高強(qiáng)鋼冷沖壓成形技術(shù)問題分析

汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展為國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展發(fā)揮了重要作用。但受能源短缺、環(huán)境污染等問題的影響，該行業(yè)發(fā)展之矛盾也日益凸顯。展望未來，該行業(yè)的發(fā)展只有建立在自然、生態(tài)、節(jié)能、安全等背景下，其發(fā)展才可持續(xù)。

在此背景下，汽車輕量化以及高強(qiáng)鋼的應(yīng)用成為了重要發(fā)展方向。但受高強(qiáng)鋼板材強(qiáng)度的提高，傳統(tǒng)的冷沖壓工藝在成型過程中容易產(chǎn)生破裂現(xiàn)象，無法滿足高強(qiáng)度鋼板的加工工藝要求。在無法滿足成型條件的情況下，目前國際上逐漸研究超高強(qiáng)度鋼板的熱沖壓成形技術(shù)。該技術(shù)是綜合了成形、傳熱以及組織相變的一種新工藝，主要是利用高溫奧氏體狀態(tài)下，板料的塑性增加，屈服強(qiáng)度降低的特點(diǎn)，通過模具進(jìn)行成形的工藝。但是熱成型需要對(duì)工藝條件、金屬相變、CAE分析技術(shù)進(jìn)行深入研究，目前該技術(shù)被國外廠商壟斷，國內(nèi)發(fā)展緩慢。

據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，部分汽車品牌高強(qiáng)鋼的應(yīng)用不斷擴(kuò)大，有些車型的車身框架高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用已達(dá)90%。

一、高強(qiáng)鋼特點(diǎn)及成型問題分析

根據(jù)美國鋼鐵學(xué)院能量部的研究，即使高強(qiáng)度鋼降低部分?jǐn)?shù)值其拉伸還是要比傳統(tǒng)的冷板困難得多。高強(qiáng)鋼的延展率只有普通鋼材的一半 (如下圖1)

同時(shí)，當(dāng)材料被沖壓成形時(shí)，會(huì)變硬，不同的鋼材，變硬的程度不同（如下圖2）。一般高強(qiáng)度低合金鋼只略有20MPa增加，不到10％。注意：雙相鋼的屈服強(qiáng)度有140MPa增加，增加了40％多！金屬在成形過程中，會(huì)變得完全不同，完全不像沖壓加工開始之前。這些鋼材在受力后，屈服強(qiáng)度增加很多。材料較高的屈服應(yīng)力加上加工硬化，等于流動(dòng)應(yīng)力的大大增加。因此，開裂、回彈、起皺、工件尺寸、模具磨損、微焊接磨損（如下圖3）等成為了高強(qiáng)鋼成型過程中的問題焦點(diǎn)。

高強(qiáng)鋼屈服強(qiáng)度

基于高強(qiáng)鋼的特點(diǎn)和特性，如果不能改變金屬流動(dòng)和減少摩擦，那么高強(qiáng)度鋼（HSS）的開裂和質(zhì)地不均性都可能引起部件報(bào)廢率的上升。這種材料所具有的高千磅力每平方英寸(KSI)（測量屈變力的單位）、增強(qiáng)的回彈、加工硬化的傾向以及在升高的成型溫度下運(yùn)行對(duì)于模具來說都是一個(gè)挑戰(zhàn)。

二、高性能潤滑技術(shù)對(duì)高強(qiáng)鋼冷沖壓成型的重大意義

潤滑影響成型性這是不爭的事實(shí)。因此，高性能潤滑劑可提供一種更高性能的膜以保護(hù)金屬免于斷裂、壓裂或被焊接到模具上。好的潤滑劑還能夠減少摩擦熱量，使金屬流動(dòng)不間斷并能控制起皺或斷裂。

針對(duì)這一問題，美國IRMCO公司作為世界知名從事潤滑研究制造的專業(yè)公司，自三十年前就已成功研發(fā)的新型水基潤滑技術(shù)解決了高強(qiáng)鋼的成型問題。下面，結(jié)合多年來的研究和使用從潤滑角度并結(jié)合該潤滑技術(shù)的特點(diǎn)談一下看法和意見。如下：

