復(fù)相鋼CP800 典型零件沖壓開裂原因分析與改進(jìn)

陳東輝，張玉龍，陳明

（1.寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院，上海 201900；2.汽車用鋼開發(fā)與應(yīng)用技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（寶鋼），上海 201900）

隨著碰撞法規(guī)及能源環(huán)保的日益嚴(yán)格，高強(qiáng)度鋼板在汽車上的應(yīng)用比例越來(lái)越高。常規(guī)的先進(jìn)高強(qiáng)鋼如雙相鋼、復(fù)相鋼、馬氏體鋼等各具特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于各種車身和底盤類零件[1—3]。復(fù)相鋼（CP）作為第一代先進(jìn)高強(qiáng)鋼的一種，與其他同級(jí)別鋼種相比，具有優(yōu)異的擴(kuò)孔性能、良好的彎曲性能和翻邊成形性，更適用于制造形狀復(fù)雜的汽車底盤類零件[4—5]。

近年來(lái)，熱軋酸洗復(fù)相鋼CP800 在底盤件中的應(yīng)用越來(lái)越多[6—7]，然而隨著零件強(qiáng)度的提高，沖壓成形質(zhì)量缺陷也日益增多，高強(qiáng)度復(fù)相鋼在底盤結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用研究也得到挑戰(zhàn)。文中以底盤拖曳臂外殼零件為研究對(duì)象，從沖壓開裂問題入手，借助CAE仿真手段分析了材料、工藝、模具等對(duì)開裂的影響，提出優(yōu)化改進(jìn)方案，對(duì)沖壓開裂缺陷進(jìn)行改善，為同類復(fù)相鋼零件的沖壓工藝設(shè)計(jì)提供現(xiàn)實(shí)參考。

1 工藝性分析及開裂現(xiàn)狀

1.1 零件特征

拖曳臂外殼是汽車底盤零件中比較典型的拉延類結(jié)構(gòu)件，零件數(shù)模如圖1 所示。從零件特征進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)左右兩側(cè)不對(duì)稱，空間上存在扭曲，表面有較多特征，采用成形工藝不易實(shí)現(xiàn)，只能考慮拉延成形工藝。由于拉延深度較深，可以預(yù)估該零件成形具有一定風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 拖曳臂外殼Fig.1 Outer shell of trailing arm

1.2 開裂現(xiàn)狀

該零件采用五序成形的工藝排布，一模兩件，工藝方案為拉延-修邊-修邊沖孔-分離-翻邊整形，用戶反饋該零件自投產(chǎn)開始，生產(chǎn)即不穩(wěn)定，報(bào)廢率在0.5%左右，個(gè)別材料開裂率達(dá)到100%。生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)開裂卷進(jìn)行沖壓調(diào)試，發(fā)現(xiàn)零件在拉延序即出現(xiàn)開裂，開裂發(fā)生在底部拐角圓弧處，拉延工序模面和開裂區(qū)域如圖2 所示。

圖2 拉延序模面及開裂區(qū)域Fig.2 Drawing die surface and cracking region

2 原因分析及改進(jìn)方案

2.1 材料性能檢測(cè)

該零件采用寶鋼熱軋酸洗CP800 材料，對(duì)開裂卷取樣進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)，見表1。整體來(lái)講此卷的強(qiáng)度偏高，抗拉強(qiáng)度約890 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率雖然滿足大于10%的技術(shù)指標(biāo)要求，但是均勻伸長(zhǎng)率相對(duì)較低，為4.0%～4.5%。對(duì)開裂處顯微組織進(jìn)行分析，沒有發(fā)現(xiàn)偏析和斷層，顯微組織沒有明顯異常，如圖3 所示。

表1 力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果Tab.1 Test results of mechanical properties

圖3 顯微組織分析結(jié)果Fig.3 Microstructure analysis results

2.2 CAE 仿真分析

采用數(shù)值模擬軟件AUTOFORM 進(jìn)行拉延序成形分析。將初始拉延模面導(dǎo)入AUTOFORM 軟件中，按照工藝方案完成定義，如圖4 所示。分析所用材料為寶鋼熱軋酸洗CP800 材料，厚度為2.6 mm。仿真硬化模型采用APROXIMATION，屈服模型為Barlat，成形極限FLD 采用實(shí)測(cè)曲線輸入，單元類型采用殼單元進(jìn)行計(jì)算[8—9]。

