汽车高强度钢冲压成形问题点及应用案例对策分析~

视频1：车用高硬度钢（HI-TEN材质）

注塑成型问题分析及应用案例对策

（日语发音，英文字幕）

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车身材料主要是金属薄板和厚板，通常长度为0.6-2.0mm，如钢材

随着品种的发展和不断更新，越来越多的高硬度厚板应用于车身。 高硬度厚板硬度高，可以相对减少车辆的选材，减轻车辆质量，提高燃油效率。 高硬度厚板在车身上的广泛应用对于实现车辆轻量化、节能、保护环境、延长车身寿命、提高车辆的碰撞性能和安全性能具有重要意义。

1、高硬度厚板性能

一般屈服硬度σs大于250MPa的厚板也称为普通厚板，σs小于的厚板也称为普通厚板。

250MPa厚板又称高硬度厚板。 高硬度厚板与普通板不仅屈服硬度有显着差异，而且延伸硬度、应变硬化指数、厚度各向异性指数也有差异。

从上表可以看出，高硬度厚板的屈服硬度σs和延伸硬度σb远高于普通马鞍钢板，但应变硬化指数n和厚度各向异性指数r却很低，所以高硬度厚板的成形性能比普通钢板差，成形极限比普通钢板小。 高硬度厚板在注塑过程中，看似与普通厚板一样存在开裂、开裂的问题，但由于σs、σb较高，n、r值较低，导致影响成型性能的几何表面缺陷和成型性问题。粘性较为突出，因此高硬度厚板更容易出现回弹、扭曲等注塑件规格精度问题。

2、高硬度钢容易出现的规格精度问题

2.1 反弹

回弹是指弯曲圆的两个相邻表面的倾斜角度与模具表面的角度不一致的现象。 在弯曲成形过程中，弯曲圆角的外侧部分由于材料的伸长而形成冲裁挠度，而弯曲圆角的内侧部分则由于材料的压缩而形成压缩挠度。 并且零件脱模后，由于弹性变形以及板厚内外偏转的释放，形成扭转力，因此角度发生变化。 如图1所示。

2.2 侧壁挠度

胎侧偏转是指胎侧平面变成曲面的现象。 压缩变形是由零件侧壁圆角处外层板材的压缩挠曲引起的，冲裁变形是由圆角两侧板材的拉伸挠曲形成的。 零件脱模时，由于残余弹性变形和板厚挠度差，使零件侧壁圆角处的侧壁形成向外的角度变化。 同理，零件侧壁下圆角处的侧壁向内形成角度变化，而凸缘则向上形成角度变化。 在上下扭矩的作用下，零件侧壁形成偏析和压痕。 如图2所示。

2.3 畸变

扭曲是指垂直于横轴的两个截面发生扭曲的现象，它是厚度方向挠度差和面内挠度共同作用的结果。 如图3所示。

2.4 圆偏转

圆偏是指产品棱线与磨具棱线曲率不一致的现象。 压缩变形是由零件圆角处外层板材的压缩挠曲引起的，冲裁变形是由零件圆角处的内层板材的拉伸挠曲形成的。 零件脱模后，在残余弹性变形和板厚挠度差的共同作用下，零件圆角处的棱线发生变化。 如图4所示。

3、高硬度厚板规格及精度控制措施

对于高硬度厚板的精度控制，除了做好产品设计外，还需要设计合理的注塑工艺和模具结构，并做好模具的后期调试工作。

3.1 产品设计

在产品设计开发阶段，应做好高硬度厚板注塑件的成形性分析，加强CAE模拟，通过CAE结果不断优化产品的外观结构，从而防止或减少产品可能出现的规格精度误差。 产品外观可以从以下三个方面考虑。

1）产品圆角直径设计合理。 相同材料厚度下，产品圆角直径小，产品回弹和侧壁挠度小，但圆角直径太小，会导致产品弯曲区域应变过大，形成断裂。 因此，产品圆角直径应结合CAE情况进行合理设计。

2）产品设计，如加强筋等形状。 筋、槽等形状可以改变制品的挠度和应变状态，平衡制品的内部挠度，减少制品的回弹。

3) 其他有助于提高规格精度的设计。 产品的阶梯式设计可以减少产品侧壁的弯曲，产品后尾部加强形状的设计可以减少产品侧壁的回弹。

3.2 注塑工艺及模具结构设计

产品设计确定后，制定合理的注塑工艺，可以提高产品的规格精度，减少产品的回弹、扭曲、开裂等缺陷。 然而，有些工艺方法提高了材料利用率，或者需要对现有设备进行改造，从而降低成本。 产品开发的成本需要做好流程分析，权衡利弊，做出正确的选择。

