『动画视频』汽车高强度钢冲压成形问题点及应用案例对策分析~

宋洋sy 2019-06-24

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视频：汽车高强度钢（HI-TEN材）

冲压成形问题点及应用案例对策分析

（日文发音，中文字幕）

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汽车车身材料主要是金属薄钢板，一般厚度在０．６～２．０ｍｍ，随着钢材

品种的开发和不断更新，越来越多的高强度钢板被应用于汽车车身。高强度钢板具有较高的强度，能使汽车用料相对减少，减轻汽车质量，提高燃料效率。高强度钢板在汽车车身中的广泛应用，对于实现汽车轻量化、节约能源、保护环境以及延长车身寿命、提高汽车的碰撞性能、安全性能等方面都具有重要的意义。

一.高强度钢板的性能

一般地把屈服强度 σｓ小于２５０ＭＰａ的钢板称作普通钢板，σｓ大于

２５０ＭＰａ的钢板称作高强度钢板。高强度钢板和普通板除了在屈服强度上有明显的差异外，其抗拉强度、应变硬化指数、厚向异性指数等方面都有不同。

从上表可以看出，高强度钢板的屈服强度 σｓ和抗拉强度 σｂ比普通钢板高得多，而应变硬化指数ｎ值和厚向异性指数ｒ值却很低，因此高强度钢板的成形性能比普通钢板差，成形极限比普通钢板小。冲压过程中，高强度钢板虽然与普通钢板一样具有开裂和起皱的问题，但由于 σｓ和 σｂ高，ｎ值和ｒ值低，影响粘模性的几何面缺陷和定形性问题更为突出，因此高强度钢板更容易出现回弹、扭曲等冲压件尺寸精度的问题。

二.高强度钢易出现的尺寸精度问题

２．１回弹

回弹是指弯曲棱形的相邻２个面的夹角与模具型面角度不一致的现象。在弯曲成形过程中，弯曲圆角外部由于材料伸长而产生拉深的应力，而在弯曲圆角内部，材料由于压缩，又产生了压缩的应力。但是在零件脱模后，由于存在弹性变形和板厚内外应力释放，即产生了力矩，从而发生了角度变化。如图1所示。

２．２　侧壁翘曲

侧壁翘曲是指侧壁的平面变成有曲率面的现象。零件侧壁上圆角处圆角内侧板料受压应力而产生压缩变形，圆角外侧板料受拉应力作用产生拉深变形，当零件脱模后，由于存在残余弹性变形和板厚应力差，使零件侧壁上圆角处侧壁向外产生角度变化。同理，零件侧壁下圆角处侧壁向里产生角度变化，而法兰向下产生角度变化。在上、下２个力矩的作用下零件侧壁产生翘曲和内凹。如图2所示。

２．３　扭曲

扭曲是指与纵向轴垂直的２个断面产生扭转的现象，是板厚方向应力差和面内应力共同作用下的结果。如图３所示。

２．４　棱形翘曲

棱形翘曲是指产品棱线和模具棱线曲率不一致的现象。零件圆角处圆角内侧板料受压应力而产生压缩变形，圆角外侧板料受拉应力作用产生拉深变形，零件脱模后，在残余弹性变形和板厚应力差的共同作用下，零件圆角处棱线产生变化。如图４所示。

三.高强度钢板尺寸精度控制措施

对于高强度钢板尺寸精度控制，不仅要把好产品设计关，还需要设计合理的冲压工艺和模具结构，以及做好后期的模具调试工作。

３．１　产品设计

产品设计开发阶段，应做好高强度钢板冲压件的成形性分析，强化ＣＡＥ模拟，通过ＣＡＥ结果来不断优化产品的外形结构，达到避免或者减轻产品可能出现的尺寸精度偏差的目的。产品外形可以从以下３个方面考虑。

１）产品圆角半径设计合理。同等料厚下，产品圆角半径小，产品回弹和侧壁翘曲小，但过小的圆角半径会使产品的弯曲区域应变过大而产生破裂，因此，产品圆角半径应结合ＣＡＥ模拟情况，合理设计。

