文/李鳳華，常連霞，申強(qiáng)·一汽解放汽車有限公司卡車廠

應(yīng)用于卡車結(jié)構(gòu)件中的熱軋酸洗板

文/李鳳華，常連霞，申強(qiáng)·一汽解放汽車有限公司卡車廠

以降低卡車材料成本和提高沖壓件強(qiáng)度為出發(fā)點，對熱軋酸洗板的成分、性能試驗及數(shù)據(jù)分析，結(jié)合實際生產(chǎn)零件情況，借助CAE模擬分析手段，選定以熱代冷零件，并通過一系列的現(xiàn)場工藝試驗和工藝驗證，最終實現(xiàn)了在卡車中應(yīng)用熱軋酸洗板的目標(biāo)。

隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，節(jié)能、輕量化、安全性等要求的不斷提高，對汽車材料的設(shè)計提出了更高要求。面對激烈競爭的市場，提高質(zhì)量、降低成本，已成為提升產(chǎn)品生命力，并在激烈市場競爭中制勝的法寶。研制、開發(fā)滿足汽車制造需求的低成本、高強(qiáng)度的材料并應(yīng)用到實際生產(chǎn)中，是實現(xiàn)汽車高質(zhì)量、降低成本的有效途徑。熱軋酸洗板材料較普通冷軋板而言，具有強(qiáng)度高、成本低等優(yōu)點，應(yīng)用前景非常廣泛。

酸洗板應(yīng)用的背景與現(xiàn)狀

熱軋酸洗板是介于熱軋板與冷軋板間的產(chǎn)品，是部分熱軋板和冷軋板理想的替代產(chǎn)品，是汽車業(yè)廣泛需要的新興鋼種。熱軋酸洗板由于其成本低于冷軋板但強(qiáng)度指標(biāo)優(yōu)于冷軋板，在國外已得到了很好的發(fā)展與應(yīng)用，如在日本、美國、韓國及歐洲一些國家，尤其在汽車行業(yè)應(yīng)用廣泛，如日本馬自達(dá)系列轎車副車架、輪輞、加強(qiáng)梁等零部件，韓國現(xiàn)代集團(tuán)生產(chǎn)的轎車系列中也有應(yīng)用。隨著軋鋼工藝技術(shù)的不斷進(jìn)步，熱軋薄板的性能正向冷軋板接近，使“以熱代冷”在技術(shù)上得以實現(xiàn)。據(jù)國外統(tǒng)計，厚度大于1.2mm的熱軋帶鋼可取代冷軋鋼總量的21％，厚度大于1.0mm的熱軋帶鋼可取代冷軋帶鋼總量的34％，熱軋酸洗板替代部分冷軋板和熱軋板，正成為一種趨勢。

國內(nèi)在一些轎車上如一汽捷達(dá)、奧迪系列、馬自達(dá)6等車型正逐步應(yīng)用熱軋酸洗板，但在卡車上批量應(yīng)用酸洗板尚屬空白，而這些轎車應(yīng)用的熱軋酸洗板大部分為進(jìn)口材料，2008年以前由于國內(nèi)需求少，國內(nèi)專業(yè)酸洗板生產(chǎn)線也比較少，產(chǎn)量較低。隨著汽車、家電等行業(yè)對酸洗板需求的增加，國內(nèi)一些大型鋼廠相繼建成投產(chǎn)了熱軋酸洗板生產(chǎn)線，來滿足不斷增長的市場需求。

一汽解放系列卡車白車身在鋼板選材上，依舊采用傳統(tǒng)選材方案，以低碳冷軋板為主提高白車身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，仍主要采用增加板材厚度的手段。卡車白車身由各個總成通過焊接組裝而成，因各部件承載、功能不同，對材料要求也不同。根據(jù)車身結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，為了達(dá)到節(jié)能、降重、降成本的目的，研究應(yīng)用熱軋酸洗板用來制造車身梁類等骨架件，既提高強(qiáng)度、加強(qiáng)安全性，又降低了成本。使整個白車身材料得到優(yōu)選設(shè)計，從而達(dá)到實現(xiàn)提高卡車白車身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、降低成本的目的。

酸洗板研究和應(yīng)用的預(yù)期目標(biāo)

技術(shù)目標(biāo)是在批量生產(chǎn)的前提條件下，沖壓件廢品率不高于千分之三。材料強(qiáng)度比低碳冷軋板提高15％～20％左右，伸長率達(dá)到零件成形要求，零件涂漆質(zhì)量達(dá)到產(chǎn)品要求。

經(jīng)濟(jì)目標(biāo)是現(xiàn)有車型部分零件實現(xiàn)酸洗板生產(chǎn)，每噸價格便宜300～500元，實現(xiàn)降成本目標(biāo)。

