[高強(qiáng),汽車,技術(shù)]試論高強(qiáng)鋼成形技術(shù)及其在汽車輕量化中的應(yīng)用

1、試論髙強(qiáng)鋼成形技術(shù)及其在汽車輕量化中的應(yīng)用汽車輕疑化是指在保證汽車的強(qiáng)度和安全性能的前提下，盡可能地減輕汽車的整車質(zhì)量, 從而提高汽車的動(dòng)力性，減少燃料消耗，降低排氣污染。汽車的快速發(fā)展方便了人們的生活， 但同時(shí)帶來了金屬、石油等資源、能源的過量消耗，大氣嚴(yán)重污染，通過汽車輕量化實(shí)現(xiàn)降 低排放和油耗成為汽車工業(yè)最具挑戰(zhàn)的目標(biāo)。有研究表明，當(dāng)鋼板厚度分別減小0. 05mm. 0.1mm和0. 15mm時(shí)，車身減重分別為6%、12%和18%,可見增加鋼板強(qiáng)度的同時(shí)減小板厚是 減輕車重的主要途徑。高強(qiáng)鋼具有較高的強(qiáng)度，且成本較輕金屬低，汽車采用先進(jìn)高強(qiáng)鋼的主要效果有：高強(qiáng) 鋼的使用降低了板厚使得汽車

2、結(jié)構(gòu)輕量化、汽車的抗凹陷性、耐久強(qiáng)度和大變形沖擊強(qiáng)度安 全性均得到提高。髙強(qiáng)鋼的優(yōu)點(diǎn)使得英在汽車行業(yè)中得到快速發(fā)展及廣泛應(yīng)用，如1980年日 本和歐洲的汽車公司，白車身中高強(qiáng)鋼用量分別為12%和5%,目前均上升到50%以上。高強(qiáng) 鋼的應(yīng)用不僅為輕量化創(chuàng)造了更多的機(jī)遇，更有助于使汽車達(dá)到輕量化和提髙安全性的統(tǒng)一。一、髙強(qiáng)鋼的種類高強(qiáng)度鋼板的分類主要有按冶金特點(diǎn)、強(qiáng)化機(jī)理和生產(chǎn)工藝等幾種劃分方法。1.按冶金特點(diǎn)分類根據(jù)國(guó)際鋼鐵協(xié)會(huì)USL - AB項(xiàng)目的左義， 屈服強(qiáng)度為210550MPa及抗拉強(qiáng)度為270700MP a的為高強(qiáng)度鋼(簡(jiǎn)稱H S S)。普通高強(qiáng)度鋼為單一鐵素體組織，由于采用了 以相變

3、為主的復(fù)合強(qiáng)化方法，基體的強(qiáng)度和綜合性能得到提髙。普通髙強(qiáng)度鋼包括有微合金 鋼、碳鐳鋼、烘烤硬化鋼、各向同性鋼、髙強(qiáng)度I F鋼和低合金高強(qiáng)度鋼等幾種。屈服強(qiáng)度 大于550M P a及抗拉強(qiáng)度大于700M P a的則稱為先進(jìn)高強(qiáng)度鋼(簡(jiǎn)稱A H S S)。A H S S的研究基于H S S朝2個(gè)方向發(fā)展，一個(gè)方向是強(qiáng)度基體不變，提髙其塑性；期一個(gè)方向是 塑性基體不變提高幷強(qiáng)度。強(qiáng)度提髙的鋼種包括復(fù)向鋼(CP)、馬氏體鋼(MS)等，塑性提髙的 鋼種包括有雙相鋼(C P)、相變誘發(fā)塑性鋼(T R I P)等。2.按強(qiáng)化機(jī)理分類按照鋼材的強(qiáng)化機(jī)理，高強(qiáng)度鋼可分為固溶強(qiáng)化型加磷鋼、彌散強(qiáng)化型的低合金髙強(qiáng)

4、度 鋼、相變強(qiáng)化型的雙相鋼和烘烤硬化型鋼等。3.按生產(chǎn)工藝分類高強(qiáng)鋼的生產(chǎn)工藝有冷軋和熱軋2種形式。冷軋?bào){強(qiáng)鋼主要用于車身零件，包括外板(車 門、發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板)、內(nèi)板(車門、發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板)和結(jié)構(gòu)件。熱軋?bào){強(qiáng)度鋼板在載貨汽車上用 量很大，約占其熱軋鋼板總量的60弔70%,主要用于車架縱橫梁、車廂縱橫梁、車輪、剎車 盤等受力結(jié)構(gòu)件和安全件。二、髙強(qiáng)鋼的成形技術(shù)高強(qiáng)鋼減薄和高強(qiáng)度2個(gè)優(yōu)勢(shì)使苴在汽車輕量化的減重和安全方而得到了廣泛應(yīng)用，但 髙強(qiáng)鋼的成形范羽較窄，成形過程中遇到了較傳統(tǒng)鋼材更難解決的問題。因此許多先進(jìn)的加 工工藝及方法不斷地應(yīng)用到汽車工業(yè)中。高強(qiáng)鋼的成形技術(shù)主要包括冷沖壓形、熱成形、液

