H420LAD鋼橫梁零件翻邊開裂原因分析及優化

田志俊 崔磊 陳德順 劉陽 谷海容 李軼倫

（1.馬鞍山鋼鐵股份有限公司技術中心，馬鞍山 243000；2.馬鞍山鋼鐵股份有限公司四鋼軋總廠，馬鞍山 243000）

1 前言

伸長類翻邊成形是橫梁類零件的常見制造工藝，其邊部受拉應力作用，容易出現翻邊開裂的問題。隨著汽車用鋼板強度的提升，其韌性降低，伸長類翻邊成形中邊部開裂的問題逐漸增多，限制了高強鋼在汽車上的應用。目前，對高強鋼邊部開裂的研究集中在沖壓工藝、沖裁邊部質量、材料性能、軟硬相強度差等方面[1-6]。趙廣濤等[7]通過優化產品邊界、減少翻邊量，改善邊部區域的應變狀態，減少開裂區域的材料減薄率。張茜等[8]通過仿真和生產驗證，證明了降低材料屈服強度、提高擴孔率對翻邊開裂有改善，且擴孔率與零件邊緣質量的關系更密切。惠亞軍等[9]分析了“先沖壓再壓邊工藝”與“先壓邊再沖壓工藝”2 種工況下元寶梁的邊部應力集中情況，采用后者材料邊部變形均勻，可有效降低縮頸與開裂的發生。

針對熱鍍鋅低合金高強鋼H420LAD 翻邊開裂的問題，從材料力學性能、壓料力、模具間隙、翻邊高度等方面，分析了導致零件翻邊開裂的影響參數及影響因子。同時，通過優化坯料尺寸、調整模具間隙、減小翻邊刀塊到底距離等，降低了翻邊開裂的風險。提出了伸長類翻邊成形邊部開裂的控制措施。

2 橫梁翻邊成形邊部開裂原因分析

2.1 橫梁零件沖壓工藝及開裂位置

圖1為某乘用車副車架橫梁零件，采用1.8 mm 厚度的H420LAD 鋼沖壓成形。

圖1 副車架橫梁

零件經5 道工序沖壓成形：OP10 落料→OP20壓型、預翻邊→OP30 翻邊→OP40 沖孔+側修邊→OP50 沖孔+側修邊。其中，零件開裂發生在OP30 翻邊工序，采用毛坯邊部打磨、激光落料等方式，開裂問題依然存在，如圖2 所示。調試結果顯示，屈服強度較低的板料翻邊開裂率低，但僅有約30%的量產板料滿足要求，對零件的穩定生產不利。

圖2 橫梁在翻邊成形時邊部開裂

2.2 樣板的力學性能檢驗

通過拉伸試驗機對開裂零件樣板進行單軸拉伸試驗，試樣標距為80 mm，檢測樣板3 個方向（0°、45°、90°）的基本力學性能指標，每個方向檢測3 組，結果取其平均值。同時，設置沖裁加工的試樣為試驗組，測試沖裁加工對材料拉伸性能的影響。結果如表1 所示。

表1 H420LAD鋼板拉伸性能參數

圖3 為H420LAD 鋼板的應力-應變曲線，圖4為銑削、沖裁加工拉伸試樣斷裂形式。由表1、圖3、圖4 可知：0°、45°方向上，沖裁加工試樣斷裂伸長率不受影響；90°方向上，沖裁加工試樣在均勻變形段即將結束時，局部微裂紋從試樣邊部向內擴展，導致異常斷裂，均勻伸長率略有降低、斷裂伸長率明顯降低。

圖3 H420LAD鋼板的應力-應變曲線

圖4 銑削、沖裁加工拉伸試樣斷裂形式

2.3 樣板的成形極限試驗

采用直徑為100 mm 的圓柱形球頭凸模進行成形極限試驗，試樣寬度分別為40～160 mm，圖5 所示為成形極限模具示意和試樣，圖6 為H420LAD的成形極限圖。

圖5 成形極限模具示意圖和試樣

圖6 H420LAD的成形極限圖

2.4 零件成形仿真分析

為尋找橫梁零件翻邊開裂的原因，確定沖壓工藝的優化方案，采用Autoform 軟件對零件進行全工序仿真。將模具型面導入Autoform 軟件，按照原工藝方案進行工序設定，其中，翻邊工序有限元模型如圖7所示。材料力學性能如表1所示，選取Swift-HS 硬化模型，屈服模型采用BBC 屈服準則，單元類型為殼單元，厚向積分點11個。

