板材热冲压及其塑性失稳与成形性能的研究

1、2015 年 春 季学期研究生课程考核（读书报告、研究报告）考核科目: 板材成形性能与塑性失稳理论学生所在院（系）: 材料科学与工程学院学生所在学科: 材料工程学 生 姓 名:学 号: 学 生 类 别:考核结果阅卷人板材热冲压及其塑性失稳与成形性能的研究（一）热冲压技术在汽车领域的广泛应用热冲压技术主要应用于高强度钢的成型过程中，且广泛应用于汽车零部件制造中。它是一项既可减轻车体重量，又能提高碰撞安全性的新型制造技术，已得到国际汽车业界的广泛认同并推广使用。如何设计并制造既节能、又安全的车，是现代汽车设计和制造业不断追求的目标。车身作为整车质量比例最大的单元，承担着较大的减轻质量压力，故大多数

2、厂家对采用新技术特别是采用高强度和超高强度钢板材料提出了更多的需求。一方面，采用高强度钢板和超高强度钢板（通常达到1000MPa以上），使设计时可以在达到强度要求的同时，有效减少钣金数量和材料厚度，从而达到减轻车身质量的目的（提高经济性）；另一方面，采用高强度钢板可以使车身更容易达到安全性能指标。目前的冷冲压工艺在对高强度钢板进行成形的方面存在着明显的不足，无法满足设计的要求，而热成形工艺可以弥补这个缺陷。因此，热成形工艺技术目前广泛应用于全球各大汽车公司的多种车型，重点使用在对碰撞要求较高的部位，如门槛、前保险杠横梁、B柱、侧门、防撞板等。图1 热冲压技术在汽车上的应用伴随中国汽车制造行业与

3、国际汽车业的快速接轨，国内汽车厂商对热冲压产品的使用量一定会逐步大幅度提高。身结构件广泛采用热冲压产品，将人大提升民族自主品牌汽车的轻量化前景及增强汽车的安全性。众多汽午民营企业：如长城、古利、奇瑞等为提高自身产品在行业市场内的竞争优势，增强车型的轻量化及安全性能，都在积极觅性价比优越的热冲压零件供应商和使用时机。因而，热冲压汽车零部件在车身制造的广泛使用必将成为未来发展的潮流趋势。图2 热冲压硼钢在Volvo轿车中的使用比例（二）常用热冲压材料常用热冲压钢板材料可分为Mn-B系(国内)、Mn-Mo-B系(北美、欧洲)、Mn-Cr-B系(高淬透性热冲压钢)、Mn-Cr系(部分马氏体热冲压钢)、

4、Mn-W-Ti-B系(如韩国POSCO公司 发的高烘烤硬化细晶粒热冲压钢)等。其大部分钢种基础成分通过在C-Mn基体中添加Mn、Cr、B、Ti、Mo等合金元素实现碎火强化，热处理后材料的抗拉强度能从初始的500600MPa提升到1500MPa甚至于2000MPa，其化学成分见表1所示。表1 常见热冲压用钢材的化学成分(%)（三）热冲压成型工艺热成形工艺就是利用在高温状态金属塑性和延展性会迅速增加、屈服强度迅速下降的特点，使用模具令零件成形的工艺。通过对特殊的高强度钢板加热到900左右，使之易于拉延成形，再经过速冷，使钢板抗拉强度达到1450MPa以上，从而达到零件超高强度的要求。热冲压工艺目前

5、主要存在两种类型：直接热冲压和间接热冲压方法。在直接热冲压工艺中，坯料在熔炉中加热，再送移冲压设备上，随后成形并放在封闭的容器内淬火。间接热冲压工艺是在冲压设备上通过对奥氏体化后的半成品冷成形部件只淬火和矫形的成形工艺。图3 热冲压的大体过程链 (a)直接热冲压 (b)间接热冲压直接热冲压成形工艺只需要一套水冷模具即可进行生产，费用低且生产节奏高；原始板料无需预成形，空间占用小且节约能源，加热方式灵活多样，可采取感应加热方式进行加热。对于形状简单及不需要深拉延的汽车车身结构件可以用一次热冲压方法制造。间接热冲压基本工艺主要应用在形状复杂以及需要深拉延的汽车车身结构件。（四）热冲压主要工艺参数热

