文/程大堂·中車齊齊哈爾車輛有限公司

高強(qiáng)鋼沖壓工藝性能研究方法淺析

文/程大堂·中車齊齊哈爾車輛有限公司

程大堂，工程師，主要從事鐵路貨車沖壓工藝和模具設(shè)計(jì)工作，主持完成的工模具車間技術(shù)改造項(xiàng)目，將公司的模具制造技術(shù)提升為國(guó)內(nèi)行業(yè)一流水平。

通過對(duì)某種高強(qiáng)鋼進(jìn)行必要的沖壓工藝試驗(yàn)，對(duì)其沖壓性能進(jìn)行初步研究。為高強(qiáng)鋼在重載鐵路貨車上推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)，為其他新材料鋼材沖壓工藝性能研究提供了可借鑒的研究方法。

隨著我國(guó)重載鐵路貨車技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)品輕量化已成為其主要發(fā)展方向之一。為了實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的輕量化，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)大量采用高強(qiáng)鋼成為其主要手段。根據(jù)我公司某一出口產(chǎn)品的設(shè)計(jì)需求，材料采用某種高強(qiáng)鋼，這是該鋼種在鐵路貨車領(lǐng)域的首次應(yīng)用，為掌握其沖壓工藝性能，我們進(jìn)行了必要的沖壓工藝試驗(yàn)，對(duì)其沖壓性能進(jìn)行了初步研究。

試驗(yàn)材料

該種高強(qiáng)度鋼板在淬火狀態(tài)交貨。材料的化學(xué)成分見表1，機(jī)械性能見表2。

表1 化學(xué)成分

表2 機(jī)械性能

試驗(yàn)內(nèi)容

根據(jù)該高強(qiáng)鋼材料的化學(xué)成分及機(jī)械性能，我們?cè)O(shè)計(jì)了科學(xué)、詳細(xì)的沖壓工藝性能試驗(yàn)。

一般材質(zhì)需要進(jìn)行的沖壓工藝性能試驗(yàn)主要有校平、剪切、切割、彎曲等。該材料特點(diǎn)是屈服強(qiáng)度高、硬度高、延伸率低。該材料為目前鐵路貨車領(lǐng)域屈服強(qiáng)度最高的材質(zhì)，矯平機(jī)無法對(duì)其進(jìn)行校平。針對(duì)此問題，我們通過與高強(qiáng)鋼生產(chǎn)廠家聯(lián)合研究探討，保證出廠平面度符合我公司要求，取消校平工序，因此取消校平試驗(yàn)。由于該材料硬度高，需要特殊材料剪刃方可進(jìn)行剪切，剪刃成本很高，且存在剪刃崩裂發(fā)生安全事故的風(fēng)險(xiǎn)，廠家不推薦剪切下料工藝，取消剪切下料工藝方法，因此取消剪切試驗(yàn)。切割成為該材料的唯一下料工藝方法，就要進(jìn)行切割試驗(yàn)。而且該材料延伸率低，不易成形，因此還需要進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，研究其最小折彎圓角。結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)存在滾圓零件，因此還要進(jìn)行滾圓試驗(yàn)。綜上，我們?cè)O(shè)計(jì)了包含切割、彎曲、滾圓等試驗(yàn)項(xiàng)目。

試驗(yàn)項(xiàng)目、試樣的規(guī)格、試驗(yàn)裝備詳見表3。

表3 沖壓性能試驗(yàn)內(nèi)容

試驗(yàn)過程

切割試驗(yàn)

切割試驗(yàn)在等離子切割機(jī)上進(jìn)行，目的是為了驗(yàn)證等離子切割過程對(duì)板材表面的影響。切割以下試樣：⑴300mm×120mm× 4mm規(guī)格的板料16塊（平行、垂直纖維方向各8塊)；⑵300mm×120mm×6mm規(guī)格的板料12塊（平行、垂直纖維方向各6塊)；⑶400mm×400mm×20mm規(guī)格的板料4塊（標(biāo)出纖維方向)。斷面及板材平面度如圖1所示。

圖1 板材切割斷面及板材平面度

我們通過對(duì)切割后的板材平面度進(jìn)行測(cè)量，驗(yàn)證了等離子切割過程對(duì)板材表面沒有影響，觀察切割后斷面質(zhì)量沒有缺陷。

彎曲試驗(yàn)

彎曲試驗(yàn)是在數(shù)控折彎?rùn)C(jī)上完成的，目的在于驗(yàn)證板料在切割條件下縱橫兩向的折彎性能以及最小折彎圓角。

⑴將t4厚度試樣利用R6、R10、R15折彎圓角區(qū)分纖維方向分別進(jìn)行90°折彎試驗(yàn)（圖2），利用R50折彎圓角區(qū)分纖維方向進(jìn)行60°折彎試驗(yàn)（圖3）。

