試論高強鋼成形技術(shù)及其在汽車(chē)輕量化中的應用論文
汽車(chē)輕量化是指在保證汽車(chē)的強度和安全性能的前提下，盡可能地減輕汽車(chē)的整車(chē)質(zhì)量，從而提高汽車(chē)的動(dòng)力性，減少燃料消耗，降低排氣污染。汽車(chē)的快速發(fā)展方便了人們的生活，但同時(shí)帶來(lái)了金屬、石油等資源、能源的過(guò)量消耗，大氣嚴重污染，通過(guò)汽車(chē)輕量化實(shí)現降低排放和油耗成為汽車(chē)工業(yè)最具挑戰的目標。有研究表明，當鋼板厚度分別減小0.05mm、0.1mm和0.15mm時(shí)，車(chē)身減重分別為6%、12%和18%，可見(jiàn)增加鋼板強度的同時(shí)減小板厚是減輕車(chē)重的主要途徑。
高強鋼具有較高的強度，且成本較輕金屬低，汽車(chē)采用先進(jìn)高強鋼的主要效果有：高強鋼的使用降低了板厚使得汽車(chē)結構輕量化、汽車(chē)的抗凹陷性、耐久強度和大變形沖擊強度安全性均得到提高。高強鋼的優(yōu)點(diǎn)使得其在汽車(chē)行業(yè)中得到快速發(fā)展及廣泛應用，如1980年日本和歐洲的汽車(chē)公司，白車(chē)身中高強鋼用量分別為12%和5%，目前均上升到50%以上。高強鋼的應用不僅為輕量化創(chuàng )造了更多的機遇，更有助于使汽車(chē)達到輕量化和提高安全性的統一。
一、高強鋼的種類(lèi)
高強度鋼板的分類(lèi)主要有按冶金特點(diǎn)、強化機理和生產(chǎn)工藝等幾種劃分方法。
1. 按冶金特點(diǎn)分類(lèi)
根據國際鋼鐵協(xié)會(huì )U S L - A B項目的定義，屈服強度為210 ～550MPa及抗拉強度為270 ～700M P a的為高強度鋼(簡(jiǎn)稱(chēng)H S S)。普通高強度鋼為單一鐵素體組織，由于采用了以相變?yōu)橹鞯膹秃蠌娀椒�，基體的強度和綜合性能得到提高。普通高強度鋼包括有微合金鋼、碳錳鋼、烘烤硬化鋼、各向同性鋼、高強度I F鋼和低合金高強度鋼等幾種。屈服強度大于550M P a及抗拉強度大于700M P a的則稱(chēng)為先進(jìn)高強度鋼(簡(jiǎn)稱(chēng)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)方向是強度基體不變，提高其塑性;另一個(gè)方向是塑性基體不變提高其強度。強度提高的鋼種包括復向鋼(C P)、馬氏體鋼(MS)等，塑性提高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. 按強化機理分類(lèi)
按照鋼材的強化機理，高強度鋼可分為固溶強化型加磷鋼、彌散強化型的低合金高強度鋼、相變強化型的雙相鋼和烘烤硬化型鋼等。
3. 按生產(chǎn)工藝分類(lèi)
高強鋼的生產(chǎn)工藝有冷軋和熱軋2種形式。冷軋高強鋼主要用于車(chē)身零件，包括外板(車(chē)門(mén)、發(fā)動(dòng)機罩外板)、內板(車(chē)門(mén)、發(fā)動(dòng)機罩內板)和結構件。熱軋高強度鋼板在載貨汽車(chē)上用量很大，約占其熱軋鋼板總量的60%～70%，主要用于車(chē)架縱橫梁、車(chē)廂縱橫梁、車(chē)輪、剎車(chē)盤(pán)等受力結構件和安全件。
二、高強鋼的成形技術(shù)
高強鋼減薄和高強度2個(gè)優(yōu)勢使其在汽車(chē)輕量化的減重和安全方面得到了廣泛應用，但高強鋼的成形范圍較窄，成形過(guò)程中遇到了較傳統鋼材更難解決的問(wèn)題。因此許多先進(jìn)的加工工藝及方法不斷地應用到汽車(chē)工業(yè)中。高強鋼的成形技術(shù)主要包括冷沖壓形、熱成形、液壓成形等。
1. 高強鋼冷沖壓成形技術(shù)