圖7 翻邊工序有限元模型

零件的全工序模擬過程，如圖8 所示。該零件開裂發生在OP30 工序——翻邊成形，通過對開裂位置的成形過程、應變路徑、主次應變進行分析，研究零件件翻邊開裂的原因。

圖8 橫梁的全工序模擬過程

零件開裂位置屬于伸長類翻邊成形，零件邊部在拉應力作用下，存在拉伸減薄，拉應力方向與板料軋制方向夾角約為10°，圖9 為OP30 工序零件翻邊成形仿真結果。由表1、圖3、圖4 可知，0°～45°方向上，沖裁加工不會導致拉伸試驗的斷裂伸長率削弱，即沖裁加工不是該位置開裂的主要原因。

圖9 OP30工序零件翻邊成形仿真結果

圖10 為零件翻邊開裂位置應變路徑。開裂位置的主應變為0.577、次應變為-0.222，主、次應變的比例約為2.608∶-1，趨向于單向拉伸應變狀態。從開裂位置的應變狀態可知，零件開裂的原因是翻邊量過大，導致零件所需的成形性要求超過材料成形極限。

圖10 零件翻邊開裂位置的應變路徑

經過分析，改善零件翻邊開裂的措施有：提高材料的成形極限，可解決零件的翻邊開裂問題，但涉及材料開發，周期長且結果不確定；開裂位置的應變路徑向左側旋轉，使主、次應變比例趨向于2∶-1，即開裂位置的應變狀態趨向于單向拉伸狀態，增加零件的成形安全裕度。

2.5 零件翻邊開裂的影響因素及影響因子

影響零件翻邊開裂的參數很多，如板料厚度、屈服強度、拉伸應變硬化指數（n值）、塑形應變比（r值）、壓料力、摩擦因數等，各參數之間還會互相影響，應用Autoform 軟件Sigma 模塊，綜合分析零件開裂的影響參數，確定導致零件開裂的主要參數[10]。表2 為零件開裂的影響參數及影響因子。

表2 零件開裂的影響參數及影響因子

圖11 為開裂位置主應變的影響參數。由圖11、表2 中可知，摩擦因數、板料厚度、OP20 工序壓料力、OP30 工序壓料力等因素是零件開裂位置主應變偏高的主要因素，影響因子分別為11%、5%、3%、4%等。

圖11 開裂位置主應變的影響參數

圖12 為開裂位置次應變的影響參數。從圖11、表2 可知，r值、n值是導致零件開裂位置次應變偏高的主要因素，影響因子分別為35%、8%。

圖12 開裂位置次應變的影響參數

根據Sigma 分析結果，使主、次應變比例趨向于2∶-1，確定一組最優值，如表2 所示。仿真結果顯示，開裂位置主、次應變分別為0.561、-0.235，主、次應變比例從2.608∶-1 變為2.387∶-1，零件成形安全裕度增至5.15%，如圖13 所示。

圖13 原方案優化后的沖壓仿真結果

其中，r值與開裂位置主、次應變的關系如圖14 所示，隨著r值增大，零件邊部在拉應力作用下抵抗變薄的能力愈強，仿真結果顯示：開裂位置主應變最大降低0.88%、次應變最大降低11.90%，零件的成形安全裕度增加，最高占增量的57.98%。

圖14 r值與開裂位置主、次應變的關系

n值與開裂位置主、次應變的關系如圖15 所示，隨著n值增大，開裂位置主應變降低4.59%、次應變增加2.08%，零件的成形安全裕度增加，最高占增量的30.85%。

圖15 n值與開裂位置主、次應變的關系

屈服強度與開裂位置主、次應變的關系如圖16 所示，隨著屈服強度增大，開裂位置主應變在屈服強度在513 MPa 時開始下降、最大降低0.18%，次應變階梯下降、最大降低1.29%，零件的成形安全裕度增加，最高占增量的8.06%。

