超高强度钢生产问题分析及模具设计制造要点总结

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【摘要】介绍了超高强度钢生产中出现的问题并分析了其原因，通过对超高强度钢零件的优化设计，以及模具设计制造和冲压生产的学习和实践，分析总结了此类模具的设计、制造要点，为此类零件的模具设计和生产积累了宝贵经验。

关键词：高强度钢；冷冲压模具；汽车电池

01

介绍

随着汽车轻量化和安全性提高的要求，高强度钢的应用成为重要的发展方向和趋势，按照国际钢铁协会ULSAB项目组的定义，屈服强度在210~550MPa范围内的钢定义为高强度钢（HSS），屈服强度在550MPa以上的钢定义为超高强度钢（UHSS）。

高强度钢的延展性仅为普通钢材的一半，材料在冲压时会产生加工硬化，同时钢材受力后屈服强度会有所提高，材料较高的屈服应力加上加工硬化等于流动应力的大大增加。因此，对开裂、回弹、起皱、尺寸缺陷、表面粗糙度、模具磨损等问题的研究成为高强度钢成形过程中的主要课题，传统的冷冲压工艺已不能满足高强度钢板生产工艺的要求。

目前国际上普遍采用超高强度钢板热冲压成形技术，它是集成形、传热、组织相变于一体的新工艺，主要利用板材在高温奥氏体状态下塑性增加，由于屈服强度降低的特性，成形过程通过模具进行，但热成形工艺效率低、能耗大、成本高。

通过我公司新型汽车蓄电池模具的设计、制造及冲压生产的研究与实践，详细分析了超高强度钢冷冲压模具的设计、制造要点及冲压工艺。

02

零件分析

2.1 零件要求

零件形状及尺寸如图1所示，零件材料为宝钢980DP，材料厚度t=1.6mm。

图1 零件尺寸及外观

2.2 零件缺陷分析

（1）开裂。

板料外侧纵向材料弯曲时，由于变形过大，在弯曲部位的R角处出现裂纹或微裂纹，如图2所示。

图2 R角开裂效果

外部纤维撕裂的极限弯曲半径称为最小弯曲半径，它与材料的力学性能、板料的纤维方向、板料的表面质量和侧面质量、板料的厚度等有关。一般情况下，随着材料强度的提高，塑性会下降，材料所能采用的​​最小弯曲半径会增大。

另外，冷轧板一般具有各向异性，沿纤维方向的塑性指标大于垂直于纤维方向的指标。因此，当折弯线垂直于板料纤维方向时，最小折弯半径较小。为避免折弯半径过小而导致开裂，在图纸审核阶段要特别注意以下几点：折弯半径与材料最小折弯半径的关系，折弯线与板料纤维方向的关系。

（2）反弹。

回弹是指折弯制品相邻两表面之间的夹角与模具设计的角度不一致的现象。在折弯过程中，由于材料伸长，在折弯圆角外侧产生拉应力，而在折弯圆角内侧，材料因压缩而产生压应力。但在制件脱模后，由于板厚内外的弹性变形和应力的释放，会产生力矩，导致角度发生变化，如图3所示。

图3 弯曲过程中角度回弹示意图

（3）侧壁翘曲。

侧壁翘曲是指侧壁平面变成曲率面的现象，制件侧壁圆角内侧的板料受到压应力而压缩变形，圆角外侧的板料受到拉应力而拉伸变形。深变形：制件脱模后，残余弹性变形及厚度应力差将使制件侧壁在圆角处向外变位，上壁向内变位一个角度，而翻边则向下变位一个角度。在上下力矩作用下，制件侧壁翘曲内凹，如图4所示。

图4 弯曲成形过程中侧壁翘曲示意图

（4）棱柱形扭曲。

棱柱状翘曲是指制件边缘与模具边缘曲率不一致的现象。制件圆角内侧的板料受到压应力而发生压缩变形，圆角外侧的板料受到拉延而发生拉伸变形。制件脱模后，在残余弹性变形和板厚应力差的共同作用下，制件圆角处的边缘线条发生变化，如图5所示。

