超高强度钢板料胀形成形极限研究

王苏静，邓沛然，宣守强，徐 辉，种习文

（上海工程技术大学 材料工程学院，上海 201620）

0 引 言

近年来，各种轻量化材料不断发展，但钢材仍是汽车结构制造中的主要材料。为实现减轻质量、节能环保和提高车身安全性，需使用抗拉强度超过1 GPa的先进超高强度钢（AUHSSs）[1,2]。DP1180双相钢作为一种新型超高强度钢，是国内外钢铁企业研究的重点材料之一。然而，UHSS中较硬的马氏体组织[3,4]，给冲压过程和成形工艺设计带来困难。超高强度钢在室温下成形性能较差，且冷成形的技术难度大和生产限制多，因此热成形加工方式将成为其主要加工方法。

S PANDRE等[5]研究了不同温度和应变速率下的DP590拉伸变形行为和材料性能。关于600 MPa级别的DP钢研究较多，而1 000 MPa级别的先进高强度钢研究较少，因此DP1180高强度钢在不同参数条件下的性能研究对实现其在汽车轻量化中的应用具有参考价值。吴恺威[6]利用冲压成形测试系统,对DP590板料进行了不同冲压速度下的杯突试验，通过伺服压力机板料测试系统的精密传感器读取了冲压过程中的凸模位置、速度和载荷的关系曲线，获得了0.8 mm厚的板料在不同冲压速度、润滑条件及压边力条件下的IE值。其试验结果表明：冲压速度、润滑条件和压边力对DP590材料的胀形性能均有影响，研究有助于材料的轻量化应用和工艺参数的优化。孙立君等[7]通过公式推导并结合有限元模拟技术，基于Swift分散性失稳和Hill集中性失稳2种理论模型，将最小厚度的计算结果与有限元模拟试验得到材料破裂时的最小厚度对比，计算结果表明：Hill失稳理论能较准确地预测超薄不锈钢材料在胀形过程中的破裂趋势,该结论可用于预测超薄不锈钢发生胀形时的极限。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

试验材料选用0.8 mm厚的DP1180高强度钢，屈服强度723 MPa，抗拉强度1 207 MPa，延伸率约8%，化学成分如表1所示。图1所示为原始试样金相组织，DP1180板料微观组织主要由铁素体和马氏体组成，铁素体作为塑性相提高了材料的塑性性能，马氏体作为硬化相提高了材料的强度和硬度，使DP1180高强度钢具有较高的加工硬化率和优异的延伸率，满足汽车轻量化和提高碰撞性能的要求。

表1 DP1180高强度钢化学成分 质量分数

图1 原始板料微观组织

1.2 试验模具

依据杯突试验参照GB/T 4156—2007《金属杯突试验方法》[8]，采用直径为φ20 mm的半球形凸模在杯形试验机上进行了埃里克森（erichsen test）杯突试验。试样采用线切割的方式切割成90 mm×90 mm的方形，试验采用端部为球形的凸模，凸模球形直径为 φ（20±0.05）mm，压模孔径为 φ（27±0.05）mm[9]。模具结构如图2所示。

图2 模具结构

2 试验结果

2.1 IE值的读取

胀形性能试验是测试材料冲压工艺性能的一种试验，可用来评价金属薄板成形性[10]，将凹模与压边圈之间的板料压入凹模内，直至出现破裂。图3所示为凸模载荷-行程曲线，当试样产生破裂时，作用在试样上的力持续下降，因此只需读取冲压力突变点的凸模位置差值即可精确获得IE值。从B点开始，载荷逐渐增加，表明到达B点时凸模与板料刚接触，到达C点以后，载荷逐渐减小，直至D点，载荷降为0，那么B、D两点的行程差值（凸模压入的深度）即为板料的杯突值（IE值），IE值越大，说明材料胀形性能越好。