高強鋼的冷沖壓成形技術(shù)與傳統鋼材冷沖壓相似，但高強鋼成形范圍有限，成形后容易產(chǎn)生回彈，且其回彈量遠大于普通低碳鋼沖壓成形零件的回彈量，鋼材特性難以詳細描述，這就給回彈的預測及控制帶來(lái)了很大的困難;同時(shí)高強鋼在應用時(shí)面臨著(zhù)成型件的起皺和開(kāi)裂等問(wèn)題，這些特點(diǎn)都導致高強鋼在成形時(shí)尺寸和形狀精度不良。為了克服這些缺陷，歐美及日本等國家的鋼鐵公司及汽車(chē)制造商不斷開(kāi)發(fā)出新的鋼板和高級潤滑油等。日本鋼鐵工程控股公司(日本JFE公司)研究應用張力控制成形、數字化模擬優(yōu)化工具形狀等方法減少回彈及薄壁的翹曲。日本開(kāi)閉器株式會(huì )社(N K K)開(kāi)發(fā)了一種新的鋼板易沖壓技術(shù)來(lái)解決高強鋼板沖壓過(guò)程中開(kāi)裂的問(wèn)題，該技術(shù)通過(guò)從模具上的開(kāi)孔注入潤滑油，使鋼板與模具之間產(chǎn)生數十微米的間隙，從而防止了沖壓過(guò)程中鋼板開(kāi)裂的問(wèn)題，且這種方法在普通沖壓機上稍加改動(dòng)就可實(shí)現。
根據高強鋼的性能、種類(lèi)的不同，高強鋼在整車(chē)應用部位也有顯著(zhù)的區別。如高強度I F鋼和烘烤硬化鋼大多用在轎車(chē)車(chē)身覆蓋件上;590 ～980M P a的雙相鋼大多用在轎車(chē)車(chē)身結構件、加強板上;800M P a的T R I P鋼主要用在轎車(chē)車(chē)身加強板、保險杠和防沖柱上;屈服強度為650 ～700M Pa大梁板和抗拉強度1500M P a的彈簧鋼主要用在商用車(chē)當中。
2. 高強鋼熱沖壓成形技術(shù)
當鋼強度超過(guò)1 000M P a時(shí)，一些形狀復雜的零件，常規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(kāi)裂、回彈大，因此熱成形技術(shù)應運而生。熱沖壓成形技術(shù)是將硼鋼鋼板(初始強度為500 ～600MPa)加熱至奧氏體化狀態(tài)，快速轉移到模具中高速沖壓成形，在保證一定壓力的情況下，制件在模具本體中以大于27℃ / 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高強鋼零件的成形方式。
高強鋼熱沖壓技術(shù)通過(guò)將成形和強化分為2個(gè)步驟來(lái)解決高強鋼強度與塑性的矛盾。該成形技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是：變形抗力小、塑性好、成形極限高、沖壓成形性好;回彈易于控制，成形零件尺寸精度高;沖壓機噸位要求降低;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)，如設備投資大、模具設計和加工復雜、維護和保養成本高等。近年來(lái)高強鋼板的熱沖壓成形技術(shù)已經(jīng)廣泛應用于發(fā)達國家的汽車(chē)工業(yè)實(shí)際生產(chǎn)當中，國內由于受到技術(shù)和設備的限制，發(fā)展較為緩慢，但已經(jīng)得到了眾多鋼鐵和汽車(chē)企業(yè)的重視。高強鋼板熱沖壓技術(shù)主要用于生產(chǎn)A柱加強板、B柱加強板、前后保險杠、側面防撞桿等零件。
3. 高強鋼液壓成形技術(shù)