图5 折弯过程中棱柱形翘曲示意图

03

模具结构方案

（1）折弯R设计。为避免折弯开裂，折弯内外侧R应大于材料允许的最小折弯半径，高强度钢980DP材料折弯开裂时（R/T=1.25mm）最小R角半径为：该零件内折弯角取R=2mm，模具按R2.5mm设计。

（2）关键模具材料的选择。

高强度钢板的高抗拉强度使得模具在成形过程中承受巨大的工作压力，导致模具摩擦增大；为了防止起皱和回弹，整形模具采用较小的工作间隙，也导致模具摩擦增大。高强度钢板的高抗拉强度使得模具刃口承受巨大的工作压力；修模和冲孔的瞬时性决定了模具工作刃口承受巨大的交变应力；修模和冲孔过程中模具刃口需保持锋利，强度降低。应力特性决定了高强度钢板模具必须具有高的耐磨性、高的抗粘结性、高的抗刃口断裂性、高的抗裂性和高的抗塑性变形性，综合以上应力条件，凸模和凹模采用HAP40制成。日本HAP40高速钢是含钴的粉末高速钢，具有较高的硬度、耐磨性和韧性，是一种性能良好的通用粉末高速钢。 淬火后硬度为64~66HRC。

模板材质为Cr12MoV，采用深冷处理工艺，改变材料的组织结构，从而改善或提高材料的性能，在宏观上表现在材料的耐磨性、尺寸稳定性、抗拉强度、残余应力等方面的提高，

（3）在落料方面，落料工艺采用级进模+两步单冲工艺，详见图6。

图6 冲裁工序分布图

1. 级进模精加工工艺 2. 单冲模精加工工艺 3. 单冲模精加工工艺

（4）为了减小冲孔力和冲孔对冲床造成的冲击损伤，冲头采用阶梯形设计，如图7所示。图6中1、2、3部分均为冲孔冲头，在保证冲孔能顺利进行的前提下，设计了一定的高度差，在设计中将高度差设计为1mm。

图7 阶梯式冲头示意图

（5）折弯工艺采用二次折弯，避免回弹，如图8、图9所示。

图8 45°折弯工程

1.上模座 2.固定板 3.氮气弹簧 4.折弯冲头 5.导柱 6.限位套 7.卸料板 8.限位块 9.凹模板 10.垫板 11.垫块 12.下模座 13.安装板

图9 90°折弯工程

1.上模座 2.固定板 3.氮气弹簧 4.折弯冲头 5.导柱 6.限位套 7.卸料板 8.限位块 9.凹模板 10.垫板 11.垫块 12.下模座 13.安装板

（6）在模具压制方面，采用超强冲裁力的设计方案，采用氮气弹簧进行冲裁设计，如图8、图9所示，冲裁力的增加，可使材料通过模具开口圆弧时，圆角半径弯曲变形增大，侧壁翘曲、回弹、扭曲较少。

（7）PVD涂层工艺。PVD涂层有效提高模具的耐磨性、韧性、抗粘连性，降低摩擦系数，提高耐温性，从而延长使用寿命。采用JK-Z涂层工艺，其硬度可达2300-2500HV，干摩擦系数：0.5，耐热温度：800℃。

04

结论

超高强度钢板的材料性能与普通钢板有很大区别，相比较而言，高强度钢板更容易出现回弹大、侧壁翘曲、扭曲和棱柱形翘曲、开裂、毛刺尺寸偏差等问题。因此对零件设计、冲压工艺及模具结构设计、模具材料选择以及后期模具调试都提出了更高的要求。只有不断总结高强度钢板的应用经验，完善高强度钢板零件的控制方法，才能更加广泛的使用高强度钢板产品，才能使汽车更加轻量化、更加安全。

介绍了超高强度钢生产过程中出现的问题，分析了产生的原因，通过对超高强度钢零件的优化设计、模具设计制造及冲压生产的研究与实践，总结了该类模具设计制造的要点，积累了该类零件模具设计制造的经验。

参考

[1]周成,叶启斌,田勇,等.超高强度结构钢的研究与开发[J].材料热处理,2021,42(1):14-23

[2]应俊龙, 晁秉宣, 姜克全, 等. 超高强度钢的发展及展望[J]. 新技术新工艺, 2018, (12): 1-3

[3]中国模具设计大赛委员会.中国模具设计大赛委员会[M].南昌:江西科技出版社,2003.