板料成形性能及CAE分析.docx

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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500～1200MPa。

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600～1000MPa。

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1DP钢显微组织图2TRIP钢显微组织

韩国浦项制铁公司已经成功开发出800MPa和1000MPa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1200

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1BH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）和极高的延展性（大于80%），同时还具有高的能量吸收能力和无低温脆性转变温度等性能特点，它是一种集高强度、高塑性和高加工硬化率于一体的理想的汽车用钢[10]。

TWIP钢目前最主要的应用是车辆防护。

在车辆发生撞击时，这种TWIP钢会变形，钢的每一个部分都会发生延长，将剩余的变形力传递到周围的部分中，这些部分也会发生变形。

通过将能量分散到整个表面，撞击的动能可以更有效地被吸收，从而在撞击中保持车厢的基本形状，保证乘客的安全。

浦项钢铁从2008年开始，向韩国现代起亚汽车公司，以及克莱斯勒、通用和大众等汽车公司提供TWIP钢标本，准备量产TWIP钢。

鞍钢已在实验室研制出冷轧TWIP590钢和TWIP780钢，正在研制开发TWIP980钢[11]。

马氏体钢（MART钢）的特点是在马氏体点阵中分布有数量较少的铁素体和（或）贝氏体，其强度可达1500MPa以上，是目前商业化高强度钢板中强度级别最高的钢种。

马氏体钢由于受成形性的限制，只能用滚压成形生产或冲压形状简单的零件，主要用于成形性要求不高的车门防撞杆等零件代替管状零件，减少制造成本。

欧洲生产的新型乘用车用钢的15%是采用热成形马氏体钢板。

目前，国内宝钢已能批量生产强度级别高达1180MPa和1500MPa的冷轧马氏体钢。

Q＆P钢是一种新型的高强度和高塑（韧）性的马氏体钢，可以达到的力学性能范围:

抗拉强度为800～1500MPa，伸长率为15%～40%。

Q＆P钢具有优异的强度和塑性综合性能，作为汽车结构用钢，可大大减轻车体重量，增强车体抵抗撞击的能力，提高汽车运行的安全性，具有很好的发展前景。

目前，国内外对Q＆P钢工艺的研究还处于起步阶段。

2高强度钢板冲压生产中的常见问题

汽车零/部件绝大多数通过冲压成形。

与普通钢板相比，高强度钢板的强度、硬度较高，塑性、韧性较低，所以冲压成形性降低，同时易造成回弹量过大等问题。

高强度钢板冲压生产中常见的问题有以下几个方面[2]。

1）冲压成形性差。

钢板高强度化易引起塑性下降，成形性变差。

因此在冲压成形时，材料流动难以控制，板料上的应力应变分布不均，容易产生深冲裂纹、起皱、回弹大且成形精度难以控制等问题。

例如在拉延成形时频繁出现开裂，同一零件利用普通钢板甚至塑性较差的普通钢板拉延时都不会出现开裂的地方也会发生开裂。

同时对模具型面异常敏感，型面或过渡面的光顺性稍差就出现开裂。

2）回弹严重。

回弹是由制件的弹性回复造成的，其大小由模具形状或制件残余应力沿板料厚度方向的分布决定。

回弹量是材料强度的函数，高强度钢的强度大于传统低强度钢，因此回弹比传统低强度钢更严重[12]。

3）冲压模具受力恶劣。

传统低强度钢冲压成形中，材料的屈服极限一般在200MPa以下，冲压模具和设备的受力不大。

高强度钢的强度比传统低强度钢提高了若干倍，因此相比于传统低强度钢，高强度钢冲压时载荷成倍上升，冲压模具和设备受力恶劣。

传统低强度钢冲压中很少出现的模具失效和非正常损毁变得频繁。

此外，高强度钢板成形时需要大的成形力，因而使得坯料与模具的接触压力增大。

成形过程中模具与钢板之间的接触压力增大，接触面温度升高，容易引起钢板与模具间的粘合，加剧工件表面出现划痕的现象，影响产品质量。

3高强度钢板冲压成形性能研究现状

冲压成形性能是指板料适应冲压加工的能力。

冲压成形性能是个综合性的概念，主要需要考虑两个方面:

一方面是成形极限，希望尽可能减少成形工序;另一方面是要保证冲压件质量符合设计要求。

如何准确判断高强度钢板的成形极限，充分利用材料的塑性，是高强度钢板冲压成形性能研究的关键问题之一。

回弹是高强度钢板成形中的主要质量问题，如何采取措施减小高强度钢板零件的回弹，也是高强度钢板冲压成形性研究的关键问题[5]。

3.1高强度钢板成形极限的研究现状

成形极限图（FLD）是评定薄板成形性能最直观和有效的方法，在金属板冲压成形中使用十分广泛。

FLD是板料在不同应变路径下达到局部失稳极限时工程应变e1、e2（e1为长轴工程应变，e1=（L－L0）/L0，L为网络变形后椭圆长轴尺寸，L0为原长，e2类同）或真实应变ε1、ε2（ε1为长轴真实应变，ε1=ln（L/L0），ε2类同）构成的条带形区域或曲线。

成形极限图如图3所示（图3中，d为实验印制的网格直径），其全面反映了板料在单向和双向拉应力作用下的局部成形极限（平面应力状态下厚向应变ε3=0）。

FLD适用于预测简单加载路径下的板料成形极限。

为了满足不同材料性能和制造加工的要求，弥补FLD与路径相关的不足，生产实际中大多采用“安全裕度法”来解决。

但是对高强度钢板而言，由于其成形性能比低碳钢板等普通板料差，成形极限相对较低，若也在FLD上设定一个较大的安全裕度来评定其成形性能，则钢板成形的设计柔性将会明显减小。

汽车用零件通常形状比较复杂，不能一步冲压成形[13]。

近些年来，部分研究人员提出了初步认为是与加载路径无关的新的成形极限判据:

成形极限应力图（FLSD），这使得预测复杂加载路径下板料多道次成形的极限成为可能。

国内关于FLSD的研究起步较晚，研究成果主要集中于北京航空航天大学和南京航空航天大学。

实际应用中，由于应力的不易测量以及复杂路径的难以实现，极限应力值通常通过测量破坏点某一特殊路径下的极限应变，然后利用塑性本构关系换算得到。

因此FLSD若得到工程应用，需解决如何实现复杂应变路径的实验方法，以及板料成形应力的在线测量技术。

同时，FLSD是否一定与板料所经历的应变路径无关，尚有待进一步论证。

对于某些复杂路径下塑性较差、破裂时没有明显缩颈现象的板料成形，韧性破裂准则能够较好地预测其成形极限，而且还能考虑应变路径的变化。

高强度钢板在发生断裂前的颈缩不是很明显，在板料成形过程中，利用有限元数值模拟获得变形中每一时刻的应力应变场，韧性