SPHE壓縮機殼體沖壓制耳缺陷分析

供稿|董學濤，金世銓，王亞東，董檠陽 / DONG Xue-tao, JIN Shi-quan, WANG Ya-dong, DONG Qing-yang

熱軋酸洗板是以優質熱軋薄板為原料，經酸洗機組去除氧化層，切邊，精整后，表面質量和使用性能介于熱軋板和冷軋板之間的中間產品，是部分熱軋板和冷軋板理想的替代產品。江蘇某家電企業采購SPHE酸洗板用于生產冰箱壓縮機殼體，在生產時出現批量的制耳缺陷，表現為鋼板各個方向變形能力不同，沖壓出來的工件邊緣不齊、壁厚不均[1]。經現場生產工藝的不斷調整沒有明顯效果，于是立即停產并向鋼廠提報質量異議。

缺陷描述

該家電企業的生產工藝流程是：開卷－縱切分條－剪切落料－3道次沖壓成形－修邊，生產原料使用的是SPHE熱軋酸洗板，規格2.95 mm×1340 mm。下料尺寸為φ270 mm圓形料片，已下料的料片加工時于第一道或第二道沖壓時出現杯口制耳現象遂停止使用。檢查發現多數殼體存在因鋼板各向異性導致的制耳，無法滿足后步工序尺寸要求。制耳缺陷形貌如圖1所示。

經現場取不同位置料片進行對比沖壓并對壓邊力降低調整，無法有效解決。而且由于下料之后存在定位孔，無法對料片翻轉或者位置調整。對出現制耳缺陷的零件進行修整，絕大多數因邊緣沒有切邊余量而無法滿足尺寸要求只能報廢。為降低損失，用戶將剩余鋼板降級為C級料使用，材料損耗較大并仍伴有相當比例的制耳存在，仍然無法滿足尺寸要求。該公司使用的其他鋼廠相同厚度的材料沒有出現制耳，表明缺陷的產生與鋼廠生產工藝存在較大關聯。

熱軋酸洗板經沖壓等變形加工過程中出現制耳缺陷不僅會影響生產效率，還會導致成材率降低，使生產成本上升。導致制耳缺陷的產生有多種因素，有鋼材的性能、加工工藝、用戶模具問題等。接到用戶的異議反饋后，筆者針對該缺陷的成因，從厚度、軋制參數、化學成分、力學性能、金相組織等方面進行全方位檢測與分析。

圖1 制耳缺陷形貌

缺陷分析與討論

厚度及軋制參數

在實際沖壓生產中，原材料的厚度公差及厚度的均勻性對于模具間隙調整、模具的磨損及壽命、材料在模腔內的金屬流變都具有非常重要的影響。為真實還原鋼廠生產實際，通過調取生產過程控制參數進行追溯。

從圖2可以看出，鋼卷除頭尾局部厚度超差外，整體厚度滿足規程允許范圍。

對現場剩余料片進行實測，厚度如圖3所示，與廠內厚度控制曲線相當。除局部正公差外，其余多數處于負公差狀態。但厚度的均勻一致性還有待提高。

圖2 鋼板厚度控制曲線

圖3 人工實測厚度

熱軋終軋溫度對鋼板的金相組織、晶粒大小及內部織構的變化都有著直接影響，從而間接影響其機械性能和成形性能。

從軋制溫度控制曲線圖4可以看出，鋼卷尾部終軋溫度偏低，已較大程度偏離目標值下限。

圖4 鋼板軋制溫度控制曲線

表1 化學成分檢驗結果(質量分數，%)

化學成分檢驗結果

作為常規使用的低碳鋼，SPHE的成分設計并不復雜。針對出現問題的兩爐鋼取樣板檢驗，各項成分也都全部滿足標準要求，如表1所示。

力學性能檢驗

分別對鋼板的邊部和中部進行力學性能檢驗，最終檢驗指標見表2所示。其中塑性應變比r值是應變強化指數，是指鋼板在沖壓成形時寬度上的應變值與厚度上的應變值之比。國家標準中對r值并無特殊約定，但從沖壓生產實際來說，有必要加以研究。r值越高，則深沖性能越好。典型低碳鋼板r值的變化特征為：在與軋向夾角θ=90°方向時有最高值，在θ=45°時有最小值。另外，在薄板平面內各方向上所測的各向異性稱平面各向異性，用Δr表示，Δr=(r90+r0?2r45)/2。不同方向的r值波動越小，即Δr值越小，則深沖性能也越好。當Δr=0時，沖壓件無制耳效應；當Δr＞0時，在縱向和橫向上產生制耳效應；當Δr＜0時，則在與軋向呈45°方向上產生制耳。

