熱軋酸洗鋼沖壓汽車后縱梁回彈探討

王立新　劉　斌　唐　華　肖厚念

(1.武鋼研究院　湖北　武漢：430080；2.武鋼冷軋總廠　湖北　武漢：430081)

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熱軋酸洗鋼沖壓汽車后縱梁回彈探討

王立新1劉斌1唐華2肖厚念2

(1.武鋼研究院湖北武漢：430080；2.武鋼冷軋總廠湖北武漢：430081)

摘要對SAPH370-P熱軋酸洗鋼在沖壓成形汽車后縱梁零件的應(yīng)用進(jìn)行分析研究，尋找汽車后縱梁在沖壓成形的過程中產(chǎn)生回彈缺陷的真正原因，從SAPH370-P酸洗鋼材料的力學(xué)性能、材料的厚度精度、沖壓模具的狀態(tài)影響因素等幾個方面進(jìn)行綜合分析，找到了材料在沖壓成形過程中產(chǎn)生回彈缺陷的真正原因，并提出了降低材料沖壓回彈缺陷的解決辦法。

關(guān)鍵詞SAPH370-P酸洗鋼；汽車后縱梁；沖壓成形；回彈

0引言

汽車結(jié)構(gòu)件用熱軋酸洗鋼SAPH370-P有著良好的冷成形性和表面質(zhì)量，因此在汽車工業(yè)有著廣泛的應(yīng)用，主要用于制造汽車的底盤系統(tǒng)、車身系統(tǒng)、座椅系統(tǒng)中的一些復(fù)雜成形的零部件。2015年，我國汽車的總銷量已經(jīng)達(dá)到2460萬輛，汽車行業(yè)的競爭已經(jīng)越來越激烈，對于汽車結(jié)構(gòu)件用鋼提出了高品質(zhì)，低成本的要求。而隨著鋼鐵工業(yè)產(chǎn)能整體過剩并不斷加劇的現(xiàn)狀，低成本、經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)品越來越受到鋼鐵行業(yè)的青睞。在追求高效益低成本的大趨勢下，汽車結(jié)構(gòu)件用熱軋酸洗鋼成本低，效益高的特點(diǎn)正好符合發(fā)展需要，是部分熱軋板和冷軋板理想的替代產(chǎn)品，在鋼鐵行業(yè)及下游用鋼行業(yè)的發(fā)展過程中有著不可替代的位置。

武鋼開發(fā)生產(chǎn)的汽車結(jié)構(gòu)件用熱軋酸洗鋼SAPH370-P有著良好的使用性能和表面質(zhì)量，供各大汽車生產(chǎn)廠商用于制作一些成形比較復(fù)雜的汽車零部件。國內(nèi)某知名汽車生產(chǎn)廠家(下文以W廠替代)，使用了武鋼生產(chǎn)的SAPH370-P熱軋酸洗鋼材料，制作乘用車的后縱梁，在使用初期，存在著材料沖壓成形回彈大的缺陷，經(jīng)過分析探討，最終解決了這一問題，滿足了汽車廠家的使用要求。

1SAPH370-P酸洗鋼的工藝性能要求

武鋼生產(chǎn)的汽車結(jié)構(gòu)件用熱軋酸洗鋼SAPH370-P，采用C-Mn成分體系設(shè)計，成分簡單，合金元素少，生產(chǎn)成本較低，由于采用了先進(jìn)的控制控冷技術(shù)，最終得到了具有良好使用性能的鐵素體+珠光體鋼，再經(jīng)過酸洗工藝處理后獲得良好的表面質(zhì)量，特別適合制作汽車用復(fù)雜結(jié)構(gòu)件[1]。SAPH370-P的工藝性能要求如表1所示。