２）产品设计加强筋等形状。加强筋、沟槽等形状可以改变产品应力应变状态，均衡产品内应力，减小产品回弹。

３）其他有利于提高尺寸精度的设计。通过产品阶梯状设计可以减小产品侧壁弯曲，产品后尾式加强形状的设计可以减少产品的侧壁回弹。

３．２　冲压工艺和模具结构设计

产品设计确定后，制定合理的冲压工艺能提高产品的尺寸精度，减小产品的回弹、扭曲和起皱等缺陷，但有些工艺方法降低了材料利用率，或者需要更改现有设备，从而增加了产品开发成本，这要求必须做好工艺分析，权衡利弊，取舍得当。

１）拉深深度尽量均匀。拉深深度均匀，冲压过程中材料流动均匀，利于后期模具调试和产品尺寸精度的提高。对于断面深度不一致的产品，应通过补偿来保证拉深深度尽可能的一致。此外高强度钢板还要采用比普通板更深的拉深深度，以保证最深断面处的材料流动均匀。

２）产品尽量一次成形。产品一次成形后材料应力强化，二次成形或者整形后，产品更容易出现回弹或扭曲现象，因此高强度钢板应尽可能在一次成形工序中把产品的几何形状全部成出来，避免二次成形。

３）增大压边力。压边力增加，材料经过凹模口圆角半径弯曲变形程度增加，从而能使侧壁翘曲、回弹和扭曲变小，但是如果压边力过大，则有产生破裂的危险。

４）采用阶梯式拉深。阶梯式拉深是在模具台肩部分设定阶梯形状，在成形终期，通过把这个阶梯形状进行成形，对纵壁附加张力，来减小侧壁翘曲的一种拉深方法。

５）回弹补偿控制。对于高强度钢板产品，应在拉深工序中做出合理的回弹补偿，吸收掉产品回弹量，保证产品的尺寸精度。

６）镶块式模具结构。高强度钢板的尺寸精度偏差值经常需要在模具多次调试验证后才能确定，而高强度钢板的屈服强度和抗拉强度高，反复调试模具磨损严重。建议高强度钢板采用堆焊性能好的镶块式模具结构，镶块式有利于模具结构的调整，堆焊性能好利于模具局部间隙的调整。此外，拉深凹模圆角半径小能减小产品的侧壁翘曲，后序整形和翻边凸凹模间隙的选择得当也能起到校正侧壁翘曲的效果。

３．３　模具调试

１）高强度钢板模具一般应先根据ＣＡＥ模拟，做好补偿，然后开发快速模进行调试，调试好之后，根据改动数据，再开发正式模具。

２）不轻易更改拉深圆角和拉深筋，并注意对称以利于回弹的二次调整。

３）镶块底面蓝油检查着色率应保证９０％以上。

４）压料面蓝油检查着色率应达到９０％以上。凹角可以空开的要空开，避免干涉，保证材料流动均衡。

５）拉深和成形模具调试尽量采用大的成形力和压边力；拉深筋的圆角和凹模的底部圆角尽量放大，防止产品开裂和压边圈起皱磨损。

四.高强度钢板模具材料

４．１　高强度钢板模具的受力情况

１）高强度钢板的高抗拉强度使模具在成形过程中承受巨大的工作压力；

２）为了防止起皱和回弹，模具承受巨大的压边力；

３）巨大的工作压力和压边力的施加，导致模具摩擦力增加；

４）整形模中为了防止起皱和回弹，采取较小的工作间隙，也导致模具摩擦力的增加。

5 ）高强度钢板的高抗拉强度使模具刃口部位在修冲过程中承受巨大的工作压力；

6 ）修冲的瞬时性决定模具工作刃口承受着巨大的交变应力；

7 ）修冲过程板料在刃口部位应力集中，顺利完成修冲需要模具刃口尖锐，刃口强度降低。

４．２　高强度钢板模具材料的选用

高强度模具的受力特点决定了高强度钢板模具必须具有高抗磨损性能、高抗粘着性能、高抗崩刃性能、高抗开裂性能和高抗塑性变形性能，这些性能要求高强度钢板模具材料必须具备高硬度和高韧性的特点。