5、壓成形等。1.髙強(qiáng)鋼冷沖壓成形技術(shù)髙強(qiáng)鋼的冷沖壓成形技術(shù)與傳統(tǒng)鋼材冷沖壓相似，但髙強(qiáng)鋼成形范圍有限，成形后容易 產(chǎn)生回彈，且其回彈量遠(yuǎn)大于普通低碳鋼沖壓成形零件的回彈量，鋼材特性難以詳細(xì)描述， 這就給回彈的預(yù)測(cè)及控制帶來了很大的困難；同時(shí)高強(qiáng)鋼在應(yīng)用時(shí)而臨著成型件的起皺和開 裂等問題，這些特點(diǎn)都導(dǎo)致髙強(qiáng)鋼在成形時(shí)尺寸和形狀精度不良。為了克服這些缺陷，歐美 及日本等國(guó)家的鋼鐵公司及汽車制造商不斷開發(fā)岀新的鋼板和高級(jí)潤(rùn)滑油等。日本鋼鐵工程 控股公司（日本JFE公司）研究應(yīng)用張力控制成形、數(shù)字化模擬優(yōu)化工具形狀等方法減少回彈 及薄壁的翹曲。日本開閉器株式會(huì)社（N K K）開發(fā)了一種新的鋼板易沖壓技術(shù)

6、來解決髙強(qiáng)鋼 板沖壓過程中開裂的問題，該技術(shù)通過從模具上的開孔注入潤(rùn)滑油，使鋼板與模具之間產(chǎn)生 數(shù)十微米的間隙，從而防止了沖壓過程中鋼板開裂的問題，且這種方法在普通沖壓機(jī)上稍加 改動(dòng)就可實(shí)現(xiàn)。根據(jù)高強(qiáng)鋼的性能、種類的不同，高強(qiáng)鋼在整車應(yīng)用部位也有顯箸的區(qū)別。如高強(qiáng)度IF鋼和烘烤硬化鋼大多用在轎車車身覆蓋件上;590980H P a的雙相鋼大多用在轎車車身 結(jié)構(gòu)件、加強(qiáng)板上;800MP a的T RI P鋼主要用在轎車車身加強(qiáng)板、 保險(xiǎn)杠和防沖柱上;屈 服強(qiáng)度為650700H Pa大梁板和抗拉強(qiáng)度1500H P a的彈簧鋼主要用在商用車當(dāng)中。2.高強(qiáng)鋼熱沖壓成形技術(shù)當(dāng)鋼強(qiáng)度超過lOOOMPa時(shí)，一

7、些形狀復(fù)雜的零件，常規(guī)的冷沖壓工藝難以成形，即使 可以采用冷沖壓工藝，所需沖壓力大、成型件易開裂、回彈大，因此熱成形技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。 熱沖壓成形技術(shù)是將硼鋼鋼板（初始強(qiáng)度為500600MPa）加熱至奧氏體化狀態(tài)，快速轉(zhuǎn)移到 模具中高速?zèng)_壓成形，在保證一立壓力的情況下，制件在模具本體中以大于27C / s的冷 卻速度進(jìn)行淬火處理，保壓淬火一段時(shí)間，以獲得具有均勻馬氏體組織的超髙強(qiáng)鋼零件的成 形方式。高強(qiáng)鋼熱沖壓技術(shù)通過將成形和強(qiáng)化分為2個(gè)步驟來解決高強(qiáng)鋼強(qiáng)度與塑性的矛盾。該 成形技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是：變形抗力小、塑性好、成形極限髙、沖壓成形性好;回彈易于控制， 成形零件尺寸精度高;沖壓機(jī)噸位要求降低;

8、鋼材成形抗力低，模具單位壓力小;成形件生產(chǎn) 周期短等。但熱沖壓技術(shù)也存在一些缺點(diǎn)，如設(shè)備投資大、模具設(shè)il和加工復(fù)雜、維護(hù)和保 養(yǎng)成本高等。近年來高強(qiáng)鋼板的熱沖壓成形技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于發(fā)達(dá)國(guó)家的汽車工業(yè)實(shí)際生 產(chǎn)當(dāng)中，國(guó)內(nèi)由于受到技術(shù)和設(shè)備的限制，發(fā)展較為緩慢，但已經(jīng)得到了眾多鋼鐵和汽車企 業(yè)的重視。高強(qiáng)鋼板熱沖壓技術(shù)主要用于生產(chǎn)A柱加強(qiáng)板、B柱加強(qiáng)板、前后保險(xiǎn)杠、側(cè)而 防撞桿等零件。3.髙強(qiáng)鋼液壓成形技術(shù)液壓成形技術(shù)主要是依靠髙壓液體（水或汕）作為傳力介質(zhì)或模具使工件成形的一種塑性 加工技術(shù)。液壓成形過程中板材通過傳力介質(zhì)的壓力作用貼合凸模或凹模成形，其成形技術(shù) 為一種柔性加工工藝。 液壓成

