雙相鋼沖壓翻邊開裂的影響因素分析

劉雪麗，黃 賡

廣州JFE鋼板有限公司，廣東 廣州 510000

隨著人們對汽車安全、節(jié)能、環(huán)保性能要求的不斷提高，先進(jìn)高強(qiáng)鋼在汽車工業(yè)中的應(yīng)用比例越來越高。早期的低合金高強(qiáng)度鋼板常采用固溶強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化等手段，雖能達(dá)到強(qiáng)化的目的，但降低了鋼板的塑性，給成型帶來了困難，甚至在沖壓生產(chǎn)時(shí)發(fā)生開裂等問題。鐵素體+馬氏體的雙相鋼（DP鋼）作為一種先進(jìn)高強(qiáng)鋼，能在保證強(qiáng)度的前提下，具有優(yōu)良的成型性能，被廣泛應(yīng)用于車身零部件中，但同時(shí)要注意到高強(qiáng)鋼在實(shí)際沖壓成型中存在的困難。沖壓工藝可分為分離工序和成型工序兩大類，分離工序包括落料、沖孔、修邊等，成型工序包括拉伸、彎曲、翻邊等[1]，成型過程中可能會(huì)出現(xiàn)回彈、開裂等問題。在翻邊成型的過程中容易產(chǎn)生破裂、回彈等現(xiàn)象，影響產(chǎn)品的美觀度和精確度。文章就材料落料斷面情況、材料擴(kuò)孔率兩個(gè)方面來探討雙相鋼沖壓翻邊開裂的影響。

1 材料落料斷面情況的影響

1.1 落料件斷面對沖壓的影響

落料件斷面情況對后續(xù)沖壓成型有較為明顯的影響。斷面情況較好時(shí)，沖壓發(fā)生翻邊開裂的情況大大減少；斷面情況較差時(shí)，則極易發(fā)生翻邊開裂。某汽車零部件的落料件如圖1所示，此部件后續(xù)沖壓時(shí)開裂率達(dá)100%，在更換不同的材料沖壓后，仍有開裂發(fā)生，且都是在翻邊工序中發(fā)生。對沖壓件斷面進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)斷面情況較差，如圖2所示，對斷面進(jìn)行SEM形貌分析，發(fā)現(xiàn)斷面有二次剪斷面，有潛裂紋存在，影響斷面質(zhì)量，導(dǎo)致沖壓件在翻邊工序中開裂。后經(jīng)過對落料件的斷面進(jìn)行研磨光滑，再次進(jìn)行沖壓，翻邊開裂大幅度減少，開裂率也從最開始的100%降低至3.9%，改善效果明顯。

圖1 落料件端面

圖2 落料件端面SEM

1.2 原因分析

模具間隙是指模具凸模與凹模刃口尺寸的公差值，對沖裁件斷面質(zhì)量、尺寸精度、模具壽命等有著至關(guān)重要的影響。其中沖裁件的斷面質(zhì)量評價(jià)參數(shù)有圓角、光亮帶、斷裂帶、毛刺等。圓角具有倒角的作用，有利于沖裁件的使用。光亮帶是由凸模切入板料或板料被擠入凹模時(shí)在壓應(yīng)力和剪應(yīng)力作用下形成的，光亮帶比例越大，越有利于斷面質(zhì)量的提高。斷裂帶是凸模進(jìn)入板料或板料被擠入凹模一定深度時(shí)，由于拉應(yīng)力和剪應(yīng)力的作用在凸凹模刃口附近產(chǎn)生裂紋并逐漸擴(kuò)展、迎合、分離而形成的，不利于沖裁件斷面質(zhì)量。毛刺是在斷裂分離后的沖裁件上出現(xiàn)，毛刺的存在對沖壓成型極為不利，要求毛刺越小越好。

當(dāng)模具間隙適中時(shí)，斷面分光邊和毛邊兩部分，并帶有圓角和毛刺，毛刺有拉伸應(yīng)力產(chǎn)生；當(dāng)間隙過大時(shí)，圓角顯著增大，毛刺也增大，且伴隨工件變形產(chǎn)生；當(dāng)間隙過小時(shí)，毛邊部分出現(xiàn)光亮點(diǎn)，圓角變得很小，幾乎沒有斜度，毛刺增大[2-4]。綜上，模具間隙過大或過小都不利于沖裁件的斷面質(zhì)量，不利于沖壓成型。此次沖壓實(shí)際案例中，根據(jù)沖壓件的斷面SEM形貌可知，由于模具間隙過小導(dǎo)致沖壓件斷面出現(xiàn)了二次剪斷面，毛刺也比較明顯，導(dǎo)致工件在翻邊工序時(shí)發(fā)生開裂。

