試論高強(qiáng)鋼成形技術(shù)及其在汽車(chē)輕量化中的應(yīng)用論文

　　汽車(chē)輕量化是指在保證汽車(chē)的強(qiáng)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(yán)重污染，通過(guò)汽車(chē)輕量化實(shí)現(xiàn)降低排放和油耗成為汽車(chē)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(chē)身減重分別為6%、12%和18%，可見(jiàn)增加鋼板強(qiáng)度的同時(shí)減小板厚是減輕車(chē)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(chē)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(chē)結(jié)構(gòu)輕量化、汽車(chē)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。高強(qiáng)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(yīng)用，如1980年日本和歐洲的汽車(chē)公司，白車(chē)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(chē)達(dá)到輕量化和提高安全性的統(tǒng)一。

　　一、高強(qiáng)鋼的種類(lèi)

　　高強(qiáng)度鋼板的分類(lèi)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(lèi)

　　根據(jù)國(guó)際鋼鐵協(xié)會(huì)U S L - A B項(xiàng)目的定義，屈服強(qiáng)度為210 ～550MPa及抗拉強(qiáng)度為270 ～700M P a的為高強(qiáng)度鋼(簡(jiǎn)稱(chēng)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?yōu)橹鞯膹?fù)合強(qiáng)化方法，基體的強(qiáng)度和綜合性能得到提高。普通高強(qiáng)度鋼包括有微合金鋼、碳錳鋼、烘烤硬化鋼、各向同性鋼、高強(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(chēng)為先進(jìn)高強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度。強(qiáng)度提高的鋼種包括復(fù)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(qiáng)化機(jī)理分類(lèi)

　　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)化型的低合金高強(qiáng)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(lèi)

　　高強(qiáng)鋼的生產(chǎn)工藝有冷軋和熱軋2種形式。冷軋高強(qiáng)鋼主要用于車(chē)身零件，包括外板(車(chē)門(mén)、發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板)、內(nèi)板(車(chē)門(mén)、發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板)和結(jié)構(gòu)件。熱軋高強(qiáng)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(jié)構(gòu)件和安全件。

　　二、高強(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)使其在汽車(chē)輕量化的減重和安全方面得到了廣泛應(yīng)用，但高強(qiáng)鋼的成形范圍較窄，成形過(guò)程中遇到了較傳統(tǒng)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(yīng)用到汽車(chē)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、液壓成形等。

　　1. 高強(qiáng)鋼冷沖壓成形技術(shù)

　　高強(qiáng)鋼的冷沖壓成形技術(shù)與傳統(tǒng)鋼材冷沖壓相似，但高強(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(lái)了很大的困難;同時(shí)高強(qiáng)鋼在應(yīng)用時(shí)面臨著成型件的起皺和開(kāi)裂等問(wèn)題，這些特點(diǎn)都導(dǎo)致高強(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(chē)制造商不斷開(kāi)發(fā)出新的鋼板和高級(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(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(qiáng)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(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(guò)程中鋼板開(kāi)裂的問(wèn)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(lèi)的不同，高強(qiáng)鋼在整車(chē)應(yīng)用部位也有顯著的區(qū)別。如高強(qiáng)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(jié)構(gòu)件、加強(qiáng)板上;800M P a的T R I P鋼主要用在轎車(chē)車(chē)身加強(qiáng)板、保險(xiǎn)杠和防沖柱上;屈服強(qiáng)度為650 ～700M Pa大梁板和抗拉強(qiáng)度1500M P a的彈簧鋼主要用在商用車(chē)當(dāng)中。

　　2. 高強(qiáng)鋼熱沖壓成形技術(shù)

　　當(dāng)鋼強(qiáng)度超過(guò)1 000M P a時(shí)，一些形狀復(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(kāi)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500 ～600MPa)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(qiáng)鋼零件的成形方式。

　　高強(qiáng)鋼熱沖壓技術(shù)通過(guò)將成形和強(qiáng)化分為2個(gè)步驟來(lái)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(jī)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(shè)備投資大、模具設(shè)計(jì)和加工復(fù)雜、維護(hù)和保養(yǎng)成本高等。近年來(lái)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(chē)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(chē)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)面防撞桿等零件。

　　3. 高強(qiáng)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(gòu)件軸線(xiàn)和截面有變化的空心構(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(dá)到減輕質(zhì)量的目標(biāo)。

　　目前液壓成形技術(shù)在先進(jìn)高強(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(chē)座椅骨架、側(cè)面撞擊橫梁、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(chē)頂橫梁等結(jié)構(gòu)件。

　　三、高強(qiáng)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(qiáng)鋼的應(yīng)用比在不斷提高，同時(shí)高強(qiáng)鋼在成形方面也面臨著越來(lái)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)用到高強(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、高強(qiáng)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(qiáng)鋼，對(duì)于其材料的力學(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)注沖壓力的計(jì)算及沖壓件的回彈行為;高強(qiáng)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(diào)試難度較大、設(shè)計(jì)周期較長(zhǎng)。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(nèi)溫度的分布問(wèn)題，要避免模具因溫度不均造成熱應(yīng)力破壞。由于高強(qiáng)鋼中含碳量和合金元素的增加，汽車(chē)用高強(qiáng)度鋼使用性能數(shù)據(jù)不足，特別是高速拉伸性能、疲勞性能數(shù)據(jù)嚴(yán)重不足，這就限制了高強(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(chē)輕量化中的應(yīng)用，需加強(qiáng)高強(qiáng)鋼使用的數(shù)據(jù)積累，優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)，研究高強(qiáng)鋼零件成形技術(shù)、數(shù)字化建模技術(shù)，應(yīng)用成形過(guò)程模擬控制回彈等內(nèi)容。加強(qiáng)對(duì)高強(qiáng)度鋼板成形技術(shù)攻關(guān)，以此來(lái)解決高強(qiáng)鋼成形過(guò)程中出租的問(wèn)題，同時(shí)科學(xué)分配高強(qiáng)鋼的使用，針對(duì)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(jié)構(gòu)，在保證車(chē)身安全的同時(shí)兼顧成本控制。

　　四、結(jié)語(yǔ)

　　在現(xiàn)代汽車(chē)設(shè)計(jì)制造中，隨著輕量化、安全性與節(jié)能減排要求的提高，新車(chē)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)度高、屈強(qiáng)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(qiáng)鋼的特殊、復(fù)雜的成形性能又需要不斷地進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，高強(qiáng)鋼的發(fā)展總趨勢(shì)是高強(qiáng)度化和良好的成形性。隨著汽車(chē)結(jié)構(gòu)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(qiáng)鋼以其優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)逐步應(yīng)用于汽車(chē)制造過(guò)程當(dāng)中，高強(qiáng)鋼的開(kāi)發(fā)與應(yīng)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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