簡單分析汽車用第三代高強(qiáng)度鋼QP980的沖壓成形性

摘要：QP鋼是一種高強(qiáng)度高塑性的第三代高強(qiáng)度汽車用鋼,為了論證QP980的沖壓成形能力，采用虛擬成形分析和沖壓實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法研究了汽車用第三代高強(qiáng)度鋼板QP980的沖壓成形性，并與汽車常用的CR340、DP600、DP800、DP1000四種高強(qiáng)度鋼板進(jìn)行了對比研究,研究結(jié)果證明QP980的強(qiáng)度略高于DP10000的強(qiáng)度，沖壓成形性則是QP980比 DP600略好。應(yīng)用第三代QP鋼可解決高強(qiáng)度且形狀較復(fù)雜的零件成形問題，在汽車安全性和輕量化研究中 QP980可發(fā)揮重要作用。

關(guān)鍵詞：第三代高強(qiáng)度鋼；QP980；實(shí)驗(yàn)?zāi)?；成形能?br />
引言

隨著能源問題的凸顯和環(huán)保法規(guī)要求的不斷提高，在保證安全性能的前提下進(jìn)行整車輕量化設(shè)計(jì)成為目前汽車工業(yè)的發(fā)展方向。由于車身約占整車質(zhì)量的20%，因而汽車車身，特別是車身骨架件的輕量化設(shè)計(jì)是整車輕量化的關(guān)鍵。

采用高強(qiáng)度鋼，特別是超高強(qiáng)度鋼板，是目前車身輕量化最經(jīng)濟(jì)有效的方法。以雙相鋼ＤＰ、ＴＲＩＰ鋼和ＭＳ鋼為代表的高強(qiáng)度鋼在Ａ柱、Ｂ柱、門檻加強(qiáng)板、車門防撞桿等為代表的車身安全件、結(jié)構(gòu)件上已得到廣泛應(yīng)用。但由于成形性能的限制，有時(shí)尚不能滿足一些需兼顧強(qiáng)度等級和形狀復(fù)雜度的車身骨架件的沖壓成形需求。
為了更好地為汽車輕量化設(shè)計(jì)提供優(yōu)質(zhì)材料，學(xué)者們開始研究第三代高強(qiáng)度板，寶山鋼鐵股份有限公司（寶鋼）2013年在國際上率先開發(fā)并量產(chǎn)了第三代超高強(qiáng)度鋼———QP鋼，即淬火延性鋼。該鋼種不僅具有超高強(qiáng)度，且具備較高延伸率，特別適用于生產(chǎn)外形相對復(fù)雜、強(qiáng)度要求較高的沖壓件。QP高強(qiáng)度鋼充分利用超高強(qiáng)度鋼板的塑性特性、加工硬化特性，可更好地實(shí)現(xiàn)減重和車輛性能的優(yōu)化。掌握QP高強(qiáng)度鋼的成形特性和成形極限，是開展QP鋼沖壓成形應(yīng)用的前提和基礎(chǔ)。

01研究對象



本文選取寶鋼第三代高強(qiáng)度鋼的代表產(chǎn)品QP980作為研究對象，采用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法研究其沖壓成形性能。為了全面說明QP980的成形能力，選擇四種常用的高強(qiáng)度板CR340、DP600、DP800、DP1000進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)。圖1為鋼種塑性階梯圖。QP980的化學(xué)成分如表1所示。



02實(shí)驗(yàn)測試

2.1 實(shí)驗(yàn)零件選取

A柱鉸鏈板為車身比較重要的安全零件，其所處的位置決定了其對車內(nèi)正副駕駛位置的人員起到的是關(guān)鍵保護(hù)作用，因此零件強(qiáng)度越高越好，但是該零件的形狀相對比較復(fù)雜，局部區(qū)域成形的難度比較大，一般采用DP600等級的材料。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

為了全面研究QP800的沖壓成形性，選擇CR340、DP600、DP800、DP1000四種常用高強(qiáng)度板進(jìn)行對比研究。

2.2.1 單向拉伸試驗(yàn)

每種材料分別沿與板材軋制方向成0°、45°、90°的方向取樣制作拉伸試件，每個(gè)方向取三個(gè)試件，每種材料共9個(gè)試件。
通過五種材料的單向拉伸試驗(yàn)，測得QP980和常用的高強(qiáng)度板的力學(xué)性能參數(shù)，進(jìn)而可以從理論上分析QP980和常用高強(qiáng)度板的成形性能，為沖壓成形數(shù)值模擬提供準(zhǔn)確的力學(xué)性能參數(shù)。

