鋼板表面涂油對沖壓的影響及控制方法

文/曾雄鏢，程橋，師巍·神龍汽車有限公司制造支持部

通過改變沖壓線清洗涂油機(jī)油品的粘度，可以改變經(jīng)過清洗機(jī)后的鋼板與模具間的拉延摩擦系數(shù)，從而改變沖壓效果；根據(jù)溫度的變化，使用兩種運動粘度的清洗油混溶，可以改變清洗油的運動粘度，以此方法可以控制鋼板表面油品在不同的環(huán)境溫度下，使其運動粘度保持一致，減少環(huán)境溫度變化對沖壓的影響。

為提高汽車車身的耐腐蝕性以增加車輛的使用壽命，各汽車主機(jī)廠大范圍使用鍍鋅鋼板生產(chǎn)各種覆蓋件及結(jié)構(gòu)件。鍍鋅鋼板在沖壓成形時，由于鋼基板上下表面鍍有一層鋅（熱浸鍍或電鍍），其變形行為和成形工藝要求與一般冷軋板（無鍍層）有所不同。鍍鋅鋼板的沖壓成形行為不僅取決于其基板的成形性能和鍍鋅層與基板的粘著性能，還取決于鋼板與模具之間的摩擦系數(shù)。同時汽車零件特別是外覆蓋件對表面質(zhì)量要求非常高，沖壓成形時鋼板與模具之間的摩擦狀況及其改善方式就成為決定成形成敗與否的關(guān)鍵因素。

因鍍鋅鋼板從出廠到?jīng)_壓使用有不確定的期限，為滿足鋼板存儲過程的防銹要求，以及增加其沖壓成形時的潤滑要求，鍍鋅鋼板出廠時通常會進(jìn)行涂防銹油處理。鋼廠所涂的防銹油均通過汽車廠認(rèn)可，其能給鋼板提供至少6個月的防銹期。某牌號防銹油密度為0.88～0.9g/cm3, 20℃時的粘度為63mm2/s，40℃時的粘度為26mm2/s；同時具有良好的清洗性、潤滑性、兼容性。防銹油在不同溫度下粘度差異較大，實際沖壓的過程中，環(huán)境溫度的變化對沖壓也有一定的影響，表現(xiàn)為溫度低時零件沖壓起皺趨勢增加，溫度高時零件沖壓開裂趨勢增加。

沖壓車間為提高零件表面質(zhì)量，對部分外覆蓋件，在沖壓前通過鋼板清洗機(jī)用清洗防銹油對鋼板表面清洗，主要是將鋼板在開卷及存儲運輸過程表面產(chǎn)生顆粒等異物清洗干凈，從而提高零件的表面質(zhì)量，但清洗過程因清洗機(jī)中的清洗防銹油與鋼板上涂的防銹油牌號等特性不一致，從而改變了鋼板原表面的涂油狀態(tài)，其對沖壓也有一定的影響。

下文通過現(xiàn)場試驗驗證鋼板表面涂油品種、粘度、溫度對沖壓的影響。

現(xiàn)場試驗及總結(jié)

鍍鋅鋼板表面涂油狀態(tài)對沖壓的影響

圖1 鍍鋅鋼板表面不同涂油狀態(tài)的試驗過程及結(jié)果

⑴某鋼廠用于生產(chǎn)門內(nèi)板的材料a因部分漏涂油流入沖壓車間，利用此批材料進(jìn)行相關(guān)試驗，試驗過程見圖1。漏涂油材料a直接沖壓時，環(huán)境溫度5℃與環(huán)境溫度25℃時沖壓結(jié)果一致，均100%開裂，且零件上8處開裂位置一致，無法生產(chǎn)；證明在干摩擦無潤滑情況下鋼板與模具的摩擦系數(shù)過高，導(dǎo)致沖壓開裂。

⑵將此批鋼板經(jīng)過沖壓線自帶的清洗機(jī)清洗后沖壓，清洗機(jī)中的清洗防銹油粘度為6mm2/s（經(jīng)過水浴40℃保溫測得），零件依然開裂；在5℃的環(huán)境溫度下，開裂位置數(shù)量由未清洗的8處變?yōu)?處，且開裂裂紋長度變小；在25℃的環(huán)境溫度下，開裂位置數(shù)量由未清洗的8處變?yōu)?處，此結(jié)果說明有潤滑的情況下鋼板與模具之間的摩擦系數(shù)明顯低于干摩擦；且涂油后鋼板與模具之間的摩擦系數(shù)與溫度有關(guān)，溫度升高，摩擦系數(shù)增加。

