高強鋼的成形方法及應用

2016-09-26 by:CAE仿真在線來源:互聯網

(作者:尤超文章來源:瑞典SSAB鋼板有限公司)

與鋁合金及鎂合金相比,先進高強鋼因其成本低而具有很強的市場競爭力,在汽車輕量化、提高安全性及節能減排等方面,都展現出了廣闊的應用前景。然而,在先進高強鋼的應用過程中,減薄和高強兩大優勢卻對成形工藝提出了新的挑戰。本文簡述了先進高強鋼的三種常用成形方法。

節能、安全和環保是當今世界汽車發展的主題。據分析,減少汽車自重是降低汽車燃油消耗及減少排放的有效措施之一。由于鋼鐵材料在強度、塑性、抗沖擊能力、回收使用及低成本方面具有綜合的優越性,其在汽車材料中的主導地位仍是不可動搖的。隨著先進高強鋼 (AHSS) 在汽車制造中的比例不斷增大,廣泛應用于汽車車身、底盤、懸架和轉向等零部件上,用高強度鋼板代替普通的低碳冷軋鋼板、鋁合金和鎂合金等已成為未來的主要發展方向之一。

圖1所示為德國寶馬汽車公司的研究成果:以先進高強鋼為基準,每減重1kg時各種材料、工藝等所帶來的成本變化。其中,用鋁每減重1kg,成本增加7.5歐元左右;用鎂每減重1kg,成本增加12.5歐元左右。

先進高強鋼的定義

先進高強鋼具有優良的材料性能,由于迎合了超輕鋼車身先進車輛概念(ULSAB-AVC)的安全、節能和經濟的先進理念,先進高強鋼在汽車工業輕量化中得到了日益廣泛的應用。目前,市場上的先進高強鋼主要有雙相鋼(DP)、復相鋼(CP)、相變誘發塑性鋼(TRIP)和馬氏體鋼(MART)等(見圖2),強度范圍為500~1600MPa。其中,雙相鋼和馬氏體鋼是目前市場上應用最廣泛的先進高強鋼,瑞典SSAB公司生產DOCOL1500M是目前市場強度最高的冷軋馬氏體鋼。

先進高強鋼的成形方法

目前常用的先進高強鋼的成形方法主要有:輥壓成形、冷沖壓成形和熱沖壓成形。

1.輥壓成形工藝

輥壓成形(又稱滾壓成形)工藝是通過順序配置的多道次成形軋輥,把卷材、帶材等金屬板帶不斷地進行橫向彎曲,以制成特定斷面的型材。

輥壓成形工藝具有以下優點:

(1)最高可生產強度為1500MPa的零件,如某前碰撞橫梁(見圖3)采用DOCOL1500M(抗拉強度1500MPa)替代DOCOL1200M(抗拉強度1200MPa),輥壓成形后板厚減少0.2mm,質量降低0.75kg。

(2)生產效率高,適合于大批量生產,與沖壓工藝相比效率提高10倍以上,制造成本大幅降低;

(3)加工產品的長度基本不受限制,可實現不同車型同一零件的模塊化設計,降低制造成本,如某品牌3款不同車型車門檻板(見圖4)設計為同一截面,材料牌號:DOCOL1000DP,抗拉強度:1000MPa,3款車型共用同一生產線,實現了生產線共用;

(4)能有效解決超高強度鋼的回彈現象,可達到極小成形半徑;

(5)不需專用成形模具;

(6)產品的表面質量好,尺寸精度高;

(7)在輥壓成形生產線上可以集成其他的加工工藝,如沖孔、焊接及壓花等。如某輥壓成形的車門檻板(見圖5),材料牌號:DOCOL1400M,抗拉強度:1400MPa,沖孔在輥壓過程中完成;

(8)材料利用率高,一般可達到90%以上;

(9)生產噪聲低,無環境污染。

輥壓成形工藝加工出來的型材其斷面結構合理、幾何尺寸精確,體現了現代社會對材料輕量化、合理化及功能化的使用要求。輥壓成形采用先進的高效生產工藝,使成形截面達到最好的力學性能,特別適用于超高強度鋼零件的加工成形,其有效地解決了超高強度鋼的回彈,并極大地降低了制造成本,推進了超高強度鋼在汽車工業中的應用。采用該工藝加工的典型零件有汽車前后碰撞橫梁、車門檻板和座椅滑軌等。

輥壓成形工藝的不足之處在于要求所加工零件截面為等截面,對零件設計提出了更高的要求。

2.冷沖壓成形

冷沖壓成形是用壓力機通過模具將料板冷沖壓成形產品,主要步驟有拉延成形、切邊和整形等。

冷沖壓成形工藝具有以下優點:

(1) 最高可生產強度為1400MPa的零件;

(2) 生產線成本不高,普通零件如車門防撞梁用800t的液壓機或機械壓力機即能滿足生產要求;

