DP600高強(qiáng)鋼制車輪研究

DP600高強(qiáng)鋼制車輪研究摘要：目前，國內(nèi)乘用車鋼制車輪生產(chǎn)所使用的材料多為普通的低強(qiáng)鋼，采用先進(jìn)高強(qiáng)材料DP600雙相鋼作為車輪生產(chǎn)材料的公司并不多。先進(jìn)高強(qiáng)鋼的使用，可以實(shí)現(xiàn)鋼制車輪的輕量化，也可滿足節(jié)能環(huán)保的要求。但先進(jìn)高強(qiáng)鋼DP600的使用，著重應(yīng)解決成型困難、回彈現(xiàn)象明顯及成型過程中容易起皺等技術(shù)難點(diǎn)。關(guān)鍵詞：乘用車、鋼制車輪、高強(qiáng)鋼、雙相鋼、成型、工藝、模具、疲勞ResearchofDP600HighStrengthsteelwheelsAbstract:Atpresent,traditionallowstrengthsteeliswidelyusedforsteelwheelindustriesofpassengercarinChina.Therearefewcompanieswhichmakewheelsbyusingadvancedhighstrengthsteel.Steelwheelsmadebyusingadvancehighstrengthsteelcanmeettherequirementsoflight-weight,energyconservationandenvironmentalprotection.ifweuseDP600asthematerialofwheels,weshouldsolvemanydifficultiessuchashardforming,springbackandsurfacewrinklingofDP600andsoon.Keywords:passengercar,steelwheels,highstrengthensteel,dualphasesteel,forming,process,dies,fatigue;前言鋼材作為傳統(tǒng)的車輪用材有著悠久的歷史，在20世紀(jì)80年代以前全球90%以上的車輪以鋼材為原料[1]。隨著車輪及鋼鐵行業(yè)的不斷發(fā)展，車輪用鋼開始從傳統(tǒng)屈服強(qiáng)度在240MPa～350MPa低強(qiáng)度鋼轉(zhuǎn)變?yōu)榍?qiáng)度在600MPa或更高強(qiáng)度的高強(qiáng)鋼[2～4]，先進(jìn)高強(qiáng)鋼成為車輪用鋼的主流趨勢[5,6]。國外鋼鐵企業(yè)與鋼輪企業(yè)，在20世紀(jì)90年已大規(guī)模生產(chǎn)及應(yīng)用雙相鋼DP600[7,8]或等強(qiáng)度材料[9～11]。與國外相比，國內(nèi)在高強(qiáng)鋼材料，特別是在輪輻（車輪承載汽車驅(qū)動力與制動力部件）材料上研究上涉及甚少。目前除一汽富維在DP600先進(jìn)高強(qiáng)鋼車輪開發(fā)上采用CKD進(jìn)口件外，國內(nèi)其它大型乘用車鋼輪生產(chǎn)企業(yè)采用先進(jìn)的高強(qiáng)鋼DP600作為輪輻材料的還非常少。寶鋼車輪率先將DP600等先進(jìn)高強(qiáng)鋼投入鋼輪輪輻生產(chǎn)應(yīng)用中，是國內(nèi)高強(qiáng)鋼車輪制造的領(lǐng)先者，特別是在產(chǎn)品輕量化及DP600等新材料應(yīng)用上我們具有明顯優(yōu)勢，已居國內(nèi)領(lǐng)先。由于先進(jìn)高強(qiáng)鋼DP600，抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)鋼材，材料在成型過程中存在成型難、回彈大和易起皺等成型問題。因此，先進(jìn)高強(qiáng)鋼能否成功應(yīng)用在鋼輪生產(chǎn)上，關(guān)鍵是能否解決這些成型問題。1DP600材料特性1.1DP600材料物理性能及機(jī)械性能分析DP600是雙相鋼的典型鋼材，是通過變相進(jìn)行強(qiáng)化的鋼種，組織中含有馬氏體、鐵素體,其金相組織圖見圖1。DP600基本成分為C和Mn，為了提高淬透性還添加一定量的Cr和Mo。其DP600具有低屈強(qiáng)比、高的加工硬化指數(shù)、高烘烤硬化性能等特點(diǎn)。圖1DP600金相圖Fig.1DP600metallographicstructureDP600材料與傳統(tǒng)B420CL材料的性能對比如表1，根據(jù)兩者材料的對比，DP600具有較低的屈強(qiáng)比，由于硬化現(xiàn)象明顯，隨著變形的進(jìn)行，強(qiáng)度明顯增大且具有較大的回彈量。以上分析可以看出DP600在產(chǎn)品應(yīng)用上的主要難點(diǎn)為：強(qiáng)度高，回彈現(xiàn)象明顯；沖壓成型過程中容易起皺。通過DP600成形分析結(jié)合工藝工裝優(yōu)化設(shè)計來著手解決以上突出問題。