超高強(qiáng)度鋼精密冷沖裁的國(guó)外研究現(xiàn)狀

文/張祥林，李正龍，曹志洪·華中科技大學(xué)材料學(xué)院材料成形與模具技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

超高強(qiáng)度鋼精密冷沖裁的國(guó)外研究現(xiàn)狀

文/張祥林，李正龍，曹志洪·華中科技大學(xué)材料學(xué)院材料成形與模具技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

張祥林，博士生導(dǎo)師，教授，主要從事金屬塑性成形理論、工藝與模具的研究與教學(xué)，2005年以來(lái)持續(xù)開(kāi)展精沖工藝與模具技術(shù)研究。

近年來(lái)，由于人們對(duì)汽車(chē)安全性要求的日益提高和環(huán)保意識(shí)的加強(qiáng)，世界各國(guó)對(duì)汽車(chē)安全和環(huán)保法規(guī)的控制越來(lái)越嚴(yán)格，汽車(chē)公司紛紛通過(guò)輕量化技術(shù)改善燃料的消耗，降低廢氣排放。因此，抗拉強(qiáng)度大于1000MPa的超高強(qiáng)度鋼在白車(chē)身零件上的應(yīng)用越來(lái)越多。盡管用超高強(qiáng)鋼材料制造的零件具有優(yōu) 越的機(jī)械性能，但隨著板料強(qiáng)度的增加，沖壓加工變得愈發(fā)困難，成形性顯著降低。一方面超高強(qiáng)度鋼板在室溫下的塑性變形范圍很窄，所需的沖壓力大，另一方面沖壓成形后零件的回彈增加導(dǎo)致零件尺寸和形狀穩(wěn)定性變差。

一般而言，加工高硬度的零件的工藝過(guò)程是首先對(duì)材料軟化后進(jìn)行加工，然后對(duì)材料進(jìn)行淬火和回火，最后研磨得到需要的精度。盡管Neugebauer等日本精沖界權(quán)威的研究表明，熱沖壓能有效改善超高強(qiáng)度鋼板的回彈和成形性，但是存在需要附加預(yù)加熱和冷卻系統(tǒng)以及加熱過(guò)程中的氧化等問(wèn)題，并且后續(xù)工序多。而冷沖裁是直接對(duì)淬火與回火后的高強(qiáng)度材料進(jìn)行精密沖裁，不需要對(duì)材料再淬火和回火，也不需要后續(xù)的再加工，因此，節(jié)約了大量的時(shí)間和成本。根據(jù)筆者最近參加的第十一屆國(guó)際塑性技術(shù)會(huì)議內(nèi)容，本文主要介紹目前日本超高 強(qiáng)度鋼的精密冷沖裁技術(shù)。

超高強(qiáng)度鋼的精密冷沖裁研究現(xiàn)狀

在超高強(qiáng)度鋼的精密冷沖裁加工方面，由于沖裁力大，模具壽命低等問(wèn)題，國(guó)內(nèi)近幾年才開(kāi)始相關(guān)研究，而日本一些學(xué)者則在這方面積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。

超高強(qiáng)度鋼凸模刃口帶小圓角的小間隙沖裁

Mori等人選用小間隙（間隙c=0.8%t）模具對(duì)超高強(qiáng)度鋼板進(jìn)行沖裁，實(shí)驗(yàn)所用超高強(qiáng)度鋼的機(jī)械性能如表1所示，由于超高強(qiáng)度鋼板韌性低，在小間隙沖裁過(guò)程中拉應(yīng)力小，延遲了板料中裂紋的起源。但在小間隙沖裁中，凸凹模鋒利的刃口易于崩刃。為了防止模具刃口崩刃，他們對(duì)凸模刃口倒小圓角，如圖1所示，R=0mm相當(dāng)于傳統(tǒng)的具有鋒利刃口的凸模。小圓角可以避免在小間隙沖裁中凸凹模的接觸，以及延遲裂紋的起源。另外，凸模的側(cè)表面具有一個(gè)弧度，可以減少凸模與材料的接觸面積。

表1 超高強(qiáng)度鋼的機(jī)械性能

圖1 凸模刃口具有小圓角

圖2 刃口圓角對(duì)JSC980Y材料變形的影響

凸模刃口圓角對(duì)超高強(qiáng)度鋼JSC980Y變形行為的影響如圖2所示，其中s是凸模的行程。對(duì)于R=0mm，裂紋從凸模和凹模兩側(cè)邊緣發(fā)展；R=0.13mm和R=0.33mm時(shí)，裂紋只從凹模邊緣發(fā)展，凸模的小圓角緩解了刃口附近的變形集中，抑制了凸模邊緣裂紋的發(fā)展。

由于凸模刃口的小圓角，凸模刃口邊緣的變形集中得到緩解，延遲了凸模邊緣的板料裂紋的產(chǎn)生，擴(kuò)大了零件斷面的光亮帶，并通過(guò)有限元軟件驗(yàn)證了這一結(jié)果。凸模刃口圓角為R=0.13mm時(shí)，能有效的提高超高強(qiáng)度鋼板剪切斷面質(zhì)量。當(dāng)凸模刃口具有小圓角時(shí)，由于剪切邊緣有很大的壓應(yīng)力，可以延遲裂紋的產(chǎn)生和提高疲勞強(qiáng)度。并且，在涂有TiN和TiAlN涂層的硬質(zhì)合金 鋼凸模上，當(dāng)有小的刃口圓角時(shí)，在沖裁1000次后其抗粘著磨損性能依舊良好。