圖4 拉延序分析模型Fig.4 Analysis model of stamping process

拉延序成形性分析結(jié)果如圖5 所示。成形極限圖（Forming limit diagram，簡(jiǎn)稱FLD）是薄板成形工藝分析和工藝設(shè)計(jì)的有效工具[10]，從零件變形最終應(yīng)變?cè)贔LD 中的分布及安全裕度可知，底部拐角圓弧處安全裕度偏低，成形極限圖（見圖5c）中已接近FLC 曲線，處于臨界狀態(tài)，成形過(guò)程有開裂風(fēng)險(xiǎn)，分析結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際開裂位置一致。另外，從應(yīng)變狀態(tài)分布可知，零件變形兼有單向拉伸、平面應(yīng)變和脹形3 種狀態(tài)，其中開裂區(qū)域的變形為單向拉伸狀態(tài)，最大減薄率為16.7%。

圖5 成形仿真分析結(jié)果Fig.5 Simulation results of drawing process

2.3 影響因素分析

通過(guò)上述對(duì)初始模面的仿真分析，再現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)沖壓時(shí)出現(xiàn)的開裂問題，說(shuō)明該零件自投產(chǎn)之初模具與材料匹配性便不佳，原工藝參數(shù)存在不合理之處。沖壓成形過(guò)程中，材料、工藝和模具等影響開裂的因素較多，如材料、壓邊力、板料形狀、板料厚度、潤(rùn)滑狀態(tài)、模具圓角、板料性能等[11—12]，使變形過(guò)程異常復(fù)雜。為解決開裂問題，需要從多方面進(jìn)行分析，改善材料流動(dòng)和應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，確定有效的改進(jìn)措施，以確保成形質(zhì)量。

2.3.1 材料性能

對(duì)于超高強(qiáng)鋼而言，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、加工硬化指數(shù)n和伸長(zhǎng)率[13—14]是影響成形的重要參數(shù)。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，供貨的材料性能必然存在波動(dòng)，對(duì)零件安全裕度造成影響。通過(guò)對(duì)不同批次CP800材料性能及沖壓情況跟蹤，發(fā)現(xiàn)均勻伸長(zhǎng)率參數(shù)波動(dòng)較大，借助有限元仿真分析，驗(yàn)證不同均勻伸長(zhǎng)率對(duì)開裂區(qū)域成形性影響，以確定合理的控制指標(biāo)。

保持材料性能參數(shù)抗拉強(qiáng)為813 MPa，摩擦因數(shù)為0.15 和r值不變，分別取材料均勻伸長(zhǎng)率為8%,6%,5%,3%進(jìn)行仿真計(jì)算。結(jié)果表明，隨著均勻伸長(zhǎng)率的減小，開裂區(qū)域最大減薄增大，成形后零件的最大減薄率分別為16.7%,18.3%,19%,22.5%。當(dāng)均勻伸長(zhǎng)率減少至5%時(shí)，部分網(wǎng)格應(yīng)變已超過(guò)FLC 曲線，表明零件已處于破裂狀態(tài)，如圖6 所示。仿真分析結(jié)果說(shuō)明隨著材料均勻伸長(zhǎng)率的下降，材料成形性能降低，增大了破裂的可能性。

2.3.2 凹模圓角

在模具中對(duì)應(yīng)開裂區(qū)域放大凹模圓角，可以減少局部坯料流動(dòng)阻力，降低沖壓開裂風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)開裂區(qū)域，在CAE 分析中將凹模特征圓角半徑從R9 mm 放到R12 mm，分析結(jié)果顯示開裂風(fēng)險(xiǎn)有所改善，最大減薄率由16.7%下降至16.3%，如圖7 所示。在不影響產(chǎn)品特征的前提下，放大該區(qū)域圓角對(duì)于開裂有改善作用。

2.3.3 潤(rùn)滑效果

在沖壓過(guò)程中，無(wú)潤(rùn)滑條件下，鋼板與模具之間摩擦因數(shù)較大，使材料在模具表面流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生很大的摩擦和發(fā)熱，影響成形性能。提高鋼板表面潤(rùn)滑效果，可以降低沖壓摩擦因數(shù)，從而提高鋼板的成形性能[15—16]。在CAE 分析中，將摩擦因數(shù)由0.15 降為0.12，驗(yàn)證對(duì)沖壓開裂的影響。分析結(jié)果顯示最大減薄率由16.7%下降至15.7%，如圖8 所示，開裂風(fēng)險(xiǎn)有明顯改善。