9、形件主要為管材、 板材和殼體。 普通管材液壓成形要求介質(zhì)壓 力一般在400MP a以上，采用液壓成形技術(shù)的主要有點(diǎn)包括：成形技術(shù)一次整體成形沿構(gòu) 件軸線和截而有變化的空心構(gòu)件，且成形工藝節(jié)約材料;零件數(shù)量和模具成本都降低;成形零 件精度得到提髙，回彈也減小;將原有需要分割成多個(gè)零件組合的部件改為單一的零件代替, 同時(shí)增加車體的剛性，達(dá)到減輕質(zhì)量的目標(biāo)。目前液壓成形技術(shù)在先進(jìn)髙強(qiáng)鋼制零件中得到廣發(fā)應(yīng)用， 尤其是結(jié)構(gòu)件， 例如汽車座椅 計(jì)架、側(cè)而撞擊橫梁、保險(xiǎn)杠、發(fā)動(dòng)機(jī)支架、散熱器支架、儀表板橫梁、散熱器支架和車頂 橫梁等結(jié)構(gòu)件。三、高強(qiáng)鋼成形技術(shù)任汽車輕量化過程中面臨的問題在實(shí)際汽車生產(chǎn)制造過程

10、中，高強(qiáng)鋼的應(yīng)用比在不斷提高，同時(shí) 髙強(qiáng)鋼在成形方面也而臨著越來越大的挑戰(zhàn)。雖然各種先進(jìn)成形技術(shù)已經(jīng)逐步應(yīng)用到髙強(qiáng)鋼 成形技術(shù)當(dāng)中，但對(duì)于高強(qiáng)鋼的基本材料屬性、髙強(qiáng)鋼成形模具、成形過程的溫度、軋轆控 制等方面仍不完善。為了更好的使用髙強(qiáng)鋼，對(duì)于苴材料的力學(xué)性能、回彈行為、沖壓力、微觀結(jié)構(gòu)、焊接 特性和應(yīng)變速率等行為的研究非常必要。對(duì)于冷沖壓成形工藝，需要重點(diǎn)關(guān)注沖壓零件的公 差精度;對(duì)于復(fù)雜幾何形狀的零件，要關(guān)注沖壓力的汁算及沖壓件的回彈行為;髙強(qiáng)鋼成形過 程中遇到的另一個(gè)問題是起皺和開裂，開裂主要受到切邊質(zhì)呈：（間隙、刀具和沖頭邊部質(zhì)量） 的影響，起皺則需要合理地控制壓邊力和成形條件，因此成

11、形中模具制造、調(diào)試難度較大、 設(shè)計(jì)周期較長(zhǎng)。熱沖壓成形過程除冷沖壓需要而臨的問題，還包括沖壓過程中升溫、保溫與 降溫過程模具內(nèi)溫度的分布問題，要避免模具因溫度不均造成熱應(yīng)力破壞。由于髙強(qiáng)鋼中含 碗屋:和合金元素的增加，汽車用高強(qiáng)度鋼使用性能數(shù)拯不足，特別是髙速拉伸性能、疲勞性 能數(shù)據(jù)嚴(yán)重不足，這就限制了髙強(qiáng)鋼的廣泛應(yīng)用。因此，為了更進(jìn)一步擴(kuò)大高強(qiáng)鋼在汽車輕 量化中的應(yīng)用，需加強(qiáng)髙強(qiáng)鋼使用的數(shù)據(jù)積累，優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)，研究髙強(qiáng)鋼零件成形技術(shù)、 數(shù)字化建模技術(shù)，應(yīng)用成形過程模擬控制回彈等內(nèi)容。加強(qiáng)對(duì)髙強(qiáng)度鋼板成形技術(shù)攻關(guān)，以 此來解決髙強(qiáng)鋼成形過程中出租的問題，同時(shí)科學(xué)分配髙強(qiáng)鋼的使用，針對(duì)車身不同部位的 不同需求來配備不同的材料、不同的結(jié)構(gòu)，在保證車身安全的同時(shí)兼顧成本控制。四、結(jié)語(yǔ)在現(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)制造中，隨著輕量化、安全性與節(jié)能減排要求的提髙，新車的設(shè)計(jì)也一 直不斷地改善排放、安全性和燃油效率。高強(qiáng)鋼以其強(qiáng)