圈对材料施加压应力o 。，其0 t 的值远小于0 ，和oo ， 所以料厚稍有增加，如果不压料，料厚增加相对大一些。 2 、凸缘圆角部分( 过渡区) 位于凹模圆角处的材料。变形比较复杂，除了有与平面凸缘部分相同的特 点外，还由于承受凹模圆角的压力和弯曲作用而产生压应力0o 。 3 、筒壁部分( 传力区) 这部分材料己经变形完毕，此时不再发生大的变形。在继续拉深时，凸模 的拉深力经由筒壁传递到凸缘部分，故它承受单向拉应力0r 的作用，发生少量 1 S 第2 章金属板料热塑性变形理论 的纵向伸长和变形。 4 、底部圆角部分( 过渡区) 这部分材料一直承受筒壁传来的拉应力，并且受到凸模的压力和弯曲作用。 在拉、压应力综合作用下，使这部分材料变薄严重，最容易产生裂纹。故此处 称为危险断面。 5 、筒底部分 这部分材料基本上不变形，但由于作用于底部圆角部分的拉深力，厚度略 有变薄。 2 1 3 板料成形的力学特点 板料成形过程是一个同时包含几何非线性( 应变与位移之间的非线性) 、材料 非线性( 应力与应变之间的非线性) 和边界条件非线性( 模具与工件产生的接触摩 擦引起的非线性) 的极其复杂的高度非线性问题，具有以下的特点： 1 、板料变形过程具有大变形、大位移、大转动的特点，因此必须采用有限 变形理论才能真实地描述其变形特点； 2 、板料的弹性变形和回弹必须加以考虑，因此一般不采用刚塑性材料模型， 而采用弹塑性材料模型； 3 、由于材料本构关系与屈服条件有关，因此必须选择能够描述板料各向同 性或者各向异性特点的屈服准则； 4 、板料成形时通常必须考虑弯曲效应，因此不宜采用薄膜单元，而采用合 适的壳单元； 2 2 金属热塑性变形的机理及其对金属组织和性能的影响 2 2 1 金属热塑性变形的机理 金属热塑性变形机理主要有：晶内滑移、晶内孪生、晶界滑移和扩散蠕变 等。一般地说，晶内滑移是最主要和常见的；孪生多发生在高温高速变形时， 但对于六方晶系金属，这中机理也起重要作用；晶界滑移和扩散蠕变只在高温 变形时才发挥作用。随着变形条件( 如变形温度、应变速率、三向压应力状态 1 6 第2 章金属板料热塑性变形理论 等) 的改变，这些机理在热塑性变形中所占的分量和所起的作用也会发生变化。 l 、晶内滑移 在通常条件下( 一般晶粒大于l Oum 以上时) ，热变形的主要机理仍然是晶 内滑移。这是由于高温时原子间距加大，原子的热振