研究思路和解決辦法

根據(jù)目前本廠的現(xiàn)有條件，相關(guān)研究思路包括：分析產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、沖壓工藝性和目前使用的材料特點，選擇部分結(jié)構(gòu)件作為研究和應(yīng)用目標(biāo)；選擇相應(yīng)酸洗板材料牌號替代原有牌號，通過一系列材料試驗和工藝試驗，驗證材料技術(shù)指標(biāo)和工藝適應(yīng)性；選擇零件的品種主要是現(xiàn)有車型駕駛室地板上1.5～3mm厚的梁類零件和保險杠、大燈支架等。

重點研究和解決的問題，包括：

⑴確定預(yù)計采用熱軋酸洗板材料的機(jī)械性能及化學(xué)成分，進(jìn)行成分優(yōu)化并制定技術(shù)條件要求。

⑵研究零件的沖壓性能與成形極限FLD曲線的關(guān)系。成形極限圖（FLD）表示金屬板材在各種應(yīng)變比時所能承受的極限應(yīng)變，試驗方法是在板料試件表面預(yù)先印制一定形式的密集網(wǎng)格，對試件進(jìn)行一定應(yīng)變路徑變形至失穩(wěn)或?qū)l(fā)生破裂，判斷測量失穩(wěn)和破裂網(wǎng)格的最大主應(yīng)變和最小主應(yīng)變，通過其應(yīng)變比分析應(yīng)變變形所處的區(qū)域。成形極限是判斷和評價板材成形性的最為簡單和直觀的方法，是解決板材沖壓成形問題的一個非常有效的工具。

⑶進(jìn)行普通冷軋板和熱軋酸洗板疲勞對比試驗。

⑷建立CAE模擬平臺，根據(jù)零件變形特點分類，對變形比較大、成形復(fù)雜的零件進(jìn)行模擬分析，確認(rèn)零件使用酸洗板的可成形性。

⑸利用模擬成形試驗結(jié)果，初步確定試驗零件品種，指導(dǎo)小批量生產(chǎn)。

⑹與鋼廠合作，小批量訂貨，進(jìn)行小批量工藝試驗和試生產(chǎn)。

⑺達(dá)到現(xiàn)有車型部分梁類零件的批量生產(chǎn)。

具體材料試驗和工藝試驗情況

材料

材料試驗與鋼廠、技術(shù)中心和高校聯(lián)合進(jìn)行。

⑴金屬板材的研發(fā)和優(yōu)選。與鋼廠合作，需要對鋼板的工藝進(jìn)行一定的改進(jìn)，具體包括：在常規(guī)生產(chǎn)工藝的基礎(chǔ)上，適當(dāng)提高M(jìn)n和Als的含量，材料成分設(shè)計及檢測見表1；在精煉和軋制過程中，采取特殊工藝保證得到穩(wěn)定均勻晶粒組織結(jié)構(gòu)；板卷進(jìn)行熱軋平整和酸洗后平整，平整采用恒延伸模式，保證板材板形質(zhì)量的同時，更好地消除板材殘余應(yīng)力，同時得到較好的成形性能。經(jīng)過優(yōu)選后，擬采用熱軋酸洗板BRC1、BRC2、SPHC-RS、SPHD-RS、SPHE-RS等牌號的鋼板替代部分普通冷軋板ST13、ST14。

⑵材料試驗結(jié)果分析。

①力學(xué)性能測試。通過對不同批次不同厚度的樣品進(jìn)行各種力學(xué)性能參數(shù)的檢測，從其力學(xué)數(shù)據(jù)來看，熱軋酸洗板屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均高于普通冷軋板，伸長率均大于35％，可以替代冷軋板。

表1 材料成分設(shè)計及檢測

②模擬成形試驗。

板料的擴(kuò)孔試驗結(jié)果見表2。杯突試驗是試樣尺寸選取90mm×500mm，壓邊力設(shè)定值10kN，試驗速度10mm/min，凸模鋼球直徑φ為20mm。表3是1#樣板杯突試驗結(jié)果，板厚為1.5mm，試驗方法按GB 4156，表4是2#樣板杯突試驗結(jié)果，板厚為2.0mm，試驗方法按GB 4156。擴(kuò)孔試驗以及杯突試驗的數(shù)據(jù)均證明，熱軋板材料具有良好的成形性能，能夠滿足沖壓件的加工需求。

表2 板料的擴(kuò)孔試驗結(jié)果

表3 1#樣板杯突試驗結(jié)果

表4 2#樣板杯突試驗結(jié)果

圖1 加工試樣尺寸

成形性能試驗。對于成形極限圖，按照GB/T 15825.8-1995《金屬薄板成形性能與試驗方法 成形極限圖（FLD）試驗》的技術(shù)要求，將板料按圖1所示的尺寸加工成所需的成形極限試驗試樣，在BHB-80通用板材成形性能試驗機(jī)上進(jìn)行，凸模速度為20mm/min，壓邊力為80kN，成形極限試驗件如圖2所示，不同牌號的成形極限值見圖3。成形性能分析結(jié)果：SPHD-RS熱軋酸洗板成形性能優(yōu)于ST13，BRC1熱軋酸洗板成形性能與冷軋板ST14相當(dāng)。