2.2.2 沖壓成形實(shí)驗(yàn)

設(shè)計(jì)制造A柱鉸鏈板拉延工序OP10的模具，通過實(shí)際沖壓成形研究QP980和常用高強(qiáng)度板的成形能力。由于一套模具要測試五種高強(qiáng)度板材料，而且最高達(dá)到了100MPa的超高強(qiáng)度，故為了保證實(shí)驗(yàn)有效成功，在工藝設(shè)計(jì)方面盡量保持均勻的拉延深度，保證零件一次拉延成形，并保證足夠大的壓邊力。在模具設(shè)計(jì)方面，采用氮?dú)飧滋峁┓€(wěn)定的壓邊力，拉延的凹凸模的最小壁厚達(dá)到了100mm ，給后期調(diào)回彈留出了充分的加工量，考慮了可能的鑲塊墊片重新加工、更換鑲塊，甚至于減小閉合高度重新加工的情況。

03實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 材料力學(xué)性能測試結(jié)果及分析

CR340、DP600、DP800、DP1000、QP980五種材料的力學(xué)性能參數(shù)測試結(jié)果如表2所示。



從五種材料的測試結(jié)果來看，第三代高強(qiáng)度鋼QP980的延伸率接近于DP600的延伸率，而且各向異性參數(shù)還略高于DP600的各向異性參數(shù)，說明QP980的成形能力與DP600的成形能相當(dāng)。從材料抗拉強(qiáng)度指標(biāo)來看，QP980的抗拉強(qiáng)度是1027MPa，已經(jīng)超過了DP1000的抗拉強(qiáng)度1011MPa，說明QP980的強(qiáng)度與DP1000的強(qiáng)度相當(dāng)。

3.2 沖壓成形實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比

沖壓實(shí)驗(yàn)中五種材料CR340、DP600、DP800、DP1000、QP980的板厚和毛坯尺寸完全相同，板厚為1.0mm。在產(chǎn)品上選出一點(diǎn)A（開裂風(fēng)險(xiǎn)大的點(diǎn)）作為參考點(diǎn)，如圖5所示，來比較不同材質(zhì)的成形性能。



3.2.1 沖壓成形模擬結(jié)果對比

首先應(yīng)用 ＡＵＴＯＦＯＲＭ 軟件優(yōu)化沖壓成形工藝，保證五種高強(qiáng)度鋼材料的沖壓成形實(shí)驗(yàn)采用的都是相對優(yōu)化的成形工藝。采用氮?dú)飧讐哼?，?jīng)過數(shù)值模擬優(yōu)化，五種高強(qiáng)度鋼材料的壓邊力都是980kN。

A點(diǎn)減薄率模擬結(jié)果如表3所示。模擬結(jié)果顯示：第三代高強(qiáng)度鋼QP980在A點(diǎn)的減薄率比DP600的還小。雖然單向拉伸試驗(yàn)中QP980的延伸率和硬化指數(shù)都比DP600的小，但是各向異性參數(shù)ｒ比DP600的大，模擬結(jié)果顯示QP980的成形能力比DP600的成形能力略好。



3.2.2 沖壓成形實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比

為了進(jìn)一步驗(yàn)證理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果，分別對五種材料CR340、DP600、DP800、DP1000、QP980進(jìn)行沖壓實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖7所示，其中DP1000在A點(diǎn)區(qū)域開裂，其他材料都沒有開裂。采用測厚儀測量A點(diǎn)的實(shí)際減薄率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明數(shù)值模擬結(jié)果是比較準(zhǔn)確的，QP980的減薄率比DP600的略小，充分說明了QP980的實(shí)際沖壓成形能力略好于DP600的沖壓成形能力。



04結(jié)論

(1) 通過單向拉伸試驗(yàn)說明QP980的成形能力略好于DP600的成形能力，而材料強(qiáng)度與DP1000的相當(dāng)。
(2) 通過A柱鉸鏈板拉延成形實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬方法證明QP980的實(shí)際沖壓成形能力與DP600的相當(dāng)。
(3) 第三代高強(qiáng)度鋼QP980可以成形強(qiáng)度要求高且形狀復(fù)雜的零件，這對提高汽車安全性、實(shí)現(xiàn)整車輕量化具有重要作用。