1）冲裁深度应尽可能均匀。 冲裁深度均匀，注塑过程中料流均匀，有利于后期磨具的调整和产品规格精度的增强。 对于断面深度不一致的产品，应采用补偿的方法，保证冲裁深度尽可能一致。 据悉，高硬度厚板需要采用比普通板材更深的冲裁深度，以保证最深断面料流均匀。

2）产品应尽可能一次成型。 制品第一次成型后材料挠曲加强，第二次成型或定型后制品更容易回弹或扭曲。 二次成型。

3）减小压边力。 压边力减小，材料通过模口圆角直径的弯曲变形程度减小，从而可以减少侧壁的麻点、回弹和扭曲，如果压边力减小太大，有骨折的危险。

4）采用阶梯式冲裁。 阶梯冲裁是在模具头部设置阶梯形状，在成型过程结束时，通过形成阶梯形状并向纵壁施加张力，以减少模具挠度的冲裁技术。侧壁。

5）回弹补偿控制。 对于高硬度厚板产品，在冲裁过程中应进行合理的回弹补偿，以吸收产品的回弹，保证产品的规格精度。

6) 镶片式磨料结构。 高硬度厚板的规格精度误差值往往需要经过磨具多次调试验证后才能确定，而高硬度厚板的屈服硬度和延伸率较高，反复调试后磨具腐蚀严重。 建议高硬度厚板采用氮化性能良好的镶片式磨料结构。 镶片型式有利于磨具结构的调整，良好的氮化性能有利于磨具局部间隙的调整。 据悉，冲裁模圆角直径小可以减少产品侧壁的挠度，适当选择后序整形和翻边凹凸模间隙也可以具有校准侧壁挠度的作用。

3.3 磨具调试

1）高硬度厚板磨具通常应根据CAE进行模拟进行补偿，然后开发快速模具进行调试。 调试完毕后，根据修改的数据开发即将推出的磨具。

2）不要轻易修改冲裁圆角和冲裁筋，并注意对称，以利于回弹的二次调整。

3）镶件底面蓝油着色率应保证在90%以上。

4）粘结剂表面蓝油着色率应达到90%以上。 凹角可以打开和关闭，以防止干扰并确保平衡的物料流动。

5）冲裁、成形磨具应调整较大的成形力和压边力； 冲裁筋的圆角和凹模的顶部圆角应尽可能加大，以避免产品脱落和压边环开裂和腐蚀。

4、高硬度厚板磨料

4.1 高硬度厚板磨具受力情况

1）高硬度厚板的高伸长硬度使磨具在成形过程中承受巨大的工作压力；

2）为避免开裂和回弹，磨具承受巨大的压边力；

3）巨大的工作压力和压边力的施加，减小了磨具的摩擦力；

4）为了避免成型模开裂和回弹，采用了较小的工作间隙，这也减少了磨具的摩擦力。

5）高硬度厚板的高伸长硬度使磨具切削刃在冲裁过程中承受巨大的工作压力；

6）冲裁的瞬时性决定了磨具的工作刃口要承受巨大的交变挠度；

7）修边过程中，板材的挠度集中在切削刃处，修边的顺利完成需要磨具刃口锋利，切削刃硬度增加。

4.2 高硬度厚板磨料的选择

高硬度磨具的受力特性决定了高硬度厚板磨具必须具有高耐腐蚀性、高抗粘附性、高抗崩角性、高抗脱落性和高塑性变形抗力。 这种性能要求高硬度厚板磨料必须具有高强度、高硬度的特点。

1）强度高。 高硬度厚板的硬度和高延伸率要求高硬度厚板磨料具有较高的强度。 较高的磨料强度还可以防止产品成型过程中材料的塑性变形、过度腐蚀和粘附。

2）硬度高。 磨料硬度高，可避免产品注塑过程中材料过早失效，如脱落、崩刃和疲劳腐蚀等。 一般情况下，根据高硬度板的屈服硬度和产品材料的厚度来确定合适的磨料。 其中，具有良好淬透性和耐磨性的低合金工具钢7CrSiMnMoV和高碳高铬钢Cr12MoV在车辆上得到广泛应用。 注塑生产如表2所示。在实际应用中，还根据产品的难度和冲压工艺来选择同等或更高性能的磨料。

据悉，需要根据磨具的调试情况和产品调试状况选择合适的表面处理方法，如表面镀铬、PVD、TD等。磨具表面处理后，磨具表面强度增强，摩擦素数增加，大大提高了磨具的使用寿命和产品质量。

5、热成型技术的应用

高硬度厚板虽然在汽车注塑生产中得到广泛应用，但始终受到几个方面的阻碍：产品成型性差、容易脱落； 产品成型规格差，易形成各种表面缺陷； 产品成型所需注塑设备吨位大； 超高硬度厚板的制造难度较大。基于此，一些蒸汽