拉伸疲勞試驗，按照GB/T 228-2002金屬材料室溫拉伸試驗方法進(jìn)行，通過30萬次疲勞試驗對應(yīng)的應(yīng)力水平對比，熱軋酸洗板的應(yīng)力水平高于普通冷軋板。

圖2 成形極限試驗件

圖3 FLD曲線

零件的選擇及工藝試驗

卡車駕駛室中因各部件承載、功能、位置的不同，對材料的要求也不同。熱軋酸洗板具有較好的表面質(zhì)量、厚度公差、加工性能，同時試驗數(shù)據(jù)也表明，研發(fā)的熱軋酸洗板在保證成形性的同時，強(qiáng)度也有提高。在理論上，熱軋酸洗板是完全可以滿足普通梁類及加強(qiáng)板類零件對材料的要求。本廠重點選擇了現(xiàn)生產(chǎn)車型中地板梁、保險杠、加強(qiáng)支架等零件進(jìn)行工藝試驗，對成形較復(fù)雜的零件提前做了CAE模擬分析，見圖4。分別進(jìn)行了沖壓、焊接和涂裝的現(xiàn)場工藝試驗，沖壓主要是驗證成形性和對模具的適應(yīng)性，焊裝主要驗證焊接性能及對焊接參數(shù)的影響，涂裝主要驗證涂漆質(zhì)量和漆后表面質(zhì)量是否有明顯變化，特別是保險杠零件屬外部零件，不能出現(xiàn)明顯的區(qū)別與變化。對于沖壓進(jìn)行了多輪試驗，為保證不影響正常生產(chǎn)，原則上是對原有工藝和模具不做大的改動。對焊裝和涂裝的試驗結(jié)果表明，酸洗板對焊裝沒有明顯影響，酸洗板表面的涂油油膜完全能在涂裝前處理洗掉，對涂裝質(zhì)量同樣沒有影響。對于外表面件保險杠，也與冷板件漆后狀態(tài)進(jìn)行了相應(yīng)的比較，沒有明顯區(qū)別，可以接受。

圖4 CAE模擬分析結(jié)果對比

酸洗板應(yīng)用情況

綜合材料檢驗試驗和工藝試驗結(jié)果，總的情況是酸洗板較冷軋板強(qiáng)度指標(biāo)好，塑性較冷軋板稍差，表面質(zhì)量也不如冷軋板，不同廠家材料表現(xiàn)出的性能和特點也不一樣。但總的來說，酸洗板完全可以用來沖制成形不是很復(fù)雜的橫梁、支架等內(nèi)部零件。前期工藝試驗情況良好的零件都已投入批量生產(chǎn)，共有零件30種，每年可降成本約200萬元。

經(jīng)驗分享及遺留問題

經(jīng)驗分享

用熱軋酸洗板替代部分普通冷軋板，可以有效降低成本。材料開發(fā)應(yīng)用方面，要加強(qiáng)與技術(shù)中心、鋼廠和科研院校的合作，充分利用各方面的有利資源，縮短試制周期，提高工作效果和效率。本試驗借助計算機(jī)輔助工程（CAE）分析手段，對所設(shè)計的零件在計算機(jī)上模擬板料沖壓成形的全過程，判斷產(chǎn)品設(shè)計和沖壓工藝方案的合理性，顯著地減少試模次數(shù)，縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期，并降低開發(fā)成本。

遺留問題

目前所生產(chǎn)的以熱帶冷的零件都是生產(chǎn)中的零件，模具和工藝都是在冷軋板情況下進(jìn)行調(diào)試和穩(wěn)定生產(chǎn)，第一批只投產(chǎn)了試驗效果很好的零件，但因為模具狀態(tài)不好影響試驗效果，有個別成形性復(fù)雜的零件出現(xiàn)了輕微裂紋和縮頸現(xiàn)象，為了不引起零件質(zhì)量的波動，今后將會進(jìn)一步完善沖壓工藝和模具狀態(tài)，逐步實現(xiàn)這部分沖壓件的以熱帶冷。

結(jié)束語

目前的工作，僅限于現(xiàn)有產(chǎn)品的替代，今后應(yīng)該進(jìn)一步加強(qiáng)與技術(shù)中心產(chǎn)品設(shè)計人員的合作。在新車型設(shè)計中，確定使用熱軋酸洗板零件品種，降低整車重量，同時沖壓件從開始準(zhǔn)備時就采用酸洗板，更有利于零件的質(zhì)量和工藝的穩(wěn)定。