冀 鵬
(眾泰汽車工程研究院材料工程部,浙江 杭州 310000)
隨著汽車工業(yè)的發(fā)展,為了節(jié)能減排,適應(yīng)嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn),減輕車身重量已成為必然趨勢(shì)。汽車的輕量化技術(shù)已經(jīng)成為世界汽車發(fā)展的潮流,汽車輕量化技術(shù)的發(fā)展必定會(huì)成為汽車技術(shù)研發(fā)的主要方向[1]?,F(xiàn)階段各主機(jī)廠乘用車車門外板用鋼材基本以傳統(tǒng)的烘烤硬化鋼為主,強(qiáng)度級(jí)別有180MPa級(jí)、220MPa級(jí),厚度規(guī)格主要為0.75mm、0.7mm、0.65mm。根據(jù)德國(guó)蒂森克虜伯對(duì)汽車車門外板用材趨勢(shì)分析,外板厚度可進(jìn)一步減薄至0.6mm,同時(shí)強(qiáng)度級(jí)別提高至300MPa級(jí)。本文以我司某車型左后門外板為例,通過對(duì)比0.6mm HC300/500DP與0.7mm HC180B在重量、成本、原材料烘烤硬化性、成形性、抗凹性等方面性能差異,驗(yàn)證0.6mm HC300/500DP在車門外板應(yīng)用可行性。
以我司某車型左后門外板為例,對(duì)比說明兩種材料車門外板的重量和成本。鋼板價(jià)格參考某鋼廠2017年6月的板料含稅價(jià),因外板為HC300/500DP的車門進(jìn)行了局部補(bǔ)強(qiáng),需考慮補(bǔ)強(qiáng)膠片的重量和成本,補(bǔ)強(qiáng)膠片供應(yīng)商為天津某公司,厚度1.5mm,形狀為邊長(zhǎng)80mm的矩形,密度1.45g·cm-3,價(jià)格65元/kg,單件成本僅考慮材料費(fèi)用,如表1所示。
表1 原材料價(jià)格、重量、單件成本對(duì)比
由表1可知,外板為HC300/500DP的材料經(jīng)局部補(bǔ)強(qiáng)后,相比HC180B單件減重0.70kg,減幅約13.7%,減重效果非??捎^。HC300/500DP原材料價(jià)格比HC180B貴,但成本卻降低 0.24元/件,主要是由于單件重量減輕使總成本下降的緣故。
車門外板要求原材料具有一定的烘烤硬化性,電泳烘烤后材料屈服強(qiáng)度增加,有助于提高外板的局部凹痕抗力。分別測(cè)試兩種材料的烘烤硬化值(BH2),試樣采用 GB/T 228.1-2010規(guī)定的P6試樣,測(cè)試結(jié)果如表2所示。HC300/500DP的烘烤硬化值大于HC180B,具有更優(yōu)異的烘烤硬化性,這是由HC300/500DP的化學(xué)成分和顯微組織共同決定。烘烤硬化機(jī)理主要是與柯氏氣團(tuán)形成、馬氏體回火、殘余奧氏體分解和碳化物析出共同作用的結(jié)果。預(yù)變形后,材料內(nèi)部存在大量位錯(cuò),140℃烘烤過程中,有柯氏氣團(tuán)形成,并且鐵素體、馬氏體中會(huì)析出碳化物[2]。HC300/500DP
表2 兩種材料的烘烤硬化值 單位:MPa
含碳量遠(yuǎn)大于 HC180B,且前者的顯微組織為鐵素體和島狀馬氏體,使HC300/500DP的烘烤硬化值較高。
圖1 兩種外板材料車門總成間隙檢測(cè)
在車間分別對(duì)兩種材料各10臺(tái)份進(jìn)行沖壓試制,結(jié)果顯示,所有外板制件均合格,門把手、窗框邊部等拉延較深的部位無開裂、隱裂等問題。面板經(jīng)打磨后未出現(xiàn)拉伸應(yīng)變痕、高點(diǎn)等影響外觀質(zhì)量的缺陷。使用包邊模進(jìn)行內(nèi)外板包邊,經(jīng)檢查,包邊效果良好,無起皺凸出、未折邊等問題。通過檢具檢測(cè)車門總成的間隙、面差,檢測(cè)結(jié)果如圖1、圖2所示:
圖2 兩種外板材料車門總成面差檢測(cè)
HC300/500DP相較于HC180B,在強(qiáng)度提高、塑性下降的情況下,成形性能良好,包邊后,外板回彈小,各檢測(cè)點(diǎn)間隙、面差滿足技術(shù)規(guī)范要求。這主要是由雙相鋼的顯微組織特征決定。冷軋雙相鋼的顯微組織由島狀馬氏體顆粒散布于鐵素體基體組成,馬氏體提供了雙相鋼的強(qiáng)度特性,而鐵素體基地則使雙相鋼具有良好的塑性[3]。在沖壓拉延過程中,連續(xù)的鐵素體基體為雙相鋼提供了足夠的塑性變形能力。
