鮑 立，鄭德兵，余歡慶

（泛亞汽車(chē)技術(shù)中心有限公司，上海 201201）

0 引言

21世紀(jì)，汽車(chē)設(shè)計(jì)和制造過(guò)程需關(guān)注能源枯竭和逐日惡化的環(huán)境危機(jī)，同時(shí)還需提升汽車(chē)安全性和駕駛體驗(yàn)[1]，這使汽車(chē)車(chē)身設(shè)計(jì)的重心放在車(chē)身輕量化和提升汽車(chē)防撞性能上[2]。

先進(jìn)高強(qiáng)鋼（advanced high strength steel,AHSS）和 超 高 強(qiáng) 鋼（ultra-high strength steel,UHSS）是近年汽車(chē)企業(yè)廣泛應(yīng)用的輕量化鋼材，經(jīng)過(guò)熱加工處理，這類(lèi)鋼材的相變得到強(qiáng)化，達(dá)到了超高強(qiáng)度（500～1 600 MPa），加工硬化指數(shù)更高，兼具了較高的疲勞強(qiáng)度和碰撞吸收性能以及良好的塑形性能，可以同時(shí)滿(mǎn)足汽車(chē)減輕質(zhì)量和提高安全性的要求[3-6]。在抗碰撞性能、成形加工和成本方面，相比其他材料具有明顯優(yōu)勢(shì)[7]。

1 邊緣開(kāi)裂研究現(xiàn)狀

目前行業(yè)內(nèi)通常結(jié)合型面減薄率和FLD曲線評(píng)判前期CAE沖壓成形仿真分析結(jié)果，經(jīng)常出現(xiàn)AHSS及UHSS高強(qiáng)鋼零件仿真過(guò)程和結(jié)果均合格，但量產(chǎn)制造階段卻產(chǎn)生邊緣開(kāi)裂的問(wèn)題，如圖1所示，導(dǎo)致后期需要調(diào)整工藝、返修模具，甚至重新制造模具，造成了人力、物力、財(cái)力資源的損耗。

分析其原因，AHSS和UHSS高強(qiáng)鋼與傳統(tǒng)低碳鋼和高強(qiáng)鋼的微觀組織不同，由于更高的強(qiáng)度和不同的金相組織，其邊緣開(kāi)裂和剪切斷裂極限值低于傳統(tǒng)鋼板[8]，導(dǎo)致AHSS和UHSS高強(qiáng)鋼零件邊緣成形時(shí)產(chǎn)生開(kāi)裂，而未達(dá)到成形極限。

AHSS和UHSS高強(qiáng)鋼零件拉深后發(fā)生了加工硬化，塑性性能下降，而且后序修邊工序剪切廢料時(shí)將不可避免地產(chǎn)生毛刺，造成板料邊緣產(chǎn)生應(yīng)力集中。而現(xiàn)有CAE成形分析無(wú)法模擬實(shí)際零件成形后的邊緣加工硬化和切邊毛刺狀態(tài)，無(wú)法通過(guò)型面減薄率和FLD曲線預(yù)測(cè)邊緣開(kāi)裂狀態(tài)。

現(xiàn)采用預(yù)變形拉伸和擴(kuò)孔試驗(yàn)來(lái)研究鋼板邊緣拉伸性能，預(yù)變形拉伸是模擬量產(chǎn)零件拉伸后的板料狀態(tài)，擴(kuò)孔試驗(yàn)是測(cè)量擴(kuò)孔率來(lái)評(píng)估擴(kuò)孔性能。模擬量產(chǎn)零件翻孔邊緣及沖壓性能，板料擴(kuò)孔率越大，材料邊緣的拉伸性能越好，抵抗開(kāi)裂的能力也越強(qiáng)[9,10]。