1.3 對策

因模具間隙過小造成斷面有二次剪斷面，二次剪斷面在第二次光亮帶處有潛在裂紋存在，導(dǎo)致工件在翻邊工序發(fā)生開裂問題，而適當(dāng)增加模具間隙是有效的解決辦法，可通過研磨模具來增大模具間隙。但針對已經(jīng)落料的片材，為減少損失，能夠繼續(xù)順利沖壓，可以用研磨機(jī)研磨落料片材的端面，將毛刺打磨好，這樣能夠在一定程度上緩解開裂問題，減少生產(chǎn)損失。研磨端面后的沖壓件斷面情況如圖3所示，較研磨前的情況要好，沖壓翻邊的開裂率也從最開始的100%降低至3.9%，有很大改善。

圖3 研磨端面后的斷面情況

2 材料擴(kuò)孔率的影響

評價(jià)雙相鋼的材料性能時(shí)，除常規(guī)的拉伸試驗(yàn)外，擴(kuò)孔試驗(yàn)也是較為重要的一項(xiàng)評價(jià)試驗(yàn)。擴(kuò)孔試驗(yàn)用于衡量材料在沖壓過程中的翻邊、翻孔等工序中的材料抵抗邊部破裂的能力，能夠很好地表征沖壓過程中邊部開裂的情況[5]。

2.1 擴(kuò)孔試驗(yàn)方法

擴(kuò)孔試驗(yàn)包括沖制試樣圓孔和利用錐頭凸模壓入沖制圓孔兩個(gè)步驟，即沖孔完畢后，錐頭凸模壓入沖制圓孔并由試驗(yàn)機(jī)對其加力，直至試樣的圓孔在凸模作用下孔緣（豎緣）發(fā)生開裂停止試驗(yàn)，如圖4、圖5所示。試樣尺寸大于90mm×90mm，通常為150mm×150mm，樣上的沖孔直徑為10mm，應(yīng)把此圓孔沖制在試樣的中心部位。試驗(yàn)速度不大于1mm/s，試驗(yàn)過程中要注意觀察孔的邊緣，當(dāng)發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)穿透試樣厚度的裂紋時(shí)，立即停機(jī)，取下試樣。用數(shù)顯游標(biāo)卡尺在兩個(gè)正交的方向測量兩次孔的內(nèi)直徑，然后求平均值，精確到0.01mm。測量時(shí)注意避開裂紋。極限擴(kuò)孔率計(jì)算公式如下：

圖4 擴(kuò)孔試驗(yàn)簡圖

圖5 擴(kuò)孔試驗(yàn)機(jī)

式中：λ為極限擴(kuò)孔率，%；D0為試樣上沖制圓孔的原始直徑，mm；D為試樣孔緣開裂時(shí)的圓孔直徑，mm。

2.2 擴(kuò)孔率對翻邊開裂的影響

雙相鋼成品組織主要是由鐵素體和馬氏體兩相組成，馬氏體第二相粒子分散于80%左右的鐵素體中，鐵素體及馬氏體兩相強(qiáng)度差異較大，導(dǎo)致局部變形時(shí)更容易在相界結(jié)合處開裂。擴(kuò)孔率高的材料說明鐵素體及馬氏體軟硬兩相強(qiáng)度差異降低，相界面結(jié)合能力相對增強(qiáng)，晶粒分布更彌散，參與變形的晶粒數(shù)目多，使得變形更均勻[6]，抵抗翻邊開裂的能力增強(qiáng)。擴(kuò)孔率31%相較于擴(kuò)孔率25%的雙相鋼SEM形貌如圖6、圖7所示，前者馬氏體晶粒分布更加均勻彌散。

圖6 擴(kuò)孔率31%的SEM形貌

圖7 擴(kuò)孔率25%的SEM形貌

3 結(jié)論

（1）落料件的斷面情況對雙相鋼翻邊沖壓有較大影響，當(dāng)斷面有毛刺，出現(xiàn)二次剪斷面時(shí)，極易發(fā)生翻邊開裂，可通過調(diào)整落料模具間隙改善落料件斷面情況。針對已經(jīng)落料的落料件，可通過研磨落料件斷面的手段減輕毛刺，達(dá)到減少開裂的目的。

（2）擴(kuò)孔試驗(yàn)可用于衡量雙相鋼在沖壓過程中的翻邊、翻孔等工序中的材料抵抗邊部破裂的能力，能夠很好地表征沖壓過程中邊部開裂的情況。擴(kuò)孔率越高的材料，抵抗翻邊開裂的能力越強(qiáng)。