圖6 均勻伸長(zhǎng)率為5%時(shí)成形仿真分析結(jié)果Fig.6 Simulation results of drawing process at 5% uniform elongation

圖7 放大凹模圓角后成形仿真分析結(jié)果Fig.7 Simulation results of drawing process after enlarging the die fillet

圖8 減小摩擦因數(shù)后成形仿真分析結(jié)果Fig.8 Simulation results of drawing process after reducing friction coefficient

2.3.4 坯料邊界

開裂區(qū)域處于拐角圓弧處，在沖壓過(guò)程中受到多重拉應(yīng)力，在成形過(guò)程中該區(qū)域材料流動(dòng)過(guò)快，鋼板迅速變薄，在某點(diǎn)產(chǎn)生應(yīng)力集中，當(dāng)拉應(yīng)力超過(guò)鋼板允許最大強(qiáng)度時(shí)，板材迅速失穩(wěn)，產(chǎn)生開裂。在CAE分析中對(duì)坯料拐角邊界優(yōu)化做順，圓弧半徑外擴(kuò)放大6 mm，結(jié)果顯示開裂風(fēng)險(xiǎn)明顯改善，最大減薄率由16.8%下降至15%，如圖9 所示。對(duì)坯料圓弧半徑進(jìn)一步外擴(kuò)放大至15 mm，結(jié)果顯示開裂風(fēng)險(xiǎn)可完全消除，最大減薄率由16.8%下降至14.3%，如圖10 所示。從分析結(jié)果可知，開裂區(qū)域坯料外擴(kuò)做順后，材料流動(dòng)性得到改善，成形性改善效果顯著。

2.4 改進(jìn)方案及實(shí)施效果

基于以上CAE 仿真結(jié)果，針對(duì)拖曳臂內(nèi)殼零件，通過(guò)提升材料性能、降低摩擦因數(shù)、放大凹模圓角以及優(yōu)化坯料邊界，可以有效改善開裂區(qū)域的成形性能，其中優(yōu)化坯料邊界效果最佳，開裂風(fēng)險(xiǎn)可完全消除。提升材料性能有利于成形，但相應(yīng)增加了鋼廠的生產(chǎn)成本和控制難度，通過(guò)綜合考慮，針對(duì)該零件提出了均勻伸長(zhǎng)率≥5%的控制指標(biāo)。降低摩擦因數(shù)需要加大零件表面涂油量，一定程度上增加了配套廠生產(chǎn)成本，暫不實(shí)施。

圖9 坯料圓弧半徑放大6 mm 后成形仿真分析結(jié)果Fig.9 Simulation results of drawing process after enlarging the radius of blank arc by 6 mm

圖10 坯料圓弧半徑放大15 mm 后成形仿真分析結(jié)果Fig.10 Simulation results of drawing process after enlarging the radius of blank arc by 15 mm

針對(duì)該零件沖壓開裂問題，最后確定改進(jìn)方案如下：①放大開裂區(qū)域凹模圓角，改善局部區(qū)域材料流動(dòng)；② 優(yōu)化坯料邊界尺寸（放大圓弧半徑 6～15 mm），提高開裂區(qū)域整體安全裕度；③加嚴(yán)CP800材料性能控制，均勻伸長(zhǎng)率按≥5%要求。生產(chǎn)實(shí)踐驗(yàn)證，在后續(xù)的底盤拖曳臂外殼零件批量沖壓生產(chǎn)過(guò)程中，未再出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)穩(wěn)定性得到了大幅度提高。

3 結(jié)論

1）針對(duì)熱軋酸洗復(fù)相鋼CP800 在底盤拖曳臂外殼零件應(yīng)用過(guò)程中的開裂問題，借助CAE 分析手段，分析了影響其成形性的主要因素，提出加嚴(yán)材料性能控制標(biāo)準(zhǔn)、優(yōu)化坯料邊界，及適當(dāng)放大凹模圓角的改進(jìn)措施，其中優(yōu)化坯料邊界效果最佳，開裂風(fēng)險(xiǎn)可完全消除。

2）均勻伸長(zhǎng)率是復(fù)相鋼CP800 材料的一個(gè)重要性能指標(biāo)，對(duì)于典型拉延零件，穩(wěn)定沖壓所需的均勻伸長(zhǎng)率控制范圍為≥5%。