板料成形性能及CAE分析

板料成形性能及CAE分析

文献综述

引言

随着强度的提高，高强度钢板塑性变差、成形难度增加。对典型高强度钢板，如DP 钢、TRIP 钢和BH 钢等在汽车上的应用情况进行介绍，介绍了目前处在实验测试阶段的TWIP钢，具有许多优良的性能，只是投入生产中还存在一些尚待解决的问题。对高强度钢板冲压生产时成形性差、回弹严重，以及冲模受力恶劣等常见问题进行了分析，最后对高强度钢板冲压成形性能研究现状和回弹影响因素进行了总结。结果表明，高强度钢板成形性随材料、模具和工艺参数变化而波动，所以须综合研究三者的影响规律，从而提高高强度钢板的成形性能。

1 高强度钢板在汽车上的应用情况

高强度钢板的拉伸强度一般在350MPa 以上，它不但具有较高的拉伸强度，还有较高的屈服点，具有高的减重潜力、高的碰撞吸收能、高的成形性和低的平面各向异性等优点，在汽车上得到了广泛的应用[1]。高强度钢板最初主要用于车身的前保险杠和车门抗侧撞梁。近年来，随着高强度钢板的研制和开发，其成形性、焊接性、疲劳强度和外观质量都有所提高，现在高强度钢板已被广泛用来代替普通钢板制造车身的结构构件和板件[2]。

1. 1 双相钢( DP 钢)

DP 钢是由低碳钢或低碳微合金钢经两相区热处理或控轧控冷而得到，其显微组织主要为铁素体和马氏体，马氏体以岛状弥散分布在铁素体机体上，DP 钢的显微组织示意如图1 所示[3]。软的铁素体赋予DP钢较低的屈强比、较大的延伸率，具有优良的塑性; 而硬的马氏体则赋予其高的强度。DP 钢的强度主要由硬的马氏体相的比例来决定，其变化范围为5% ～20%，随着马氏体的含量增加，强度线性增加，强度范围为500 ～ 1 200MPa。目前大量使用的有DP590、DP780，热镀锌合金化DP980 的研发工作正在进行中[4]。

DP 钢具有低屈强比、高加工硬化指数、高烘烤硬化性能、无屈服延伸和室温时效等特点，一般用于需要高强度、高的抗碰撞吸收且也有一定成形要求的汽车零件，如车轮、保险杠、悬挂系统及其加强件等。随着钢种性能和成形技术的进步，DP 钢也被用在汽车内外板等零件上。在ULSAB-AVC 计划中，DP 钢在其两种概念车车身用材料中位居主要地位，均达74%。通用及福特汽车公司用DP 钢制造汽车轮盘后，不仅质量降低14%，而且疲劳寿命比普通钢提高一倍。福特汽车公司用DP 钢制造轿车发动机罩壳，使板厚由原来的1.8mm减薄到0. 7mm。上海大学和上海汇众汽车制造有限公司研制的汽车底盘零件用DP 钢，采用St14 双相钢取代08VtiRe，成功地制作了桑塔纳轿车前悬挂支架壳体，降低了成本，解决了原冲损率居高不下的问题[5]。

1.2 相变诱发塑性钢( TRIP 钢)

TRIP 钢的显微组织主要是铁素体、贝氏体和残余奥氏体，因此也称为残余奥氏体钢，TRIP 钢的显微组织示意如图2 所示。它是通过相变诱发塑性效应，使钢板中残余奥氏体在塑性变形作用下诱发马氏体生核和形成，并产生局部硬化，继而变形不再集中在局部，使相变均匀扩散到整个材料以提高钢板的强度和塑性。残余奥氏体分布在铁素体和贝氏体的基体中，含量在5% ～15%，强度范围为600 ～ 1 000MPa。TRIP 钢具有高延伸率，同DP 钢相比，TRIP 钢的起始加工硬化指数小于DP 钢，但是TRIP 钢的加工硬化指数在很长的应变范围内仍保持较高，特别适合胀形成形[6]。TRIP 钢主要用来制作汽车的挡板、底盘部件、车轮轮毂和车门冲击梁等。此外，TRIP 钢板可作为热镀锌和Zn-Ni 电镀锌的基板，以便生产高强度、高塑性、高拉深胀形性以及高耐腐蚀性的镀锌板。

图1 DP钢显微组织图2 TRIP钢显微组织

韩国浦项制铁公司已经成功开发出800MPa 和1 000MPa 级的TRIP 钢，钢板的成形性能非常好，可以加工成复杂形状的汽车部件，目前正着手开发1 200 MPa 级的TRIP 钢。在日本，三菱汽车公司与新日铁、住友金属及神户制钢等合作，开发出汽车底盘零件用TRIP 高强度挡板，在新车型中已有80 余种底盘零件用TRIP 钢板制造[7]。在国内，宝钢采用连续退火生产的TRIP600 钢板已经商业化，该钢板具有高的伸长率δ和硬化系数值n。这些性能特点使其可以替代软钢冲压零件。近几年，宝钢正在进行TRIP800 等钢种的研究开发[6]。

1. 3 烘烤硬化钢( BH 钢)

BH 钢是钢板经冲压成形或预拉深变形后，进行烘烤温度处理( 高温时效处理) ，以使钢板的屈服强度得到一定程度的提高。其特点是冲压成形时屈服点低，具有接近普通低碳钢板的成形性。冲压加工后，由于喷涂烘干时的高温短时间热处理使屈服点升高，从而使冲压件在使用状态下具有较高的强度和抗凹陷能力。表1 所示为宝钢生产的型号为B180H1 的BH 钢板与普通低碳钢板抗凹刚度和凹陷深度比较，从表1 中可知，BH 钢的抗凹性能明显高于普通低碳钢。

表1 BH 钢板与普通低碳钢板抗凹刚度和凹陷深度比较[8]钢种厚度/mm 抗凹刚度/N 增减率/% 凹陷深度（平均

值）/mm

Stl4 B180H1 0.80

0.70

1538.2

1801.3

100.0

117.1

0.158

0.053

由于BH 钢板使汽车用冷轧钢板的强度、深冲性能和零件的抗凹陷性三者统一起来，同时还有减轻汽车自重的作用，所以BH 钢板近年来得到了广泛的应用和研究。日本川崎钢铁公司开发出汽车用440MPa 级BH 钢板，不仅屈服强度上升，而且实现了原来BH 钢板没有的抗拉强度上升。国内宝钢、鞍钢和武钢也均已试制和生产出不同牌号的BH 钢板，基本上掌握了关键的工艺控制技术。目前，宝钢可以生产180、210、240、270 和300MPa 等多个级别的冷轧普板、电镀板和热镀锌板三大类BH 钢板[9]。

1.4 其他高强度钢

孪晶诱导塑性钢( TWIP 钢) 具有中等的抗拉强度( 约600MPa) 和极高的延