6、冲压过程中，毛坯加热到奥氏体化后，保温一定的时间，然后快速冷却，得到强度很高的马氏体组织（如图4）。因此影响热冲压的主要工艺参数有：加热温度、加热时间、冷却速度，此外，还有保压时间和冲压速度。图4 热冲压过程板料温度历史示意图加热温度加热温度应该选择在材料奥氏体化温度以上，其大小既要考虑材料金相组织的均匀奥氏体化又要防止材料在加工过程中出现过热、过烧、氧化、脱碳等不良现象。在实际生产加工工艺过程中，零件成形时的温度并不等于坯料加热的温度。因为坯料从加热炉中取出放入到模具需要一定时间，高温的坯料在转移的过程中温度会随着时间而下降，这样就使得零件的成形温度比坯料的加热温度低，加热温度高会造成材料过

7、热的许多缺陷，还增加了加热成本。 因此不能够单纯靠提高坯料加热温度的办法来保证零件的成形温度，而必须强化规范热加工中转移工序的操作工艺，严格控制加热后工件在转移至模具过程中的冷却量来提高加工生产效率。因此，往往要通过数值模拟手段来分析工件成形的初始温度对热冲压成形的工艺影响确定合理的加热温度。加热时间坯料加热后的保温工序很关键，奥氏体刚形成的时候，很多是在相界面的奥氏体晶核，此时形成的晶粒还比较细小，保温时间影响奥氏体化的均匀性，加热后保温才能够促进奥氏体化进程。保温时间太短，材料奥氏体化不完全，金相组织中会有未转化的铁素体，奥氏体晶粒大小不均，材料成形时变形不均匀，淬火后得到的马氏体组织也不

8、均匀，材料的性能差。但保温时间不能太长，因为随着保温时间的增长，奥氏体晶粒通过相互溶解而长大，加热温度越高、保温时间越长，得到的晶粒也就越粗大，不但降低了制件的性能，而且加长了生产加工周期。晶粒的大小对材料冷却后的性能影响很大，晶粒越小，冷却后产物的晶粒也小，其强度韧性和塑性好。保温时间太长或太短都会使材料金相组织晶粒不均匀影响热冲压零件的质量，所以热冲压成形中必须严格控制加热温度和保温时间两个工艺参数，使得材料的金相晶粒细小均匀。冷却速度热冲压成形过程中，板材是在具有冷却系统的模具上冲压成形同时冷却淬火，淬火的目的是为了保证材料在变形过程中能够快速冷却，从而得到在室温下有均匀马氏体金相组织的

9、高强度制件。如果热成形过程中的冷却速度太慢，则奥氏体就会转变为珠光体或贝氏体而得不到所需的马氏体金相组织，从而大大降低制件的强度。冷却速度过高，热冲压零件成形后冷却速度和保压时间难以控制，而且由于热加工制件在冷却至室温的过程中，不同部位的冷却速度不同会导致零件发生变形，从而影响零件的尺寸精度。冷却速度是影响热冲压零件力学性能的关键工艺参数之一，在成形淬火工艺中只有采用合理的冷却速度才能确保制件的组织性能和质量。保压时间热冲压成形工艺中，保压定形工序的目的主要是使工件有足够的时间在模具中完成冷却淬火处理。其次是约束工件的外形，以免冷却淬火过程中变形。确定保压时间的时候，应该考虑工件的热量能够全部