表1　SAPH370-P酸洗鋼的工藝性能要求

注：1.拉伸試驗規(guī)定值適用于縱向試樣，拉伸試驗取L0=50mm，b=25mm的試樣，即為GB/T228中P14試樣。

2.彎曲試驗規(guī)定值適用于橫向試樣，彎曲試樣寬度b=35mm。

3.屈服現(xiàn)象不明顯時，采用Rp0.2。

2汽車后縱梁的沖壓回彈

汽車縱梁作為車架的關(guān)鍵零件和主要承力結(jié)構(gòu)，其制造的精度與結(jié)構(gòu)合理性直接影響車架與上下車身的協(xié)調(diào)，特別是縱梁扒口回彈大小的波動，影響到支撐座、吊耳等零件的焊接質(zhì)量，使車架的生產(chǎn)工序無法正常進(jìn)行，進(jìn)而導(dǎo)致減產(chǎn)及人力成本的增加。因此，控制U形縱梁在成形過程中的回彈，是在汽車生產(chǎn)的過程中必須面對與解決的問題。

汽車后縱梁回彈的本質(zhì)是在沖壓U形彎曲成形的過程中，材料的內(nèi)側(cè)受到擠壓，外側(cè)受到拉伸。當(dāng)沖壓力釋放后，材料外側(cè)因彈性回復(fù)而縮短，內(nèi)側(cè)因彈性回復(fù)而伸長，結(jié)果使U形彎曲件的曲率和角度發(fā)生了變化。

W廠使用武鋼的SAPH370-P熱軋酸洗鋼材料沖壓成形汽車后縱梁，其成形后裝配成車架及關(guān)鍵支撐座示意圖如圖1所示。W廠對U形后縱梁的扒口回彈有嚴(yán)格的要求，必須在其所規(guī)定的數(shù)模范圍內(nèi)。從圖1中也可以看出，回彈數(shù)值的波動，將嚴(yán)重影響支撐座裝配孔的位置精度，影響車架與車身的裝配使用。W廠在前期使用武鋼的SAPH370-P熱軋酸洗鋼材料得過程中，出現(xiàn)了回彈過大的問題，回彈數(shù)值超出了W廠所要求的數(shù)模數(shù)值，導(dǎo)致在車架在整體安裝的過程中需要借助外力才能夠完成，嚴(yán)重影響整車精度質(zhì)量，并打亂了生產(chǎn)節(jié)奏，增加了工序成本與人力成本。

圖1　汽車后縱梁裝配示意圖(A：后縱梁裝配；1、2、3、4：支撐座)

3回彈的影響因素分析

回彈的大小與材料的物理性能有關(guān)，也與模具的狀態(tài)參數(shù)有關(guān)，造成材料沖壓回彈缺陷是一個綜合的影響因素[2-4]。因此必須綜合分析，才能夠找到W廠在沖壓成形汽車后縱梁產(chǎn)生回彈現(xiàn)象的解決辦法，使沖壓成形后的零件能夠合格，符合工藝使用要求。

3.1力學(xué)性能的影響

W廠分兩次采用武鋼的SAPH370-P酸洗鋼材料進(jìn)行汽車后縱梁的沖壓試制，兩次提供給W廠的酸洗鋼材料的力學(xué)性能如表2所示。

表2　SAPH370-P酸洗鋼性能對比

W廠沖壓成形的汽車后縱梁零件分左右后縱梁，左右后縱梁有三個位置的扒口度數(shù)值有嚴(yán)格的規(guī)定，數(shù)值偏差±1mm，這三個位置對應(yīng)圖1所示的4個支撐座的位置，如果材料的沖壓回彈數(shù)值太大，將嚴(yán)重影響4個支撐座的安裝及后續(xù)整體安裝精度。左右后縱梁三個關(guān)鍵位置及數(shù)模值標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。

表3左右后縱梁關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)模值標(biāo)準(zhǔn)

(單位：mm)

武鋼兩次提供的材料在W廠現(xiàn)場沖壓成形汽車后縱梁零件，進(jìn)行實時數(shù)據(jù)測量，扒口數(shù)值實測值以及與數(shù)模值相比的差值如表4所示。

表4扒口實測數(shù)據(jù)對比

(單位：mm)