AutoForm分析軟件以最大邊緣應(yīng)變判斷高強(qiáng)鋼的邊緣開(kāi)裂狀態(tài)，因此需要通過(guò)實(shí)際的材料試驗(yàn)，充分考慮預(yù)拉伸及毛刺狀態(tài)，測(cè)定材料的邊緣最大應(yīng)變值，建立AHSS和UHSS最大邊緣應(yīng)變數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)前期精準(zhǔn)模擬高強(qiáng)鋼邊緣開(kāi)裂。最大邊緣應(yīng)變與擴(kuò)孔率的關(guān)系如式（1）所示。

其中，MaxEdgeStrain為最大邊緣應(yīng)變；HER%為擴(kuò)孔率。

2 擴(kuò)孔試驗(yàn)

2.1 擴(kuò)孔試驗(yàn)原材料及料片準(zhǔn)備方案

試驗(yàn)共選擇3種材料，分別為冷軋高強(qiáng)鋼DP600、DP800（AHSS）和 DP1000（UHSS），每種材料選擇 6種料厚，分別為 0.8、1.0、1.2、1.4、1.5、1.6 mm，共18種組合。拉伸試驗(yàn)機(jī)夾頭對(duì)拉伸材料尺寸的基本要求為：板料長(zhǎng)度方向尺寸≥300 mm，同時(shí)由于各軋制鋼板初始尺寸的限制，考慮最優(yōu)化排樣，最終確定的拉伸試樣尺寸為400 mm×40 mm。為了研究不同孔徑對(duì)邊緣開(kāi)裂的影響，每張料片沖制?6 mm和?10 mm的圓孔，如圖2所示。確定初始的預(yù)變形量分別為3%、6%和9%，將切割完成的料片，在拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸。

2.2 擴(kuò)孔試驗(yàn)料片預(yù)拉伸方案

材料拉伸會(huì)產(chǎn)生加工硬化，導(dǎo)致塑性降低，拉伸后的材料邊緣在成形過(guò)程中未達(dá)到FLD成形極限就已經(jīng)開(kāi)裂。因此，在擴(kuò)孔試驗(yàn)前先對(duì)料片進(jìn)行預(yù)拉伸變形，產(chǎn)生加工硬化，模擬實(shí)際量產(chǎn)零件拉伸后的板料狀態(tài)如圖3所示。

圖1 CAE分析與實(shí)物制件狀態(tài)差異

圖2 料片尺寸及實(shí)物

圖3 DP590/1.6 mm料片9%預(yù)拉伸

2.3 擴(kuò)孔試驗(yàn)設(shè)備及方案

對(duì)完成沖孔的試驗(yàn)料片進(jìn)行擴(kuò)孔，擴(kuò)孔試驗(yàn)按照ISO-TS16630試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)?6 mm和?10 mm的圓孔，采用圓錐形凸模擴(kuò)孔，凸模錐角為60°，如圖4所示。試驗(yàn)時(shí)將試驗(yàn)料片圓孔的毛刺朝向凹模孔，使沖孔方向和擴(kuò)孔方向一致。對(duì)試樣施加足夠壓邊力，保證試驗(yàn)過(guò)程中試驗(yàn)料片在夾緊區(qū)域不發(fā)生板料流動(dòng)。若夾緊區(qū)域發(fā)生板料流動(dòng)，則試驗(yàn)無(wú)效，重新進(jìn)行擴(kuò)孔試驗(yàn)。

施加壓力使擴(kuò)孔凸模垂直插入試樣的孔中，為了能在第一道貫穿料厚方向的裂紋出現(xiàn)時(shí)及時(shí)終止擴(kuò)孔試驗(yàn)，擴(kuò)孔凸模的行進(jìn)速率應(yīng)小于1 mm/s。當(dāng)?shù)谝坏镭灤┝虾穹较虻牧鸭y出現(xiàn)時(shí)，立即降低擴(kuò)孔凸模的行進(jìn)速率。當(dāng)出現(xiàn)穿透試樣厚度的裂紋時(shí)，立即停止擴(kuò)孔凸模的運(yùn)動(dòng)，打開(kāi)模具取出試樣，如圖5所示。