图3 凸模行程与载荷曲线

2.2 温度对IE值的影响

在压边力、冲压速度、润滑条件、凸模行程保持一定的情况下，只改变温度，研究不同温度对IE值的影响，试验结果如图4所示。由图4可知，室温下杯突板料试样的裂纹形状相似且均呈环状，但破裂的程度有一定差别。室温下裂纹开口最大，温度在100、200℃时，裂纹逐渐变细，开口变小，温度到达300℃后，裂纹消失，裂口闭合，最终成光滑圆角状。该现象表明，温度升高，材料由于高温软化作用，塑性性能增加，拉伸能力增强，胀形性能明显提升，即IE值增加。各温度下IE值的变化趋势如图5所示，温度越高，IE值增大，室温下板料的IE值为7.155，当温度上升到300℃时，IE值提高至13.853，胀形性能增加了93.6%。此外，通过比较各温度区间杯突值的变化趋势发现，材料的拉伸性能与胀形性能随温度的变化趋势一致，即在100℃以下时，材料的力学性能与室温时类似，而在200℃后，无论拉伸能力还是胀形能力均有明显的增强趋势，且均在300℃的温度区间内达到峰值。

图4 不同温度下的胀形试样

图5 IE值随温度的变化趋势

2.3 压边力对IE值的影响

基于上述试验，继续研究温度对DP1180板料胀形性能的影响。为了与室温下的杯突试验进行对比，在相同的试验条件下，利用电磁感应将板料分别加热至100、200、300℃，探究在这3个不同的温度区间内，IE值在不同压边力下的变化趋势。将凸模速度设置为20%的冲压速度，润滑条件为无润滑，压边力分别设置为5、10、15、20、25 kN，重复试验并对结果取平均值，最终试验结果如表2所示。

表2 各温度下不同压边力时的IE值

由图6可以看出，100、200、300℃下的IE值较室温下的IE值有明显提升，因为随着温度的升高，材料在软化机制的影响下发生软化现象，在同等条件下，温度越高，试样产生破裂时，凸模的行程增加，即IE值增大。各温度下的IE值变化趋势均与室温下相似，IE值的变化趋势都是随着压边力的增加而先增后减。室温下，压边力为5～15 kN时，压边力升高，IE值升高，压边力为15～25 kN时，IE值随着压边力的增大逐渐减小；但在温度的影响下，压边力在15～25 kN时，IE值的变化趋于平缓，表明随着温度的升高，压边力的影响程度减小，温度成为主要的影响因素，温度越高，软化效果越显著，更有利于板料均匀胀形，材料的胀形性能显著提升。

图6 不同压边力时IE值变化趋势

2.4 冲压速度对IE值的影响

与上述试验相似，研究DP1180在这3个不同的温度区间和不同冲压速度下IE值的变化趋势。保持压边力为15 kN，润滑条件为无润滑，冲压速度分别设置为压力机速度的10%、20%、50%、80%、100%，试验条件与上述相同，最终试验结果如表3所示。

表3 各温度下不同冲压速度时的IE值

由图7可以看出，同一冲压速度的不同温度下，IE值随着温度升高而逐渐增大；各温度下的变化曲线相似，IE值随着冲压速度的增大而逐渐降低，与压边力对IE值影响不同的是，温度在20～300℃时，冲压速度是影响胀形性能的主要影响因素。这是由于过大的冲压速度会导致板料来不及反应，而使高强度钢板料较快发生破裂，同时冲压速度的增大也会引起材料流速减缓，流动不均匀，导致在胀形过程中进入凹模的材料减少，只有少部分流入，造成板料胀形时发生严重减薄，最终由于减薄率迅速上升而导致破裂，方形板料发生破裂时凸模行程减少，即IE值减小。因此在实际加工过程中，应选择合适的冲压速度。

图7 不同冲压速度时IE值变化趋势

3 结束语

DP1180高强度钢板料的塑性性能随温度的升高而提升，IE值随着温度的升高而逐渐增大。室温下的IE值为7.155，温度为300℃时，IE值为13.853，材料的胀形性能提升了93.6%，胀形性能得到了显著提升。通过控制变量，分别探究了在不同的压边力、冲压速度下的IE值变化情况。结果表明：在胀形试验中，0.8 mm厚的DP1180高强度钢板料的IE值随着压边力的增大而先增后减，随着冲压速度的增大逐渐减小；不同温度条件下，IE值随压边力、冲压速度的变化趋势相似；随着温度的升高，压边力的影响程度逐渐减小，冲压速度一直为主要影响因素。