通過分析對比可以發(fā)現(xiàn)，在沖壓條件不變的情況下，從表2、表4中的數(shù)據(jù)可以知道，降低材料的強(qiáng)度，能夠有效的減小SAPH370-P酸洗鋼材料在沖壓成形過程中的回彈量，使沖壓成形零件符合工藝設(shè)計要求。

3.2厚度的影響

從冷沖模設(shè)計手冊可知黑色金屬U形彎曲時凸凹模之間單邊間隙Z的計算公式如公式(1)所示：

(1)

δ：材料的公稱厚度(mm)；

K：與彎曲高度和長度有關(guān)的系數(shù)。

根據(jù)模具設(shè)計經(jīng)驗，在模具設(shè)計的時候已經(jīng)按Z≥δ來考慮設(shè)計模具的間隙，因此為了防止材料變薄拉伸與改善材料的回彈現(xiàn)象，認(rèn)為能夠有效改善材料的回彈現(xiàn)象的條件可以由公式(2)表達(dá)[5]：

(2)

通過公式2可以知道，在材料的厚度公差比較小，生產(chǎn)軋制偏厚的情況下，適當(dāng)?shù)臏p小材料的訂單厚度是行之有效的解決材料回彈現(xiàn)象的辦法。在W廠，武鋼提供了兩種不同訂單厚度但力學(xué)性能相仿的SAPH370-P的材料進(jìn)行試驗生產(chǎn)，有效的減少了沖壓零件的回彈量，證明了合理的材料厚度對沖壓成形零件的成形精度也很重要。相同訂單不同厚度的材料在W廠沖壓成形后扒口實測數(shù)值如表5所示。

表5　扒口實測數(shù)據(jù)對比

3.3模具狀態(tài)的影響

3.3.1壓邊力的影響

壓邊力對回彈的影響是非常大的，在W廠的現(xiàn)場沖壓試驗已經(jīng)證明了這一點(diǎn)。理論上，在一定范圍內(nèi)隨著壓邊力的增大零件的塑性變形量增加，回彈勢必減小，但是當(dāng)材料的壓邊力達(dá)到一定數(shù)值后，隨著壓邊力的繼續(xù)增加，回彈開始急劇增大。這是因為在較小的壓邊力的情況下，在凸模的作用下，材料中聚集了大量的彎曲應(yīng)力，卸載后彎曲應(yīng)力釋放使材料的回彈增大，而當(dāng)壓邊力較大時，由于材料的邊緣被壓料板緊緊壓住，在沖壓成形過程中塑性變形很大，產(chǎn)生大量的拉應(yīng)力的緣故。

壓邊力的計算公式如公式(3)所示：

F=Sq

(3)

F：壓邊力(N)；

S：壓邊面積(mm2)；

Q：單位壓邊力(N/mm2)。

對于不同的材料，q值的選擇是不一樣的。W廠已經(jīng)選擇了SAPH370-P熱軋酸洗鋼材料，汽車后縱梁的尺寸也已經(jīng)確定，且W廠使用落料模進(jìn)行落料，因此材料的壓邊面積也是一定的。鑒于壓邊力對回彈的影響，選擇合適的q值，及選擇合適的壓邊力，可以很好的優(yōu)化材料的回彈現(xiàn)象。試驗表明，合適的壓邊力，材料的回彈現(xiàn)象幾乎可以消除。

3.3.2拉延筋的影響

在沖壓成形的過程中，拉延筋的使用一般用于解決材料在沖壓成形中的起皺問題，因為拉延筋能夠有效的阻礙材料的流動，減緩材料向凹模流動的富余趨勢，解決材料的沖壓起皺問題。同理，合理的設(shè)置拉延筋，也能夠起到明顯的阻止材料回彈的作用，因為拉延筋對材料起到了拉伸的效果，特別是在容易產(chǎn)生回彈的彎曲角部位，使得角部內(nèi)面壓應(yīng)力的作用區(qū)域向拉應(yīng)力區(qū)域轉(zhuǎn)變，回彈較少明顯。W廠先前使用的開模材料并不是武鋼提供的材料，模具的設(shè)計是按照開模材料來確定的，拉延筋的布局與結(jié)構(gòu)適合前期的材料，但是適應(yīng)性是有局限性的，對于不同的材料，拉延筋是要進(jìn)行調(diào)整的，W廠的模具師們在武鋼材料使用的過程中進(jìn)行了調(diào)整，取得了一定的效果，證明解決問題的方向是正確的。