圖16 屈服強度與開裂位置主、次應變的關系

板料厚度與開裂位置主、次應變的關系如圖17 所示，隨著板料厚度的增加，開裂位置主應變最大降低0.18%、次應變維持不變，零件的成形安全裕度略增加。

圖17 板料厚度與開裂位置主、次應變的關系

摩擦因數與開裂位置主、次應變的關系如圖18 所示，隨著摩擦因數的增大，開裂位置主應變不變、次應變最大降低0.43%，零件的成形安全裕度略有增加。

OP20 工序壓料力與開裂位置主、次應變的關系如圖19 所示，在100～116 kN 范圍內隨著壓料力增加，開裂位置主應變略有增加，次應變維持不變。

圖19 OP20工序壓料力與開裂位置主、次應變的關系

OP30 工序壓料力與開裂位置主、次應變的關系如圖20 所示，開裂位置主應變不變，在166～183 kN范圍內隨著壓料力增加次應變略有降低，零件成形安全裕度略有增加。

圖20 OP30工序壓料力與開裂位置主、次應變的關系

從原方案的優化分析結果可知，r值、n值、屈服強度等提升，尤其是r值的提升，是原方案優化后零件成形安全裕度提升在重要原因；摩擦因數、壓料力、板料厚度對零件成形安全裕度的提升有限。

3 沖壓工藝優化方案及生產試驗驗證

3.1 沖壓工藝優化方案

由表2 及上述分析結果可知，r值、n值、屈服強度等材料性能以及板料厚度，是開裂位置次應變的主要影響因素，由于材料性能、板料厚度與零件的性能相關，不宜改變，那么，僅調整壓料力、摩擦因數等影響主應變的工藝參數，零件成形安全裕度提升有限。

因此，需要通過調整局部模具間隙、板料尺寸、沖壓工藝等，改善材料流動性、為翻邊工序預留充足的成形余量，并根據工作量的大小，設計了2 種優化方案，進行仿真及生產試驗。

方案1：控制OP20 壓型+預翻邊工序壓料板與下模的間隙約為1倍料厚，壓料板左/右前段與下模間隙分別為2.3 mm、5 mm，左右兩側壓料板與下模間隙為5 mm，C 型翻邊刀塊到底距離為9.5 mm，如圖21 所示。仿真結果顯示，通過調整預翻邊工序的模具間隙、C 型翻邊刀塊到底距離，增加了翻邊工序成形余量，開裂位置的主、次應變分別為0.541、-0.215，主、次應變的比例約2.51∶-1，零件的安全裕度為4.49%，如圖22 所示。綜合評估，該方案改善零件翻邊開裂的效果有限。

圖21 方案1沖壓工藝優化方案

圖22 采用方案1的沖壓仿真結果

方案2：優化板料尺寸，OP20 工序由壓型+預翻邊改為拉延、并增加修邊工序，如圖23 所示。仿真結果顯示，預翻邊工序采用拉延工藝替代預翻邊，將邊緣減薄轉換為面減薄，增加的修邊工序，將減薄較嚴重的邊部裁掉，客觀上提升了翻邊工序的成形余量，開裂位置主、次應變分別為0.420、-0.158，主、次應變的比例約為2.658∶-1，安全裕度16.44%，如圖24 所示。經評估，該方案改善零件翻邊開裂效果明顯，但模具需要更改。

圖23 方案2沖壓工藝優化方案

圖24 采用方案2的沖壓仿真結果

3.2 生產試驗驗證

為保證生產的穩定性，選擇方案2 并開展生產試驗，沖壓零件如圖25 所示，翻邊成形區域成形質量良好，無開裂問題，且無需挑選屈服強度較低的板料維持生產，生產穩定。

圖25 橫梁的實際沖壓結果

4 結論

a.對于伸長類翻邊成形零件，翻邊量大是造成邊部應力集中，主、次應變超過材料成形極限，進而造成零件翻邊開裂的主要原因。

b.降低主、次應變，尤其是次應變，更加有利于開裂問題的改善；塑性應變比r值是影響開裂位置次應變的主要參數，提升r值可以改善開裂問題。

c.優化模具間隙、翻邊刀塊到底距離等措施，改善零件翻邊開裂的效果有限。

d.優化板料形狀、預翻邊工序改為拉延、增加修邊工序，即將零件的邊部減薄轉換為面減薄，增加的修邊工序將減薄較嚴重的邊部裁掉，為翻邊工序預留足夠的成形余量，可大幅度提升零件的成形安全裕度，是解決翻邊開裂問題的有效手段。