⑶為進(jìn)一步驗證鋼板表面涂油與沖壓的關(guān)系，鋼廠將此批漏涂油材料用毛刷在鋼板上下表面進(jìn)行刷油（水浴40℃測得的油品粘度為26mm2/s），200張鋼板刷完油后發(fā)現(xiàn)因手工刷油比鋼廠靜電涂油油量明顯偏多，沖壓結(jié)果零件無開裂，但出現(xiàn)多處起皺變形，記錄此時的環(huán)境溫度為5℃；此結(jié)果表明鋼板表面的涂油量對沖壓有影響，涂油量過大，導(dǎo)致鋼板與模具的摩擦系數(shù)降低，導(dǎo)致沖壓起皺。

⑷繼續(xù)對此批手工刷油板料進(jìn)行試驗，考慮到在不同的溫度下油品的運動粘度不同，且溫度越低，油品粘度對溫度的變化越敏感，運動粘度越大；因此將此200張刷油后的板料在5℃的環(huán)境溫度下用沖壓線自帶的清洗機(jī)清洗后沖壓（清洗機(jī)中清洗防銹油運動粘度為6～8 mm2/s，40℃檢測結(jié)果，遠(yuǎn)低于鋼板表面的預(yù)涂油粘度），沖壓零件合格，無起皺和開裂現(xiàn)象，此結(jié)果與試驗3表明通過不同粘度的油品混合可以改變鋼板與模具的摩擦系數(shù)，從而改變沖壓效果。

⑸將此批漏涂油鋼板放到室溫達(dá)到25℃環(huán)境后，仍然采用手工刷油的方式刷油，涂油量與試驗3一致，然后進(jìn)行沖壓，零件全部合格無返修；同時將刷油后的材料在環(huán)境溫度25℃時，經(jīng)過清洗機(jī)清洗后沖壓，零件有1處開裂，此結(jié)果綜合試驗3，說明材料表面油品溫度的變化會改變鋼板與模具表面的摩擦系數(shù)；溫度越低，鋼板表面油品運動粘度越高，鋼板與模具表面的摩擦系數(shù)越低；溫度升高，鋼板表面油品運動粘度降低，鋼板與模具表面的摩擦系數(shù)上升。對沖壓而言，鋼板與模具拉延成形的表面摩擦系數(shù)，應(yīng)該控制在一個合理的區(qū)間。

某承載地板的試驗過程及結(jié)果

⑴某承載地板在相同的條件下沖壓（不使用清洗機(jī)），鋼廠a材料沖壓正常，零件合格；但鋼廠b材料沖壓，零件起皺變形，加大壓邊力改善效果不明顯，同時開卷過程出現(xiàn)送進(jìn)輥打滑現(xiàn)象，見圖2。對比其機(jī)械性能，鋼廠a與鋼廠b材料各項指標(biāo)相差不大。此結(jié)果表明鋼廠a的材料與模具的摩擦系數(shù)適合此零件成形，而鋼廠b的材料與模具的摩擦系數(shù)過低，不適合此零件成形。

圖2 某承載地板使用不同廠家材料試驗過程及沖壓結(jié)果

⑵環(huán)境溫度5℃，其他參數(shù)相同的條件下，對鋼廠a的材料經(jīng)過清洗機(jī)清洗后沖壓，承載地板出現(xiàn)拉延開裂，對鋼廠b的材料經(jīng)過清洗機(jī)清洗后沖壓，承載地板生產(chǎn)正常，未再出現(xiàn)起皺變形現(xiàn)象；在25℃的環(huán)境溫度下對鋼廠a的材料經(jīng)過清洗機(jī)清洗后沖壓，承載地板出現(xiàn)拉延開裂；對鋼廠b的材料經(jīng)過清洗機(jī)清洗后沖壓，承載地板也出現(xiàn)開裂現(xiàn)象；清洗機(jī)中清洗防銹油40℃粘度為6～8mm2/s，而鋼廠a與鋼廠b表面預(yù)涂防銹油粘度標(biāo)準(zhǔn)為26～34mm2/s，同時用SC 4000快速油量測量儀對鋼廠a和鋼廠b材料表面涂油量進(jìn)行測量，鋼廠b材料表面涂油量高于鋼廠a材料。

結(jié)果表明鋼板與模具的摩擦系數(shù)與鋼板表面的涂油量有關(guān)；不同的運動粘度的油品可以改變其摩擦系數(shù)，油品的運動粘度越高，鋼板的摩擦系數(shù)越低。