表1DP600材料與B420CL材料機(jī)械性能對比Table1mechanicalpropertiescontrastbetweenDP600andB420CL材料牌號屈服強(qiáng)度MPa抗拉強(qiáng)度MPa延伸率%n值難點(diǎn)DP600330-470≥580A80≥190.18強(qiáng)度高、回彈大B420CL≥290420-520A5.65√S0≥280.17---------1.2DP600材料成型性能仿真分析[12]在傳統(tǒng)材料B420CL應(yīng)用上，寶鋼車輪積累了較為充實(shí)的生產(chǎn)或?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)，通過高強(qiáng)鋼DP600與傳統(tǒng)鋼B420CL在輪輻成形過程的仿真分析，為后續(xù)工藝工裝優(yōu)化設(shè)計確定關(guān)鍵參數(shù)。圖2、圖3分別給出了兩種材料落料拉伸工序FLD分析圖，通過成型性分析，DP600的高屈服強(qiáng)度特性，成形過程中，材料容易起皺。圖2DP600材料的落料拉伸工序FLD分析圖3B420CL材料的落料拉伸工序FLD分析Fig.2DP600FLDanalysisofpunchinganddrawingprocessFig.3B420CLFLDanalysisofpunchinganddrawingprocess圖4為一序拉伸結(jié)束的輪廓截面線，在相同的邊界條件下，DP600材料與B420CL相比，它的屈服點(diǎn)較高，因此它具有較大的彈性變形量，回彈現(xiàn)象比B420CL明顯。圖4DP600材料與B420CL材料回彈性對比圖5DP600成形工序性能分析Fig.4SpringbackpropertycontrastbetweenDP600andB420CLFig.5FormingpropertyanalysisofDP600圖5為成型工藝過程的數(shù)值模擬，DP600材料的特點(diǎn)決定了輪輻外緣與中心孔外緣的回彈較為明顯，有較明顯的傾角。此外靠安裝面?zhèn)鹊膱A弧段半徑較大，回彈造成的偏差也較大。2輪輻工藝工裝設(shè)計優(yōu)化2.1落料拉伸工藝?yán)旄叨葍?yōu)化設(shè)計輪輻落料拉伸工藝及模具是將落料及拉伸工藝合二為一對輪輻進(jìn)行初成型，用一次定位的方式保證輪輻中心孔和輪輻外緣的同軸度，以保證輪輻的加工質(zhì)量。輪輻落料拉伸工藝主要是以材料拉伸為主，根據(jù)DP600材料延伸率不高的特性，材料不宜過量拉伸，加之考慮到后續(xù)工藝（拉伸、彎曲、擠壓等）的成型性，在不減少中間材料的情況下，將落料拉伸的凸包高度由原先的85mm降低到82mm如圖6所示，不僅降低了材料開裂的風(fēng)險，而且提高了產(chǎn)品的表面質(zhì)量，減少起皺。傳統(tǒng)材料與DP600材料拉伸工藝設(shè)計參數(shù)對比見表2。圖6落料拉伸工藝?yán)旄叨仍O(shè)計對比圖Fig.6Punchinganddrawingheightcontrastofdrawingprocess表2B420CL材料與DP600材料拉伸工藝參數(shù)設(shè)計對比表Table2PunchinganddrawingprocessparameterscontrastbetweenDP600andB420CL名稱B420CL材料DP600材料凸包高度85mm82mm圓弧半徑72mm65mm中心線長度195.6mm194.9mm壓邊寬度23.8mm25.1mm2.2成形工藝凸模外圓優(yōu)化設(shè)計圓弧R（如圖7所示）設(shè)計與產(chǎn)品圓弧有關(guān)，DP600材料R為7.5mm，模具的圓弧設(shè)計將圓弧角相應(yīng)的放小，補(bǔ)償了一部分在圓弧上的反彈。直線段L1是保證輪輻外圓尺寸的一段重要尺寸，不僅保證了整個產(chǎn)品的直線，而且還對工件脫模有輔助作用，同時以2°斜角作為回彈的補(bǔ)償角。圖7成形工藝凸模外圓設(shè)計Fig.7Maledieexternalrounddesignofformingprocess2.3成形工藝凹模外圓直邊優(yōu)化設(shè)計圖8所示，直邊L（L=L1+L2+L3+L4）是成型模的工作深度，它包括工件位于凹模內(nèi)的直邊長度、切邊量、安全高度和合理避讓高度。工作深度要適當(dāng)，若過小，零件回彈大，不平直，導(dǎo)致輪輻外徑超差；若過大，則過多消耗模具鋼材，且需要較大的機(jī)床行程，同時也會增加機(jī)床工作壓力以及輔助工藝力（打料力、卸料力和頂件力）。圖8成形工藝凹模外圓直邊設(shè)計圖Fig.8Femaledieexternalroundstraightedgedesignofformingprocess根據(jù)拉深工藝材料轉(zhuǎn)移的特性，“多余三角形”材料轉(zhuǎn)移的結(jié)果，一方面要增加工件的高度，可根據(jù)凸、凹模間隙、材料塑性、拉深相對高度作適當(dāng)選取，此高度與輪輻結(jié)構(gòu)有關(guān)，根據(jù)設(shè)計原則應(yīng)盡可能取小值，這樣不僅可以減小模具加工量降低模具成本，而且還可以減少機(jī)床行程。