3.3.3彎曲圓角半徑的影響

在材料的物理性能不變，以及模具的其他狀態(tài)參數(shù)不變的情況下，不同圓角半徑下的材料沖壓成形結(jié)果表明，圓角半徑越大，材料的回彈量越大。這是因為在彎曲角一定的情況下，彎曲半徑越大變形區(qū)的長度就越長，回彈角就越大。由于模具在使用的過程中會產(chǎn)生磨損，尤其是彎曲圓角的部位磨損會非常嚴(yán)重，從而使彎曲圓角的半徑變大，因此建議按周期對模具進(jìn)行保養(yǎng)維護(hù)，確保合適的彎曲圓角半徑，并對模具表面進(jìn)行硬化處理，延長模具的使用壽命。

4結(jié)語

通過分析SAPH370-P酸洗鋼材料在沖壓成形汽車后縱梁零件的過程中產(chǎn)生回彈缺陷的原因，證明材料回彈現(xiàn)象是多個方面影響而產(chǎn)生的不可避免的問題，需要綜合分析尋找合適的方法來減小材料的回彈缺陷，使材料在沖壓成形的過程中能夠得到符合生產(chǎn)工藝的合格零件。具體可以從以下幾個方面來綜合考慮:

(1)降低材料的強(qiáng)度，能夠有效的減小材料的沖壓回彈量；

(2)在模具間隙一定，材料的厚度公差很小的情況下，適當(dāng)?shù)臏p小材料的訂單厚度，可以改善材料的回彈現(xiàn)象；

(3)較大的壓邊力對抑制材料的沖壓回彈現(xiàn)象效果明顯，在沖壓成形的過程中是可以優(yōu)先考慮的辦法；

(4)模具拉延筋的布置要根據(jù)材料、成形零件的工況進(jìn)行合理靈活布置，可以很好的優(yōu)化材料的回彈現(xiàn)象；

(5)彎曲圓角由于沖壓磨損，圓角半徑會因此而變大，從而導(dǎo)致材料回彈變大，因此要定期對彎曲圓角進(jìn)行維護(hù)，保證彎曲圓角工藝參數(shù)符合工藝要求。

參考文獻(xiàn)

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[5]吳順斌.汽車縱梁成形工藝回彈問題[J].遠(yuǎn)方科技,1990，(2)：40-48.

(責(zé)任編輯：李文英)

Springback of SAPH370-P Pickling Steel as Stamping Automobile Rear Longeron

Wang Lixin1Liu Bin1Tang Hua2Xiao Hounian2

(1.Research & Development Center of WISCO, Wuhan 430080, Hubei；2.Cold Rolling General Plant of WISCO, Wuhan 430081, Hubei)

Abstract:The article studies the application of SAPH370-P pickling steel in stamping automobile rear beam parts of automobile to discover the main reason for automobile rear beam springback in stamping. After comprehensive analysis from the mechanical performance of SAPH370-P pickling steel, the thickness accuracy of the material, the state of stamping and other factors, we found the real reason of springback defect in stamping process. And this paper proposes solutions to reduce material springback defect rate.

Key words:SAPH370-P pickling steel; rear longeron; stamping; springback; solution

中圖分類號：TG142.1+5

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1671-3524(2016)01-0011-04

作者簡介：王立新(1984～)，男，大學(xué)本科，工程師.E-mail：285349939@qq.com

收稿日期：2016-01-28修回日期：2016-03-01