為了保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，針對(duì)每種預(yù)變形量的試驗(yàn)料片，采取5組重復(fù)試驗(yàn)，選擇3個(gè)角度差別較大的方向測(cè)量開(kāi)裂后的圓孔直徑，所得的結(jié)果取平均值并記錄，代入公式（2），計(jì)算最終的擴(kuò)孔率。

圖4 擴(kuò)孔試驗(yàn)

圖5 擴(kuò)孔試樣

3 數(shù)據(jù)分析

統(tǒng)計(jì)所有有效擴(kuò)孔試驗(yàn)數(shù)據(jù)，將記錄完成的擴(kuò)孔數(shù)據(jù)進(jìn)行分析（見(jiàn)圖6），得出如下結(jié)論。

（1）隨料厚增加，材料擴(kuò)孔率增大，板料邊緣拉伸性能越好，DP600擴(kuò)孔率隨料厚增加趨勢(shì)最大，DP800次之，DP1000最緩。擴(kuò)孔率隨料厚增加的趨勢(shì)隨材料強(qiáng)度等級(jí)增加而變緩。板料料厚增加，邊緣開(kāi)裂趨勢(shì)降低，板料強(qiáng)度等級(jí)提升，邊緣開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)增加。

（2）相同強(qiáng)度的材料，經(jīng)過(guò)預(yù)變形處理后，相比無(wú)預(yù)拉伸試樣，預(yù)變形量越大，擴(kuò)孔率越低，即材料邊緣受預(yù)變形影響后拉伸性能下降；對(duì)于DP600，3%～9%的預(yù)變形量可使擴(kuò)孔率下降3%～5%；對(duì)于DP800，3%～9%的預(yù)變形量可使擴(kuò)孔率下降5%～8%；對(duì)于DP1000，3%～9%的預(yù)變形量可使擴(kuò)孔率下降6%～12%。

（3）同樣的預(yù)變形量，材料強(qiáng)度等級(jí)越強(qiáng)，擴(kuò)孔率越低，邊緣拉伸性能越差，DP800相對(duì)DP600擴(kuò)孔率下降約30%，DP1000相對(duì)DP600擴(kuò)孔率下降約60%，DP1000相對(duì)DP800擴(kuò)孔率下降約40%。

圖6 擴(kuò)孔數(shù)據(jù)分析

（4）3%、6%、9%的預(yù)變形之間差異較小，即相同強(qiáng)度、厚度的材料，不同的預(yù)變形量，擴(kuò)孔率差異較小，即經(jīng)過(guò)預(yù)變形量后，相同厚度材料的擴(kuò)孔率變化趨于穩(wěn)定，邊緣拉伸性能趨于一致。

4 結(jié)束語(yǔ)

傳統(tǒng)型面減薄率和FLD曲線標(biāo)準(zhǔn)不適用于判斷AHSS和UHSS高強(qiáng)鋼邊緣開(kāi)裂的情況，而通過(guò)不同預(yù)變形料片的擴(kuò)孔試驗(yàn)研究，測(cè)得常用AHSS和UHSS高強(qiáng)鋼不同料厚的擴(kuò)孔率，總結(jié)了不同料厚、不同材料邊緣拉伸性能的變化趨勢(shì)。邊緣拉伸性能隨料厚增加而變大，隨預(yù)變形量增加而降低，而不同預(yù)變形量的邊緣拉伸性能差異較小，為后續(xù)AHSS和UHSS邊緣開(kāi)裂的進(jìn)一步研究奠定了基礎(chǔ)。同時(shí)，可以根據(jù)試驗(yàn)獲得擴(kuò)孔率數(shù)據(jù)在Auto-Form軟件建立最大邊緣應(yīng)變數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)前期CAE成形分析預(yù)測(cè)AHSS和UHSS高強(qiáng)鋼零件邊緣開(kāi)裂狀態(tài)。