另一方面要增加口部壁厚，所以切邊量L2=切邊模切邊量增加2～4mm。2.4輪輻翻邊工藝優(yōu)化設(shè)計由于DP600材料在輪輻翻邊成型的過程中起皺現(xiàn)象明顯，大大降低了輪輻工件的成型質(zhì)量，有時甚至淪為廢品。為了減少翻邊起皺現(xiàn)象的發(fā)生，現(xiàn)將輪輻翻邊工藝進(jìn)行優(yōu)化。如圖9所示，傳統(tǒng)工藝是將輪輻先翻邊，然后按產(chǎn)品尺寸要求對翻邊進(jìn)行切邊，以滿足要求。為了減少起皺現(xiàn)象的發(fā)生，優(yōu)化后的工藝，在翻邊之前，先將輪輻按照一定尺寸進(jìn)行切邊，然后再進(jìn)行翻邊，由于先切邊再翻邊，使翻邊長度大大減小，這樣可以有效的減少翻邊起皺現(xiàn)象。圖9翻邊工藝優(yōu)化設(shè)計對比圖Fig.9Flangingprocesscontrast3輪輻為DP600材料的車輪疲勞性能分析對輪輻分別用傳統(tǒng)B420CL材料和高強(qiáng)DP600材料的車輪進(jìn)行彎曲疲勞試驗(yàn)，并進(jìn)行了比較，試驗(yàn)結(jié)果見下表3。表3傳統(tǒng)B420CL材料和高強(qiáng)DP600材料的車輪彎曲疲勞性能對比表Table3FatiguepropertycontrastbetweenDP600wheelsandB420CLwheels載荷類型（KN·m）要求循環(huán)壽命實(shí)際疲勞壽命（輪輻為B420CL材料）實(shí)際疲勞壽命（輪輻為DP600材料）3300≥40,00032,456次～52,389次62,567次～90,584次2200≥400,000100,505次～149,808次456,421次～679,309次圖10對數(shù)軸S-N曲線圖Fig.10LogarithmicaxisS-Ncurve圖10給出了輪輻為DP600材料車輪對數(shù)軸S-N曲線圖（K值圖），其中黑色實(shí)線代表我們制作的樣件的試驗(yàn)結(jié)果，可以看出其斜率（K）基本接近或大于圖紙要求的虛線的斜率，這說明輪輻為DP600材料在滿足車輪通過工藝模具優(yōu)化后，其疲勞性能得到較大提高。4結(jié)論本文與傳統(tǒng)材料進(jìn)行對比，分析了DP600材料成型性能，通過工藝模具優(yōu)化設(shè)計解決了高強(qiáng)材料回彈嚴(yán)重的問題。通過工藝優(yōu)化，解決了DP600材料翻邊成型起皺嚴(yán)重的問題，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量。DP600材料具有很好的節(jié)能環(huán)保作用，填補(bǔ)了國內(nèi)同級別材料的空白，開創(chuàng)了國內(nèi)車輪行業(yè)自主研發(fā)使用高強(qiáng)材料的新時代。采用高強(qiáng)鋼DP600生產(chǎn)的車輪重量比同規(guī)格的車輪重量減輕約20%，降低了企業(yè)材料成本，同時也大大提高了車輪的疲勞壽命，從而提高了企業(yè)競爭力。最后，在這里特別說明，寶鋼研究院黃鎮(zhèn)如博士、石磊博士、張建蘇博士對DP600材料性能分析提出了很多寶貴的資料和建議，寶鋼車輪徐紹國、葉衛(wèi)東等同事對高強(qiáng)鋼車輪研發(fā)過程給予了大力支持，他們?yōu)楸疚牡难芯恳哺冻隽诵燎诘暮顾诖?，再一次對他們表示感謝。參考文獻(xiàn)[1]ThomasHeck.PresentationofAutomobileSteelWheel:TheRoadtoDualPhase[R/OL],HayesLemmerzInternationalPress,AmericanIronandSteelInstitute[2006-02-14].[2]MangononPL.EffectofAlloyingElementsontheMicro-structureandPropertiesofaHot-RolledLowCarbonLowBainiticSteel[J].MetallTrans,1976.9A.9A:1389.[3]FangHong-sheng,TanZhun-li,BalBing-zhe.CharacteristicsofMn-seriesBainiticSteelsandItsRecentDevelopment.ProceedingsoftheJointInternationalConferenceofHSLAsteels2005andISUGS2005,2005.[4]S.H.Cho,K.B.Kang,J.J.Jonas.Thedynamic,staticandmetadynamicrecrystallizationofaNb-microalloyedsteel.ISIJInternational,2001,41,41(1):63-69.[5] 蘇凱,余際星，徐建兵.新型汽車用高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢.鋼鐵釩鈦.2006,27(4):53-57.[6] 馬鳴圖,M.F.Shi.先進(jìn)的高強(qiáng)度鋼及其在汽車