⑵將t6厚度試樣利用R10、R15、R25折彎圓角區(qū)分纖維方向進(jìn)行90°折彎試驗(yàn)，結(jié)果如圖4所示。

通過試驗(yàn)可知，t4厚度試樣進(jìn)行垂直、平行纖維方向90°折彎試驗(yàn)過程中，當(dāng)折彎圓角為R6、R10時(shí)，均出現(xiàn)毛細(xì)裂紋；在折彎圓角為R15時(shí)，圓角外側(cè)光滑過渡，質(zhì)量合格。對(duì)比外觀質(zhì)量，垂直纖維方向折彎區(qū)域與未折彎區(qū)域沒有變化，平行纖維方向折彎區(qū)域存在輕微的折壓痕跡。因此，t4厚度試樣可按R15折彎圓角進(jìn)行90°折彎，即約4倍板厚，且垂直纖維方向折彎質(zhì)量?jī)?yōu)于平行纖維方向折彎。

圖2 t4厚度板料90°折彎試驗(yàn)

圖3 t4厚度板料R50 60°折彎試驗(yàn)

圖4 t6厚度板料90°折彎試驗(yàn)

t4厚度試樣在利用R50折彎圓角進(jìn)行垂直、平行纖維方向60°折彎試驗(yàn)后，圓角外側(cè)光滑過渡，質(zhì)量合格；對(duì)比外觀質(zhì)量，垂直纖維方向折彎區(qū)域與未折彎區(qū)域沒有變化，平行纖維方向折彎區(qū)域存在輕微的折壓痕跡。因此t4厚度試樣可按R50折彎圓角進(jìn)行60°銳角折彎，即12.5倍板厚，且垂直纖維方向折彎質(zhì)量?jī)?yōu)于平行纖維方向折彎。

t6厚度試樣在進(jìn)行垂直、平行纖維方向90°折彎試驗(yàn)的過程中，當(dāng)折彎圓角為R10時(shí)，試樣均出現(xiàn)明顯裂紋；折彎圓角為R15時(shí)，垂直纖維方向90°折彎，出現(xiàn)毛細(xì)裂紋，平行纖維方向90°折彎，出現(xiàn)明顯裂紋，說明垂直纖維方向折彎質(zhì)量?jī)?yōu)于平行纖維方向折彎；折彎圓角為R25時(shí)，圓角外側(cè)均光滑過渡，質(zhì)量合格，對(duì)比外觀質(zhì)量，垂直纖維方向折彎區(qū)域與未折彎區(qū)域沒有變化，平行纖維方向折彎區(qū)域存在輕微的折壓痕跡。因此t6厚度可按R25折彎圓角進(jìn)行90°折彎，即約4倍板厚，且垂直纖維方向折彎質(zhì)量?jī)?yōu)于平行纖維方向折彎。

通過以上試驗(yàn)結(jié)果，我們可以得出如下結(jié)論：(1)該高強(qiáng)鋼可按4倍板厚折彎圓角進(jìn)行90°折彎；(2)垂直纖維方向折彎質(zhì)量?jī)?yōu)于平行纖維方向折彎；(3)加大折彎圓角，高強(qiáng)鋼可以進(jìn)行銳角折彎。

滾圓試驗(yàn)

在進(jìn)行滾圓試驗(yàn)前，首先嘗試進(jìn)行滾弧試驗(yàn)。滾弧試驗(yàn)是利用160t彎梁蓋板壓形模在500t油壓機(jī)上完成的，目的在于驗(yàn)證厚板滾弧成形性能。

如圖5所示，將t20厚度試樣放置在下模上，上模加壓，通過樣板測(cè)量，逐步增大壓力，最終成功成形R555圓弧。

滾弧試驗(yàn)的成功，為我們研究新的厚板滾圓技術(shù)提供了實(shí)踐上的支撐。在此試驗(yàn)成功基礎(chǔ)上，我們進(jìn)行了深化試驗(yàn)——厚板滾圓試驗(yàn)。

滾圓試驗(yàn)針對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行工藝展開，精確計(jì)算出該件展開尺寸。試驗(yàn)過程如圖6所示，首先采用等離子切割機(jī)下料，周邊留量，然后采用機(jī)加設(shè)備將長(zhǎng)度尺寸加工到展開尺寸，直接加工出焊接坡口，再利用500t油壓機(jī)將該件兩端頭點(diǎn)壓圓弧，然后上三輥卷板機(jī)滾圓成形。該工藝避免了兩端留加長(zhǎng)量、滾圓成形后端頭不便切除及坡口難于加工的缺點(diǎn)，節(jié)約了材料成本與人工成本。

圖5 t20厚度試樣滾弧過程

圖6 t20支撐環(huán)滾圓過程

結(jié)束語(yǔ)

通過以上研究，我們初步掌握了該高強(qiáng)鋼的沖壓工藝性能，為該鋼材在鐵路貨車上的推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)，為其他新型鋼材沖壓工藝性能研究提供了可借鑒的研究方法。