其一，嚴(yán)酷條件下的潤滑保障。

1、由于高強(qiáng)鋼的屈服力大，要屈服它比一般板材需要更多的能量，這種能量除了變形以外，很大程度上是板材與模具間推撞（摩擦）。因此，隨著金屬在沖壓模具中變形溫度會(huì)不斷升高，油基潤滑油都會(huì)變薄，有些情況下會(huì)達(dá)到閃點(diǎn)或者燒著（冒煙），潤滑失效。而IRMCO高分子聚合物極溫潤滑劑中含有抗極壓物并具有“熱尋性”而且會(huì)粘到金屬上，隨著溫度的升高在模具和板材表面形成一個(gè)堅(jiān)韌的保護(hù)屏障，從而降低摩擦和溫度，以幫助工件更好的延展，以此來控制摩擦和金屬流動(dòng)；同時(shí)保護(hù)金屬不會(huì)過熱，發(fā)黑而拉裂和粘接。（如下圖4）

同時(shí)，根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)中的問題，我們在實(shí)驗(yàn)室里復(fù)制現(xiàn)場試驗(yàn)的結(jié)果。不同配方的油基和常規(guī)（肥皂）為基礎(chǔ)的合成潤滑劑，在高強(qiáng)鋼上不能正常工作。廢品率和模具磨損（擦傷）失控。（如下圖5）

美國綠葉技術(shù)實(shí)驗(yàn)室對(duì)IRMCO產(chǎn)品和汽車行業(yè)通過認(rèn)證的拉伸油以及合成潤滑劑，在美國DP780超高強(qiáng)度鋼上進(jìn)行了成型對(duì)比實(shí)驗(yàn)。采用了俄亥俄州立大學(xué)的茵特拉根(Interlaken)拉伸成型測試法。這種方法被證實(shí)用于測試實(shí)際結(jié)果非常準(zhǔn)確。IRMCO達(dá)到的數(shù)值是145 比汽車行業(yè)通過認(rèn)證的拉伸油的115和合成潤滑劑的110 超過了25%。數(shù)值越大說明成型能力越好（如下圖6）。

2、由于沖壓過程中會(huì)產(chǎn)生溫度，同時(shí)由于油的熱容量比較大，熱擴(kuò)散比較差。而IRMCO水基潤滑劑因溫度產(chǎn)生形成水蒸氣帶走熱量，不但有效的降低了溫度，保護(hù)了模具，而且因溫度所產(chǎn)生的微焊接磨損將得到有效的控制。同時(shí)還可以提高沖次。

其二、工具涂層的性能與潤滑劑質(zhì)量緊密聯(lián)系。

傳統(tǒng)的物理氣相沉淀（PVD）和化學(xué)氣相沉淀涂層（CVD）外部需要潤滑發(fā)揮最大性能。IRMCO指出：“熱擴(kuò)散工藝可以減少摩擦磨損的問題。通過熱擴(kuò)散所產(chǎn)生的碳化釩可以形成耐久性、堅(jiān)硬的表面，在苛刻的成形和沖壓模面時(shí)，會(huì)極大的提高工具的使用壽命。如果使用的潤滑劑無法承受高溫、磨損和先進(jìn)高強(qiáng)鋼的加工硬化性，價(jià)值會(huì)大幅降低。因此，使用可滿足高強(qiáng)鋼需求的潤滑劑，是達(dá)到涂層使用壽命最大化的關(guān)鍵。”

根據(jù)IRMCO技術(shù)的先進(jìn)行及多年的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，高強(qiáng)鋼沖壓模具無需花費(fèi)高昂的涂層費(fèi)用，就可以滿足生產(chǎn)需要，并可以延長模具壽命。從（下圖7）可以看出IRMCO潤滑技術(shù)對(duì)模具的保護(hù)作用。沖壓三千個(gè)工件后，工件表面質(zhì)量及模具表面得到明顯的改觀（表面劃痕明顯減少）。