１）高硬度。高强度钢板高抗拉强度要求高强度钢板模具材料必须具备较高的硬度，较高的模具材料硬度还可以阻止材料在产品成形过程中的塑性变形、过度磨损和粘着。

２）高韧性。模具材料韧性高，可以防止产品冲压过程中材料过早的失效，如开裂、崩刃和疲劳磨损等。通常根据高强度钢板的屈服强度和产品料厚来确定合适的模具材料，其中，具有淬透性、耐磨性好的低合金工具钢７ＣｒＳｉＭｎＭｏＶ和高碳高铬钢Ｃｒ１２ＭｏＶ被广泛应用于汽车冲压生产中如表２所示。实际应用中也根据产品难易程度、冲压工艺方式等选择性能相当或者更高性能的模具材料。

此外，还需根据模具的调试情况、产品调试状态等选择合适的表面处理方式，比如表面镀铬、ＰＶＤ、ＴＤ等，模具表面处理后，模具表面硬度提高、摩擦因数降低，这大大提高了模具的使用寿命和产品质量。

五.热成形技术的应用

尽管高强度钢板在汽车冲压生产中有着广泛的应用，但也一直受几个方面的制约：产品成形性差、容易开裂；产品成形尺寸精度差且容易产生各种表面缺陷；产品成形所需冲压设备吨位大；超高强度钢板制造困难。基于此，一些汽

车厂商采用了一种全新的针对高强度钢板的热成形工艺，其工艺措施是将钢板加热到奥氏体温度区间（约９００）时进行热成形，同时在模具内对冲压件快速冷却，再进行淬火强化，以此制造抗拉强度更高的产品。热成形技术不仅能

提高产品的抗拉强度，而且避免了出现高强度钢板易出现的回弹、翘曲等尺寸精度问题。

热成形技术的应用推广还有很多的工作要做：

１）热成形过程中，材料的性能随温度变化而变化，为了保证热成形模拟分析的准确性，必须获得不同温度下的应力应变曲线和材料参数；

２）为了提高碰撞安全分析的准确性，必须研究不同应变速率下热成形材料应力应变曲线；

３）热成形技术应用成本较高，如何提高生产节拍、控制好加工成形的热处理、降低废品率还需要深入研究。

六.结语

高强度钢板与普通钢板性能的差异，决定了两者产品尺寸精度问题的不同，相比较而言，高强度钢板更容易产生较大的回弹、侧壁翘曲、扭曲和棱形翘曲等产品尺寸精度问题，控制好产品尺寸精度问题，高强度钢板的应用才有意义，否则适得其反。这对前期的产品设计、冲压工艺和模具结构设计、模具材料的选用以及后期的模具调试都提出了更高的要求，只有不断总结高强度钢板的应用经验，完善高强度钢板产品的尺寸精度控制手段，做好热成形等新技术的应用，才能更加广泛地应用高强度钢板产品，实现汽车轻量化。

★参考资料：汽车上都有些什么高强度钢

汽车用高强钢类型：

1、双相钢（ DP 钢， Dual Phase Steels ）

2、复相钢（ CP 钢， Complex Phase Steels ）

3、相变诱导塑性钢（ TRIP 钢， Transformation Induced Plasticity Steels ）

4、马氏体钢（ MS 钢， Martensitic Steels ）

5、淬火延性钢（ QP 钢， Quenching and Partitioning Steels ）

6、孪晶诱发塑性钢（ TWIP 钢， Twinning Induced Plasticity Steels ）

7、硼钢（ PH 钢或 B 钢， Press Hardening/Boron Steels ）

1、双相钢（DP 钢）

★性能特点：

无屈服延伸、无室温时效、低屈强比、高加工硬化指数和高烘烤硬化值。