鋼板表面涂油對沖壓件外觀的影響

沖壓清洗機(jī)主要清洗外板（機(jī)罩外板、翼子板、門外板、頂蓋、行李箱外板、側(cè)圍等），以提高零件表面質(zhì)量；但在武漢地區(qū)，冬季氣溫較低時，沖壓的零件經(jīng)過清洗機(jī)后存在表面油多，零件出現(xiàn)油印變形等問題。清洗機(jī)所用清洗防銹油為標(biāo)準(zhǔn)粘度，40℃測得在6～8mm2/s，但因鋼廠涂在鋼板上的防銹油粘度為26～34mm2/s，清洗機(jī)油箱中的清洗油使用一段時間后粘度會升高，這時加入新的清洗油會降低其粘度，實測結(jié)果見圖3。

圖3 清洗油不同溫度和使用時間實測結(jié)果

試驗結(jié)果表明，隨著清洗鋼板數(shù)量的增加，清洗機(jī)油箱中的清洗油粘度逐漸增加；將清洗機(jī)油箱中加入等量損耗掉的新清洗油后，可以降低整體清洗油粘度，但粘度值高于新油粘度；環(huán)境溫度越高，清洗油的實際粘度越低，某清洗油溫度與粘度的曲線見圖4。

圖4 某清洗油溫度與粘度的曲線

在武漢地區(qū)，冬季與夏季溫度差較大，油箱中清洗油粘度40℃測得值變化不是太大，6～11mm2/s范圍；但對沖壓的影響特別明顯，當(dāng)環(huán)境溫度降到10℃左右時，清洗油粘度明顯升高，導(dǎo)致清洗機(jī)清洗后鋼板表面殘留的油增加，拉延過程造成零件變形（油印）、起皺等現(xiàn)象，同時零件表面油量過多，增加焊裝操作難度。以上表明鋼板表面涂油情況對沖壓有影響；溫度降低，清洗油粘度升高，經(jīng)過清洗后鋼板表面殘留的清洗油增加，影響沖壓外觀質(zhì)量；加入粘度低的新清洗油可以降低油箱中的整體粘度，可以改善沖壓件外觀質(zhì)量。沖壓清洗機(jī)中的清洗油應(yīng)在不同的環(huán)境溫度下保持在一定的運動粘度范圍，從而保證沖壓件的外觀質(zhì)量。

不同牌號清洗油混溶實驗

沖壓清洗防銹油價格高，隨著清洗鋼板數(shù)量的不斷增加，清洗機(jī)油箱中的清洗油粘度不斷升高，最后會導(dǎo)致達(dá)不到清洗質(zhì)量效果；如果將清洗機(jī)油箱中清洗油定期更換，會造成單車制造成本升高；通過試驗，驗證了將兩種運動粘度差異較大的清洗油進(jìn)行混溶，可以快速降低粘度的方法。

圖5 兩種清洗防銹油混溶試驗結(jié)果

圖5為兩種清洗防銹油混溶試驗結(jié)果。樣品1與樣品2均為同基礎(chǔ)清洗防銹油，運動粘度相差較大，樣品3為樣品1和樣品2 按1∶1混合得到，并靜置1周，未發(fā)現(xiàn)沉淀生成等反應(yīng)。從結(jié)果可以看出，溫度越高，油品粘度越低，兩種基礎(chǔ)相同的油進(jìn)行混合，不會發(fā)生沉淀反應(yīng)，且混合后運動粘度約為(ax+by)/(x+y)，其中a、b分別為樣品1和2的粘度值，x、y為樣品1和2的混合體積。

結(jié)合試驗結(jié)果，沖壓車間根據(jù)溫度對清洗機(jī)油箱中油品粘度實行混溶控制，在溫度低于10℃后，清洗機(jī)油箱中加入適量粘度為(3±1)mm2/s的清洗油，控制在不同環(huán)境溫度下保持油品粘度8mm2/s左右，此方法消除了冬季到來時因清洗油在環(huán)境溫度下粘度過高，導(dǎo)致零件表面油多、沖壓油印變形的問題；同時解決了以往在冬季到來時，將清洗機(jī)油箱中3200L清洗油整體更換造成的成本增加問題。

結(jié)論

鋼板表面涂油品種及涂油量對沖壓有影響，鋼板上的預(yù)涂油粘度隨環(huán)境溫度的變化而變化。溫度越高，油品運動粘度越低，鋼板與模具的摩擦系數(shù)越高；溫度越低，油品運動粘度越高，鋼板與模具的摩擦系數(shù)越低。鋼廠進(jìn)行預(yù)涂油時應(yīng)選擇運動粘度隨溫度變化較小的油品，以應(yīng)對不同區(qū)域環(huán)境溫度差異過大的影響；清洗機(jī)中的清洗油可以通過兩種同基礎(chǔ)的不同運動粘度的清洗油進(jìn)行混溶，達(dá)到快速降低整體粘度的目的。

為解決鋼板表面涂油狀態(tài)以及油品粘度隨溫度變化對沖壓造成的影響，未來沖壓材料可向自潤滑免涂油材料方向發(fā)展。