表2 力學性能檢驗結果

從表2的檢測結果可以看出，邊部的強度指標比中間部位的略低，延伸率相差不大，但r值和Δr值的差別較大，邊部的r值平均為0.878，而中部的r值平均為1.173，另外Δr值全部小于0，邊部為?0.385，中部為?0.115。不同方向上r值不同，表現在r值大的方向拉伸高度高一些，而r值小的方向，拉伸高度淺一些，這樣便形成了制耳[2-3]。同時當Δr＜0時，更易表現在沖壓時與軋向呈45°方向上產生制耳。許多的實驗和理論研究都已表明，板材的r值與織構類型和含量密切相關。盡管談到織構首先會考慮到冷軋鋼板，但在特定的控制冷卻條件下，熱軋鋼板也會產生較強的織構。可以認為材料的各向異性由r值具體體現，而織構是影響r值的主要因素。本文未對以上因素加以分析，但確有相關文獻表明常見的熱軋織構更有利于形成45°型制耳，表現形式為在與軋向成45°產生四個制耳，同時臨近位置產生四個谷底，這與本文描述的用戶生產中的實際制耳缺陷正相對應。

金相組織

分別對邊部及中間部位的組織進行檢測分析，組織形貌如圖5所示。

由圖5可見，中間部位為正常分布的等軸晶組織，組織較為細小，未見異常。邊部金相組織為粗大的鐵素體和細小鐵素體并存的混晶組織，混晶組織深度約為700 μm。而與力學性能相對應的是由于混晶組織的存在，從表征制耳參數的|Δr|值可以看出，邊部的|Δr|值明顯高于中部，制耳更趨惡化。另外混晶組織增大了金屬的非均勻流變程度及表面和內部金屬的變形差。晶粒大塑性差，晶粒小則塑性好易于拉伸，從而使不同區域金屬的流動變形存在不同步，一定程度上加劇了制耳缺陷的產生。而且較深的混晶會惡化成形性能，沖壓后表面也容易出現麻面缺陷，進一步影響后續焊接等性能。

圖5 金相組織檢驗結果

缺陷產生原因分析及解決措施

缺陷產生原因分析

通過一系列檢驗，該批次鋼卷生產過程、化學成分及常規的力學性能等檢驗均合格。但金相組織檢測結果表明，邊部出現明顯的混晶組織。同時r值及Δr值的檢測也表明，材料各部位確實存在不同程度的各向異性。

通過生產工藝進行自查，熱軋的精軋出口溫度處于偏低狀態，該鋼種碳及合金含量較低，Ar3溫度相對較高，若終軋溫度低于Ar3相變溫度，會導致熱軋生產時帶鋼在精軋期間進入奧氏體和鐵素體兩相區軋制，最終形成粗大的鐵素體和細小鐵素體并存(混晶)的金相顯微組織。而且由于規格效應，鋼板越薄熱量越容易散失，鋼板邊部相對于中部溫度會更低，這就加劇了混晶組織的出現，從而最終使材料性能出現異常。

另外，用戶使用過程中的生產工藝也對制耳產生一定影響，用戶為降低成本而且為保持殼體單重均勻一致，長期定型使用負公差厚度鋼板，允許偏差范圍0～0.04 mm。不同厚度的鋼板(公差上限和公差下限)若使用相同的模具間隙，較厚的鋼板相當于減少了凹凸模之間的間隙，隨著加工流變的進行，越接近殼體上沿，模具間隙越小，在邊緣處就越容易形成材料的摺疊凹陷。隨著模具間隙的減小，制耳現象就會越嚴重[4]。

解決措施

根據以上調查情況，首先從提高終軋溫度入手，使制耳缺陷得以有效控制。在降低混晶趨勢的同時，對熱軋鋼板的織構組分也具有根本影響，總的趨勢是終軋溫度越低織構越強[5]。影響終軋溫度主要有兩個原因：穿帶及軋制速度稍慢，軋制時間略長，且中間輥道保溫罩投入存在一定問題，造成尾部溫降過大。另外，通過改進成分設計、軋制工藝參數及用戶的設備調整等方式綜合加以優化，有效控制制耳缺陷的產生。

(1)通過適度優化成分設計，調整C、Si、Mn含量，降低Ar3溫度，一定程度上改善混晶組織，保證用戶的沖壓成形效果。

(2)嚴格管理中間輥道保溫罩投入制度，防止中間坯溫度降低過快。

(3)提高精軋時帶鋼穿帶速度，并采用升速軋制，減少帶鋼尾部溫降。

(4)對于沖壓要求高的用戶，對熱軋酸洗板進行適當的切邊。

(5)針對該家電企業的生產工藝，建議根據不同厚度的鋼板調整模具間隙參數。

(6)根據用戶的使用要求，采用合理的負公差軋制厚度并盡量降低板凸度等措施。

經以上解決措施的實施并輔以用戶的生產工藝改進，該用戶在此后的生產中未再出現批量制耳缺陷。

結束語

(1)壓縮機制耳缺陷的產生與熱軋酸洗鋼板存在明顯的各向異性及異常的顯微組織有關。

(2)通過控制合理的終軋溫度，降低混晶組織存在的可能，控制鋼板合理的織構組分，改善金屬流變的協調同步，減少鋼板的各向異性程度，避免制耳缺陷的產生。

(3)通過調整模具間隙參數并且根據用戶的使用要求控制合理的負公差軋制厚度，可以一定程度上減少制耳缺陷的產生。