该汽车制造商采用了全新的高硬度厚板热成型工艺。 工艺措施是将厚板加热到奥氏体温度范围（900℃左右）进行热成型，同时注塑件在模具中快速成型。 冷却，然后渗碳强化，从而生产出具有更高延伸率和硬度的产品。热成型技术不仅可以

提高产品的延伸硬度，防止高硬度厚板容易出现的回弹、翘曲等规格精度问题。

热成型技术的应用和推广还有很多工作要做：

1）热成型过程中，材料的性能随温度变化。 为了保证热成型模拟分析的准确性，需要获得不同水温下的挠度-应变曲线和材料参数；

2）为了提高碰撞安全分析的准确性，需要研究不同应变率下热成型材料的挠度-应变曲线；

3）热成型技术的应用成本较高。 如何提高生产节拍、控制加工成型热处理、降低废铁率仍需深入研究。

六，结论

高硬度厚板与普通厚板的性能差异决定了两种产品的产品规格精度的差异。 相比之下，高硬度厚板更容易形成较大的回弹、侧壁挠度、扭曲度和圆度。 对于偏析等产品规格精度问题，如果产品规格精度问题控制得好，高硬度厚板的应用是有意义的，否则会适得其反。 这对前期的产品设计、冲压工艺和磨具结构设计、模具材料的选择以及后期磨具的调试提出了更高的要求。 只有不断总结高硬度厚板的应用经验，建立高硬度厚板规格的精确控制以及热成型等新技术的应用，高硬度厚板产品才能得到越来越广泛的应用，实现车辆减轻重量。

★参考资料：车辆上有哪些高硬度钢材

车辆用高强度钢的类型：

1.双相钢（DP钢，DualPhaseSteels）

2.复合相钢（CP钢、ComplexPhaseSteels）

3.相变诱导塑性钢（TRIP钢，Transformation Induced Plasticity Steels）

4.马氏体钢（MS钢，Martensitic Steels）

5、淬火脆性钢（QP钢、淬火分切钢）

6.孪晶诱导塑性钢（TWIP钢，TwiningInducedPlasticitySteels）

7. 硼钢（PH钢或B钢，模压硬化/硼钢）

1、双相钢（DP钢）

★性能特点：

无屈服伸长、无温度老化、屈强比低、加工硬化指数高、烘烤硬化值高。

★典型应用：

DP系列高强度钢是目前结构件首选硬质合金，广泛应用于结构件、增强件和防腐件。

击中碎片。

例如，交叉预制构件、钢轨、防撞杆、防撞杆放大结构件等。

2、复合钢（CP钢）

★性能特点：

碳化物细小，延伸率和硬度高。与同级别延伸硬度的双相钢相比，其屈服硬度明显更高

更高。具有良好的弯曲性能、高扩孔性能、高能量吸收能力和优异的翻边成型性能

表现。

★典型应用：

发动机悬挂件、B柱、保险杠、座椅导轨等

3、相变诱导塑性钢（TRIP钢）

★性能特点：

组织中含有丰富的残余奥氏体，具有良好的成形性能。 成形过程中，残余奥氏体逐渐转变为硬质马氏体，有利于均匀变形。

TRIP钢还具有冲击吸收能高、塑料制品硬度高、n值高的特点。

★典型应用：

结构比较复杂的零件，如B柱加强板、前凸缘等。

4.马氏体钢（MS钢）

★性能特点：

屈强比高，延伸率高，硬度高，延伸率相对较低。 需注意延迟脱落的趋势。

具有碰撞吸收能高、塑料制品硬度高、n值高的特点。

★典型应用：

简单零件和截面相对单一的滚压成型零件的冷注塑成型，例如保险杠、门槛加强件和后门保险杠。

5、淬火脆性钢（QP钢）

★性能特点：

以马氏体为碳化物相，具有较高的

加工硬化能力强，因而比同等级超高强度钢具有更高的塑性和成形性能。

★典型应用：

适用于车辆安全件及形状复杂的结构件，如A、B柱加强件等。

6、双诱导塑性钢（TWIP钢）

★性能特点：

TWIP钢是一种高C、高Mn、高Al成分的全奥氏体钢。 通过孪生引起的动态细化，

可以达到极高的加工硬化能力。 TWIP钢具有超高硬度和超高塑性，其强度和塑性可达

超过50GPa%。

★典型应用：

TWIP钢具有极其优越的成形性和超高硬度，适用于需要拉深和胀形性能的材料。

高要求零件，如车辆安全性和形状复杂的结构件。

7、硼钢（PH钢或B钢）

★性能特点：

超高硬度（伸长硬度超过1500MPa），可有效提高碰撞性能，减轻车身重量； 零件形状复杂，成型性好，规格精度高。

★典型应用：

安全结构件，如：前后保险杠、A柱、B柱、中槽等。

★部分车辆用高强度钢的典型牌号

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