10、传导给模具。只有工件的温度和模具的温度相同且低于材料的马氏体组织转变结束温度时，保压定形工序才能结束。保压淬火是决定热成形制件形状和尺寸精度的关键，保压时间的选择要在产品质量和生产周期两方面均衡考虑。保压时间长，则零件形状和尺寸精度高但会增加工艺时间、提高制造成本。如果保压时间太短，制件没有充分冷却时就从模具中取出，会因为温差引起热胀冷缩变形降低零件的形状尺寸精度和硬度。冲压速度热冲压时，板料必须在金属奥氏体状态下用较高的成形速度冲压成形，避免成形速度过低导致材料的温度下降。采用较高的冲压速度，能够降低工件的成形应力，但是在马氏体组织转变后获得的马氏体金相组织纤维方向不整齐，会降低零件的质量。

11、采用较低的冲压速度，可以获得理想的马氏体组织纤维方向，但因马氏体组织的变形造成成形过程中较大的应力，导致工件的残余应力偏高，材料的机械性能发生变化。因此，选择的冲压速度，要确保材料的金相组织在马氏体转变前，结束成形转入保压定形，以降低冲压的成形力并得到均匀的材料金相组织。(五) 超高强度钢板材热成形技术特点其优点是： 高温下材料的塑性好，成形性强，可将冷冲压时需要多次工序和多套模具成形的零件一次成形出来，可以减少零件及模具的数量，降低成本； 高温下材料的变形抗力小，减小了模具的单位承载压力，降低了压机的吨位要求，从而降低了成本； 高温下成形基本没有回弹，成形极限高，可以实现高精度成形 材料通过

12、加工变形和快冷，晶粒得到了细化，力学性能得到了提高。其缺点是： 设备的投资大、模具设计难并且加工复杂； 制造、维护和保养的成本高； 工作环境差，生产效率低； 单件生产时间长、成本高； 由于选择在高温下成形，零件表面存在氧化，表面质量不佳。 零件在冷却过程中由于温度分布不均匀，易产生热应力和热变形。(六) 汽车表面覆盖件常见冲压缺陷及处理措施汽车表面覆盖件的冲压工艺流程，一般可分为拉深、切边、翻边、冲孔整形这4道工序，下面分别就上述4道工序容易出现的冲压缺陷及其处理措施予以说明。l 拉深（1） 开裂在拉深时，制件开裂的根本原因，在于拉应力大于制件开裂处材料的实际有效抗拉强度，解决拉深件的开裂，可

13、以通过如下方法进行调整： 调整压料力，使压料力变小。即减少压边圈的压力，并使其压力均匀；或调整材料的定位，减小拉裂边的压料面积。 调整拉深间隙，使间隙变大，并使间隙变得均匀。 调整凹模圆角半径，凹模圆角半径太小，会使制品容易拉裂，故加大凹模圆角半径，可减少拉裂程度。 调整凸模圆角半径。凸模圆角太小，使制品容易拉裂，故应适当加大凸模圆角半径的尺寸。 调整凸模与凹模的相对位置：凸模与凹模若装配时没有对中或凸模与凹模与基面不垂直，也会造成制品的拉裂。 调整模具的上、下模板。若凸、凹模固定板的平行度较差，装配后累积误差会造成凸、凹模不垂直于基面而拉裂制品，这时要提高模板加工精度和装配精度，必要时要更换

14、模板。 模具的凸端面的粗糙度数值太小，凹模工作表面及压边圈表面粗糙数值太大，易使制件拉裂，因此，在调整时，要对其分别进行调整； 毛坯尺寸太大或形状不当，板料品质问题及润滑不好，也会使制件被拉裂，故应改换坯件及调整冲压工艺。（2）起皱 压边力太小，材料流动失稳，会导致起皱。当折皱在制件四周均匀产生时，可判断为压料力不足，应逐渐加大压料力，即可消除皱纹。如果增大压料力仍不能克服折皱时，则需增加压边圈的刚性。由于压边圈刚性不足，在拉深过程中，压边圈会产生局部挠曲，而造成坯料凸缘起皱。 凹凸模半径太大，拉深时使板料处于悬空状态引起皱，故若发生起皱时，可在调整时应适当减小凹模圆角半径。 拉深间隙过大。间