其三、高性能潤滑可以使工件質(zhì)量更加穩(wěn)定。

模具間隙及模具的幾何設(shè)計(jì)等是實(shí)現(xiàn)工件尺寸精度的重要內(nèi)容。因此，這直接關(guān)系到對(duì)金屬材料和潤滑劑技術(shù)要求。如果間隙越小、越緊摩擦力越大，對(duì)潤滑劑的要求也越高，但工件的成型精度也相對(duì)越高。由于IRMCO可以較好的控制摩擦和金屬流動(dòng)，所以可以保證工件質(zhì)量更加穩(wěn)定。

三、IRMCO在部分高強(qiáng)鋼部件上的應(yīng)用

某大型底盤件企業(yè)生產(chǎn)的控制臂（NMS搖臂），板材材質(zhì)FB780，板材厚度4mm，七工位級(jí)進(jìn)沖壓模具，采用IRMCO測試在保證工件質(zhì)量的同時(shí)，同等環(huán)境條件下與油基潤滑劑比較，模具工作溫度下降10-20℃。在此，需要重點(diǎn)說明的是溫度降低意味著摩擦力的減小，這不僅可以保護(hù)模具，而且可以提高沖次。工件圖片如下：

四、建立在IRMCO應(yīng)用下的新的生產(chǎn)工藝流程

IRMCO高性能環(huán)保潤滑劑不僅可以解決高強(qiáng)鋼、重沖、深拉伸等的成型問題，而且可以減少潤滑油50%-75%的用量，更重要的是它可以對(duì)目前沖壓行業(yè)的生產(chǎn)工藝帶來重大改善和優(yōu)化，以減少更多能源、資源的消耗和對(duì)環(huán)境的污染。優(yōu)化后的工藝如下：

1、沖壓成型：IRMCO產(chǎn)品和滲碳模具兼容，所含聚合物的熱尋性在沖壓溫度升高時(shí)強(qiáng)力保證潤滑膜層。降低了模具的工作溫度，延長了模具壽命，同時(shí)可有效提高沖次和工件表面質(zhì)量。

2、焊點(diǎn)焊接：不需任何處理就可以直接進(jìn)行焊接，不但不會(huì)產(chǎn)生虛焊、假焊，而且不會(huì)產(chǎn)生有毒油煙和刺激異味，同時(shí)可以減少至少25%的焊接煙霧，不僅極大提高了工作效率的，而且保證了工人的安全和工件潔凈并利于搬運(yùn)，節(jié)省手套、棉紗等用量。

3、常溫水洗：可以使用26.7~43℃清水進(jìn)行清洗，大幅度降低能耗；可以使清潔池內(nèi)沉淀物減少75%和75%的清洗用水；可直接排放，并達(dá)到對(duì)魚類無害的標(biāo)準(zhǔn)，污水排放量的減少使處理費(fèi)用降低。

4、磷化處理：由于易于清洗，可以使工件達(dá)到高清潔度，全面提高磷化效果。

5、電泳涂裝：IRMCO 產(chǎn)品和電泳漆兼容，同時(shí)工件高清潔度增強(qiáng)了電泳涂裝的質(zhì)量。

6、面漆噴漆：IRMCO 產(chǎn)品可以與電烤漆和粉漆完全兼容。工件的高清潔度提高了噴漆附著力，漆可以噴得更薄，同時(shí)噴漆表面無氣孔、流淌現(xiàn)象。

結(jié)束語

新的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，金屬成型潤滑劑只占生產(chǎn)總成本的約0.5%，但其直接關(guān)聯(lián)80項(xiàng)費(fèi)用和影響總成本70%的費(fèi)用高低，可以消除因用油所帶來的至少10%的生產(chǎn)成本的增加，看似一個(gè)在生產(chǎn)大天枰上無法稱重的物質(zhì)卻決定著整個(gè)生產(chǎn)價(jià)值鏈。無論是工件的成型質(zhì)量及廢品、模具壽命、生產(chǎn)效能、大量的脫脂、清洗以及表面處理所需的能耗、還有生產(chǎn)環(huán)境和排污問題等無不與傳統(tǒng)油基潤滑劑的使用有著直接的關(guān)系。