抗凹性評(píng)價(jià)指標(biāo)主要為:抗凹剛度、局部凹痕抗力、起伏載荷。抗凹剛度是試件抵抗凹陷撓曲的彈性變形能力;局部凹痕抗力是試件抵抗局部凹陷的塑性變形能力;起伏載荷是試件在外載荷達(dá)到一定程度時(shí),抵抗彈性變形的能力突然喪失,發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象[4]。由于試驗(yàn)設(shè)備有限,僅對(duì)抗凹剛度、起伏載荷進(jìn)行了測(cè)試,局部凹痕抗力采用計(jì)算機(jī)仿真模擬計(jì)算。
2.3.1 抗凹剛度和起伏載荷
分別將兩種外板材料不同的車門總成,經(jīng)電泳烘烤后,進(jìn)行抗凹剛度、起伏載荷(加載60N是否有凹陷失穩(wěn)現(xiàn)象)測(cè)試。測(cè)試點(diǎn)為主觀評(píng)價(jià)薄弱點(diǎn),即A、B兩點(diǎn),如圖3所示。共進(jìn)行兩次測(cè)試,第一次測(cè)試車門總成僅電泳烘烤后不作任何處理;第二次測(cè)試,在外板材料為HC300/500DP的車門內(nèi)側(cè)A、B兩點(diǎn)處加貼補(bǔ)強(qiáng)膠片,測(cè)試結(jié)果如表3、4所示。
圖3 抗凹剛度、起伏載荷測(cè)試點(diǎn)
表3 外板抗凹剛度測(cè)試結(jié)果 單位:N·mm-1
表4 起伏載荷測(cè)試結(jié)果
由以上可知,第一次測(cè)試,外板材料為 HC300/500DP的車門總成,A、B兩點(diǎn)抗凹部剛度下降嚴(yán)重,分別降低約29%、37%,靜載荷未達(dá)到60N已出現(xiàn)凹陷失穩(wěn)現(xiàn)象;經(jīng)局部補(bǔ)強(qiáng)后,兩點(diǎn)抗凹剛度均超過原設(shè)計(jì)車門且無失穩(wěn)??拱紕偠?、起伏載荷均與試件的厚度、幾何形狀有關(guān),與材料的屈服強(qiáng)度無關(guān)[5]。第一次測(cè)試時(shí),外板材料為HC300/500DP的車門,由于厚度減薄導(dǎo)致抗凹剛度下降,未達(dá)到規(guī)定載荷即出現(xiàn)凹陷失穩(wěn),盡管HC300/500DP的屈服強(qiáng)度、烘烤硬化值高于HC180B,但屈服強(qiáng)度對(duì)抗凹剛度、起伏載荷無影響;第二次測(cè)試,在外板材料為HC300/500DP的車門內(nèi)側(cè)A、B兩點(diǎn)處加貼補(bǔ)強(qiáng)膠片,電泳烘烤后,補(bǔ)強(qiáng)膠片附著在車門內(nèi)側(cè),作用類似于使A、B兩點(diǎn)處厚度增加,抗凹剛度大幅增加,不低于原設(shè)計(jì)車門,加載60N時(shí)無失穩(wěn)現(xiàn)象。
2.3.2 局部凹痕抗力
采用計(jì)算機(jī)仿真模擬計(jì)算兩種不同材料車門外板的局部凹痕抗力,計(jì)算點(diǎn)依然為A、B兩點(diǎn),評(píng)估指標(biāo)為一定外載荷下產(chǎn)生的凹陷深度[4]。模擬軟件采用 Abaqus v6.12,通過逐次增量加載試驗(yàn)方式計(jì)算,增量為50N,計(jì)算規(guī)定外載荷(350N)下產(chǎn)生的凹陷深度,計(jì)算結(jié)果如表5所示。
由表5可知,外板材料為HC300/500DP的車門外板經(jīng)逐量加載至350N,在不補(bǔ)強(qiáng)的情況下,A、B兩點(diǎn)產(chǎn)生的永久凹陷遠(yuǎn)低于外板材料為HC180B的車門。局部凹痕抗力除與材料厚度、零部件幾何形狀有關(guān)外,還與材料的屈服強(qiáng)度有關(guān)[5]。外板材料應(yīng)用HC300/500DP后,雖然厚度減薄,會(huì)導(dǎo)致局部凹痕抗力下降,但材料的屈服強(qiáng)度提高,兩者綜合作用后,HC300/500DP材料的局部凹痕抗力優(yōu)于HC180B,經(jīng)局部補(bǔ)強(qiáng)后,局部凹痕抗力進(jìn)一步提高。
表5 規(guī)定載荷下的凹陷深度計(jì)算結(jié)果 單位:mm
0.6mmHC300/500DP應(yīng)用于車門外板,相比原設(shè)計(jì)的0.7mmHC180B,可大幅度減輕車門外板重量,相應(yīng)的單件成本也有一定程度降低。HC300/500DP材料烘烤硬化性能優(yōu)異,成形性能良好,內(nèi)外板包邊后無明顯回彈,車門總成間隙和面差均滿足技術(shù)規(guī)范要求,外板抗凹剛度、起伏載荷經(jīng)局部補(bǔ)強(qiáng)后,不低于原設(shè)計(jì)材料,局部凹痕抗力進(jìn)一步提高。因此0.6mm HC300/500DP材料經(jīng)補(bǔ)強(qiáng)優(yōu)化設(shè)計(jì)后,可以應(yīng)用于車門外板。
參考文獻(xiàn)
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