15、隙过大时，制件容易产生折皱，因此适当调整冲模间隙，使其间隙小 一些，可以防止起皱产生。（3）拉伤、拉痕 凸模或凹模表面有尖利的压伤，致使制件表面相应的产生拉痕，此时应将压伤表面进行磨或抛光即可。 凸凹模间隙过小，或者间隙不均匀，使其在拉深时制件表面被刮伤，此时应修整凸凹模间隙直至合适为止。 凹模圆角表面粗糙，拉深时工件表面被刮伤，此时应将凹模圆角半径进行修磨打光。 冲压时，由于冲模工作表面或材料表面不清洁，而混进杂物，从而压伤了制件表面，因 此在拉深时，一定要始终保持凸凹模表面的清洁，坯料拉深前一定要擦拭。 当凸凹模硬度低时，其表面附有金属废屑后，也使得拉深制件表面产生拉痕，因此除了增加凸凹模

16、表面的硬度外，在拉深时，还要时常检查凸凹模表面，及时清除其遗留下的金属废屑。 润滑油品质差，也会使拉深制件表面粗糙度加大，这时应使用适合于拉深工艺使用的润滑油，必要时，应将润滑油过滤后再使用，以防止杂质混入而损伤制件表面。（4）刚性差刚性差的主要原因，除制件工艺性不好外，主要的则是压料面的进料阻力太小，材料塑性变形不够引起的。此时可考虑增加拉深筋或将圆式拉深筋改为坎式拉深筋，以增大进料阻。（5）棱线不清 压力机的压力不够，如果在拉深成形中，在材料变形过程终止时，得不到足够“墩死”的压力，则棱线不清。 冲模的导向不好，工作部分间隙不均匀，或凸模及凹模安装不正确（倾斜），压力机的平行度不好，也能引

17、起棱线不清。（6）表面粗糙、麻点表面粗糙、麻点的缺陷，主要是材料本身晶粒度过大引起的，应加强原材料进货的质量监控。l 切边切边工序产生的主要缺陷，是切边毛刺过大，其原因分析及处理措施如下： 凹凸模间隙（冲裁间隙）过大、过小或不均匀，均可产生毛刺。处理措施为：保证凸凹模的加工精度和装配品质；保证凸模的垂直度和承受侧压力，及整个冲模要有足够的刚性；在安装凸模时，一定要保证凸凹模的正确间隙，并使凸凹模在模具固定板上安装牢固，上下模的端面，要与压力机的工作台面保持相互平行；压力机的刚性要好，弹性变形小，道轨的精度以及垫板与滑块的平行度等要求要高；保证压力机有足够的冲裁力。 切边刀口损坏#变钝时，应重新

18、研磨锋利刀口。l 翻边 翻边高度不够。放料不到位，定位不准都可以引起翻边高度不够，需要重新调整定位装置。 翻边拉伤。零件表面有杂质，翻边间隙过小会产生翻边拉伤，应及时清理零件表面杂质，调整翻边间隙。 翻边破裂。零件切边时残留毛刺过大，翻边间隙过小，翻边处形状有突变，材料纤维方向影响都可产生翻边破裂，应该调整翻边间隙、设计合理的翻边工艺防止翻边破裂产生。l 冲孔 冲孔毛刺过大，是由于冲头刀刃磨损引起，可重新更换冲头。 漏冲孔。产生原因是冲头折断、冲孔行程不到位。参考文献1 马宁，申国哲，张宗华等高强度钢板热冲压材料性能研究及在车身设计中的应用.机械工程学报,2011(4):60-642 许珞萍，邵光杰，李麟等汽车轻量化用金属材料及其发展动态.上海金属,2002，24(3):1-63 王利，朱晓东等汽车轻量化与先进的高强度钢板.宝钢技术，2003，(5):53-594 刘波，张朝声国外汽车用高强度钢板的发展.鞍钢技术，1998，(7):48-535 陆匠心，王利高强度汽车钢板的生产与使用世界汽车，2003，(7):45-496 伍宏昆热成形技术在汽车冲压领域的应用汽车工艺与材料，2010,(4):10-147 王剑峰国内外高强度汽车板热冲压技术现状研究机电信息，2009,(36):129-1318