超高強(qiáng)度鋼的光潔沖裁與整修

Murakawa等人對(duì)上述方法進(jìn)行了改進(jìn)，開(kāi)發(fā)出了一種將光潔沖裁和整修相結(jié)合的精密沖裁工藝。實(shí)驗(yàn)所用超高強(qiáng)度鋼的機(jī)械性能如表2所示。圖3為沖裁的一套模具及相應(yīng)參數(shù)，只要換一組凸凹模，就可以在這套模具上進(jìn)行超高強(qiáng)度鋼的整修過(guò)程。圖4為整修工藝示意圖，沖裁間隙為0.02mm，光潔沖裁過(guò)程凹模刃口圓角Rd=0mm，對(duì)于超高強(qiáng)度的SK85材料，凸模刃口圓角Rp=0.4mm，整修過(guò)程凸凹模刃口圓角都為0mm。

表2 超高強(qiáng)度鋼的機(jī)械性能

圖3 模具結(jié)構(gòu)圖

圖4 整修工藝示意圖

表3顯示了超高強(qiáng)度鋼SFPC980Y材料整修前后沖裁件的斷面質(zhì)量，整修后落料件的斷面幾乎完全是光滑的剪切斷面，沖孔件整修前的斷面比較粗糙，整修后90%以上都是光滑的斷面。

Murakawa和Shionome等人還研究表明，即使在大厚度（t=4mm），高硬度（460HV，45H RC）的SK85（q&t）材料和甚至硬度更高的（55HRC）的SK85（q&t）材料，光潔沖裁與整修相結(jié)合的工藝仍然可以有效地降低表面平均粗糙度，還可以提高尺寸精度。

Murakawa等人的方法節(jié)約了大量的時(shí)間和成本。并且，這種相結(jié)合的工藝能讓材料具有良好的耐延遲斷裂性能。該方法成功的關(guān)鍵是找到光潔沖裁和整修的最合適的工藝參數(shù)。 筆者認(rèn)為，凸模的處理也是非常關(guān)鍵的。

超高強(qiáng)度鋼精密冷沖裁中可修正凸凹模偏心率的工藝

Jaafar等人研發(fā)了一種適用于超高強(qiáng)度鋼板小間隙沖裁的工藝，在這種工藝中凹模可以自動(dòng)移動(dòng)，以修正凸凹模之間的偏心率，如圖5所示。凸模表面涂有TiCN涂層，凸模刃口圓角為0.3mm，沖裁間隙為0.008mm，實(shí)驗(yàn)材料為JSC980Y（t=1.4mm）和JSC1180Y（t=1.2mm）。

表3 整修對(duì)SPFC980Y鋼剪切斷面的影響（v=140m/s，t=1.4mm）

圖5 凹?？梢苿?dòng)的超高強(qiáng)度鋼的小間隙沖裁

圖6 小間隙沖裁JSC980Y鋼剪切斷面圖（v=3mm/s）

對(duì)于固定凹模的小間隙沖裁，由于凸凹模之間的偏心率導(dǎo)致沖裁間隙分布不均勻，如圖6所示，零件在0°至180°之間斷面的光亮帶很寬，而在180°至0°之間斷面的斷裂帶很寬。剪切斷面的狀態(tài)在沖裁前3次基本相同。凹模可移動(dòng)時(shí)，第一次沖裁后，剪切斷面斷裂帶的寬度在180°至0°之間很寬，當(dāng)沖裁次數(shù)在4次及以上時(shí)，零件在整個(gè)圓周方向都可獲得很寬的光亮帶。

該工藝的沖裁過(guò)程中，凹模在一個(gè)平衡力的作用下移動(dòng)，數(shù)次沖裁可將凸凹模之間的偏心率從7μm降低到1μm。由于偏心率的降低，提高了低韌性超高強(qiáng)度鋼板沖裁剪切斷面的質(zhì)量，使剪切斷面光亮帶的 寬度增加，斷裂帶的寬度減小。

結(jié)束語(yǔ)

由于超高強(qiáng)度鋼在采用精密冷沖裁工藝沖裁后既不需要淬火和回火，也不需要后續(xù)再花時(shí)間研磨，所以在不降低生產(chǎn)率的情況下，可以得到高尺寸精度和高斷面質(zhì)量的沖裁零件，因此，超高強(qiáng)度鋼的精密冷沖裁工藝具有很大的應(yīng)用前景。

目前，超高強(qiáng)度鋼的精密冷沖裁工藝尚處在實(shí)驗(yàn)研究階段，三位日本學(xué)者的研究各有側(cè)重點(diǎn)，都能在一定程度上提高超高強(qiáng)度鋼冷沖裁的斷面質(zhì)量，而超高強(qiáng)度鋼的精密冷沖裁工藝以及與精沖的關(guān)聯(lián)性也應(yīng)該引起我國(guó)業(yè)界的高度重視。