(3) 零件生產效率比較高;

(4)可以使用AUTOFORM、DYNAFORM等軟件進行成形模擬分析。

其不足之處在于:

(1)材料利用率不高,根據零件形狀、模具設計等不同,一般為40%~75%;

(2)產品回彈、褶皺和壁翹曲難以控制,模具調試時間長;

(3)模具設計和加工復雜;

(4)生產過程中噪聲大,特別是切邊工序;

(5)太過于復雜的零件成形困難,需要多步成形,成本增加,如汽車B柱。

高強度鋼的冷沖壓件在生產時,遇到的最大難題是成形件尺寸精度難以保證。為了解決這一難題,需要用AUTOFORM等軟件進行成形模擬分析,并多次調模以減少回彈及壁翹曲。但對于一些非等截面零件,因為不能采用輥壓成形,而冷沖壓成形相對于熱沖壓成形生產成本低,所以也廣泛應用于汽車零部件的制造中。其中最典型的零件如:車門防撞桿、底板縱橫梁和車頂縱橫梁等。如圖6所示,冷沖壓成形的車門防撞梁,材料牌號:DOCOL1200M,替代熱成形零件。

3.熱沖壓成形

熱沖壓成形工藝過程首先把常溫下強度為500~600MPa的高強度硼合金鋼板(俗稱硼鋼,如20MnB5、22MnB5和30 MnB5等) 加熱到900~950℃并保持5~10min,使之均勻奧氏體化,然后送入內部帶有冷卻系統的模具內熱沖壓成形,之后保壓快速冷卻淬火(冷卻速度> 50℃/s),使奧氏體轉變成馬氏體。成形件因而得到強化硬化,屈服強度可以達到1000MPa以上,抗拉強度可以達到1500MPa以上。

高強度鋼板的熱沖壓成形工藝的基本流程是:落料—預成形—加熱—沖壓成形—去氧化皮—激光切邊沖孔—防銹處理,并在沖壓成形和保壓定形階段同時進行板件淬火。圖7所示為熱沖壓成形的工藝流程。

這項工藝的核心內容在于其沖壓成形中的保壓定型過程以及模具的冷卻。其優點是:

(1)最高可生產強度為1500MPa的零件;

(2)高溫下材料塑性好,成形能力強,可成形比較復雜的零件,如汽車B柱;

(3)高溫下成形沒有回彈,成形極限高,實現高精度成形,成形后零件強度等性能指標大幅度提高。

不足之處在于:

(1)生產線復雜,設備投資大;

(2)生產、維護和保養復雜,生產成本高;

(3)模具設計和加工復雜;

(4)生產節拍慢;

(5)零件強度容易受到生產零件的影響而產生波動,生產過程控制要求極為嚴格。

熱沖壓成形技術因為其較強的成形能力仍然在汽車工業中有著廣泛的應用,其中最典型的零件如汽車B柱(見圖8),材料牌號:20MnB5;板厚:1.85mm;成形后抗拉強度:1500MPa。

高強鋼板成形技術發展趨勢

盡管高強鋼板成形技術的研究已取得了長足的進步,但由于高強鋼板成形性能的特殊性及復雜性,還需要不斷地進行技術創新。在此,簡單介紹一些高強鋼成形方面的最新研究。

1.不等厚板熱成形技術

該技術可以實現不同部位不同強度、不同厚度及不同材質,主要優點有:大大減輕車身重量;減少汽車零部件的數量,因而減少了模具數量;提高了材料利用率,廢料大大減少;結構功能與工藝性能得到提高。

2. 柔性輥壓成形技術

與傳統等截面輥壓成形相比,變截面柔性輥壓成形是成形截面沿縱向變化的,因而具有更合理的力學性能,結合材料的使用技術,對超高強度材料零部件進行成形加工,整車質量可進一步降低25%,將成為下一代輥壓成形技術的發展方向。國內外,如德國達姆施塔特大學(見圖9)、我國北方工業大學(見圖10)等在柔性輥壓成形方面都頗有研究。

結語

汽車輕量化是大勢所趨,而采用先進高強鋼是實現輕量化的主要技術途徑之一。同時,制造工藝的改進和成形技術的發展,也促進了先進高強鋼在汽車制造領域的應用。目前市場上最常用的先進高強鋼的成形方法主要有:輥壓成形、冷沖壓成形和熱沖壓成形。而就制造成本而言,輥壓成形最優,冷沖壓成形次之,熱沖壓成形成本最高。

我國汽車輕量化起步較晚,相關高強鋼成形工藝技術與國外有著一定的差距。但我國高校、科研院所、汽車及零部件廠家正積極努力,致力于提高自身的設計能力和制造工藝水平,為加速我國汽車輕量化的步伐,為節能環保做出了一定的貢獻。

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