汽車車身用沖壓鋼板成形性能研究

文／董瑞峰·內蒙古工業大學

汽車車身用沖壓鋼板成形性能研究

文／董瑞峰·內蒙古工業大學

董瑞峰，工學博士，教授級高工，主要從事先進高強鋼板的組織性能研究與產品開發，發表學術論文20余篇，申請或授權發明專利12項，獲得省部級科技進步獎3項，重大企業科技進步獎16項，先后被評為內蒙古自治區“新世紀321人才”第二層次人才，內蒙古自治區深入生產第一線突出貢獻科技人員，內蒙古自治區第八屆青年科技獎等榮譽稱號。

汽車工業在國民經濟的發展中占有非常重要的地位，汽車工業的發展不僅帶動了經濟的發展，而且也推動了科學技術的進步。汽車制造所需鋼板一般都要求具有較好的沖壓成形能力，主要包括汽車車身用鋼、車輪用鋼、車架及大梁用鋼等。隨著近年來對低碳環保、節能減排的重視程度不斷增加，汽車逐漸向輕量化發展，對汽車用薄板鋼材的力學性能和成形性能提出了越來越高的要求，因此開發高強度深沖壓級鋼板成為了科研人員的主要研究方向。以下內容主要為作者及課題組對汽車車身制造用鋼板的組織、性能的研究成果。

汽車車身用沖壓鋼板

汽車覆蓋件輪廓線尺寸大、形狀復雜，零件成形過程復雜，受沖壓工藝參數、模具結構、材料性能等因素影響程度大，在零件成形過程中易產生缺陷，沖壓合格率和成材率較低。而汽車車身用沖壓鋼板在整個汽車制造用鋼中用量最大，以轎車為例，鋼材用量最大的是薄鋼板，沖壓成形的零件數量高達500～600件，發達國家約50%以上的薄板生產量用于汽車工業，因此，研究車身用鋼板組織和性能特點，提高零件的沖壓合格率，為汽車制造企業和鋼材供應企業提供理論分析依據具有重要意義。以用量最大的汽車車身內板，常用牌號DC04深沖用鋼為例舉例說明。

微觀組織

由于該類鋼主要用于復雜零件的沖壓，所以其成分以超低碳為主，典型成分質量分數為C0.003%，Si0.004%，Mn0.14%，P0.009%，S0.006%，Al0.026%，Ti0.053%，其余為Fe，微觀組織以餅形鐵素體為主，伴有微量的滲碳體，如圖1所示。

圖1 DC04深沖用鋼板金相照片

宏觀織構

當金屬材料發生塑性變形時，不僅晶粒會發生變化，而且金屬內部的組織也會發生變形，即形成變形織構。原來為任意取向的各個晶粒就會逐漸趨于某一方向，這種現象叫做晶粒的擇優取向，而具有擇優取向的組織就形成形變織構。對于深沖壓用鋼而言，｛111｝織構越強，材料的沖壓性能越好。圖2為厚度1.0mm的DC04鋼板ψ2=45°的三維取向分布函數表示法（ODF）截圖。由圖可見，試樣的｛111｝面織構密度最高，有部分｛100｝織構存在，說明該試樣具有良好的沖壓成形性能。

圖2 ψ2=45°的三維取向分布函數表示法（ODF）截圖

成形極限圖

剛性凸模脹形試驗也被稱為成形極限圖（FLD）試驗，是冷軋深沖板成形性能最簡單、最直觀的評定和判斷方法，也是最有效的解決冷軋深沖板沖壓問題的工具。

通過用剛性模具對冷軋深沖板DC04施加外力，直至其破裂，然后分析其斷裂位置附近的變形情況，進而分析板材的應變極限。通過應變極限的分析繪制成形極限圖，如圖3所示。圖中紅色線代表危險線，綠色線代表安全線。如果對實際生產過程進行模擬時測得的冷軋深沖板的應變極限點處于綠色安全線以下的安全區，就代表板料不會發生破裂；反之，若極限應變點處于紅色線以上的危險區就代表冷軋深沖板已經破裂；若極限應變點處于紅色線和綠色線之間的臨界區，則冷軋深沖板處于即將破裂的臨界范圍內。根據檢測的成形極限圖，設計人員就可以對沖壓模具設計參數進行校核和優化，從而保證材料的沖壓合格率最佳化。

圖3 成形極限圖

拉伸性能

汽車車身用鋼板為冷軋退火鋼，鋼板經冷軋后進行再結晶退火，使拉伸變形后的纖維組織完成回復、再結晶及晶粒長大三個過程，以徹底消除冷變形造成的殘余應力。經過退火后的鋼帶由于內應力釋放使板形出現波浪，且拉伸曲線有明顯的屈服平臺現象，不利于沖壓成形，因此需要增加0.8%～3.0%延伸率的平整工藝，使材料拉伸曲線的屈服平臺完全消除，如圖4所示。只有拉伸曲線具有連續屈服延伸現象的鋼板才能有良好的沖壓成形性能。

圖4 沖壓用鋼板平整工藝前、后單向拉伸曲線示意圖

表1 DC04鋼板不同厚度規格典型力學性能

圖5 汽車車身內板典型零件實物照片

表1為DC04深沖用鋼板不同厚度規格典型拉伸性能。由表可見，DC04鋼板屈服強度Rp0.2一般控制在140～160MPa之間，抗拉強度Rm控制在270～320MPa之間，延伸率A80控制在41%以上，屈強比偏低均在0.55以下，加工硬化指數n值控制在0.2～0.25之間，塑性應變比r值控制在2.2～2.8之間。低的屈強比、高的n值和r值保證了材料良好的沖壓性能。

材料的應用

DC04深沖級冷軋板制作的汽車車身內板各處典型零件實物照片，如圖5所示。由圖可見，所制作的各類零件形狀復雜，尺寸大、用途廣泛，所以要求鋼板原料必須具有良好的成形性能才能保證一次沖壓合格率提高，從而簡化沖壓工藝及模具設計。

結束語

總體來說，汽車車身用沖壓鋼板以冷軋退火鋼板為主，大多數零件的制作原料以DC01～DC04牌號的鋼板為主，部分零件由于沖壓形狀非常復雜、難度大，需要超深沖用鋼如DC05、DC06等牌號。為滿足車身各類零件形狀特點及沖壓性能要求，這些鋼板的微觀組織為餅形鐵素體晶粒，宏觀面織構以{111}織構為主；單向拉伸曲線無屈服平臺，鋼板的加工硬化指數n值在0.2～0.25之間，塑性應變比r值在0.23～0.28之間。為了便于技術人員合理設計沖壓模具和沖壓工藝參數，應對材料在實驗室進行剛性脹模試驗，獲得成形極限圖，用于校核模具設計參數，從而可以有效提高零件的沖壓合格率和成材率。