液壓成形技術(shù)主要是依靠高壓液體(水或油)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(guò)程中板材通過(guò)傳力介質(zhì)的壓力作用貼合凸�；虬寄３尚�，其成形技術(shù)為一種柔性加工工藝。液壓成形件主要為管材、板材和殼體。普通管材液壓成形要求介質(zhì)壓力一般在400M P 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)一次整體成形沿構件軸線(xiàn)和截面有變化的空心構件，且成形工藝節約材料;零件數量和模具成本都降低;成形零件精度得到提高，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(chē)體的剛性，達到減輕質(zhì)量的目標。
目前液壓成形技術(shù)在先進(jìn)高強鋼制零件中得到廣發(fā)應用，尤其是結構件，例如汽車(chē)座椅骨架、側面撞擊橫梁、保險杠、發(fā)動(dòng)機支架、散熱器支架、儀表板橫梁、散熱器支架和車(chē)頂橫梁等結構件。
三、高強鋼成形技術(shù)在汽車(chē)輕
量化過(guò)程中面臨的問(wèn)題在實(shí)際汽車(chē)生產(chǎn)制造過(guò)程中，高強鋼的應用比在不斷提高，同時(shí)高強鋼在成形方面也面臨著(zhù)越來(lái)越大的挑戰。雖然各種先進(jìn)成形技術(shù)已經(jīng)逐步應用到高強鋼成形技術(shù)當中，但對于高強鋼的基本材料屬性、高強鋼成形模具、成形過(guò)程的溫度、軋輥控制等方面仍不完善。
為了更好的使用高強鋼，對于其材料的力學(xué)性能、回彈行為、沖壓力、微觀(guān)結構、焊接特性和應變速率等行為的研究非常必要。對于冷沖壓成形工藝，需要重點(diǎn)關(guān)注沖壓零件的公差精度;對于復雜幾何形狀的零件，要關(guān)注沖壓力的計算及沖壓件的回彈行為;高強鋼成形過(guò)程中遇到的另一個(gè)問(wèn)題是起皺和開(kāi)裂，開(kāi)裂主要受到切邊質(zhì)量(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，因此成形中模具制造、調試難度較大、設計周期較長(cháng)。熱沖壓成形過(guò)程除冷沖壓需要面臨的問(wèn)題，還包括沖壓過(guò)程中升溫、保溫與降溫過(guò)程模具內溫度的分布問(wèn)題，要避免模具因溫度不均造成熱應力破壞。由于高強鋼中含碳量和合金元素的增加，汽車(chē)用高強度鋼使用性能數據不足，特別是高速拉伸性能、疲勞性能數據嚴重不足，這就限制了高強鋼的廣泛應用。因此，為了更進(jìn)一步擴大高強鋼在汽車(chē)輕量化中的應用，需加強高強鋼使用的數據積累，優(yōu)化模具結構，研究高強鋼零件成形技術(shù)、數字化建模技術(shù)，應用成形過(guò)程模擬控制回彈等內容。加強對高強度鋼板成形技術(shù)攻關(guān)，以此來(lái)解決高強鋼成形過(guò)程中出租的問(wèn)題，同時(shí)科學(xué)分配高強鋼的使用，針對車(chē)身不同部位的不同需求來(lái)配備不同的材料、不同的結構，在保證車(chē)身安全的同時(shí)兼顧成本控制。
四、結語(yǔ)
在現代汽車(chē)設計制造中，隨著(zhù)輕量化、安全性與節能減排要求的提高，新車(chē)的設計也一直不斷地改善排放、安全性和燃油效率。高強鋼以其強度高、屈強比低、瞬時(shí)硬化能力好、疲勞和撞擊性能好等優(yōu)點(diǎn)，成為汽車(chē)輕量化的關(guān)鍵材料之一。同時(shí)高強鋼的特殊、復雜的成形性能又需要不斷地進(jìn)行技術(shù)創(chuàng )新，高強鋼的發(fā)展總趨勢是高強度化和良好的成形性。隨著(zhù)汽車(chē)結構優(yōu)化、先進(jìn)成形工藝、模擬仿真等技術(shù)的快速發(fā)展，高強鋼以其優(yōu)勢特點(diǎn)逐步應用于汽車(chē)制造過(guò)程當中，高強鋼的開(kāi)發(fā)與應用將在汽車(chē)輕量化過(guò)程中發(fā)揮出的更大的作用。
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