设计改进将充分发挥AHSS的优异性能
从设计角度来看,AHSS总体上是很受设计师欢迎。然而,零件采用较薄料厚却承受极高应力,这促使设计重点集中在如何充分发挥材料的潜能上。在设计方面遇到的挑战包括局部失稳效应、刚度的下降、结构稳固程度和疲劳问题。只有采用正确的设计和制造工艺,这些挑战才能得到解决。AHSS的强度:双相钢和马氏体钢具有很高的初始屈服强度。除此之外,当冷成型时,它们还表现出显著的加工硬化特点,在涂装过程还产生烘烤硬化效应。典型的加工硬化是当应变2%时提高约150MPA的强度,而典型的涂装过程产生的烘烤硬化效应再次提高的强度约为50MPa。
除加工硬化和烘烤硬化效应之外,AHSS还表现出应变速率强化效应。也就是说,AHSS在更高的塑性变形速度之下能够抵抗更高的应力。这种现象对应的强度增加约为100MPa,得自车身局部受到撞击时产生的高应变速率。
避免局部失稳的方法:AHSS的高强度是白车身(BIW)、保险杠系统、车门防撞梁、座椅结构等部件减重的有效工具。对于现实中的安全部件来说,可能实现的减重效果在很多情况下介于纯平面应力或纯折弯应力两种极端状态之间。然而,纯折弯应力状态却不是一个安全的减重下限,这是因为大柔度的设计可能产生局部失稳。
设计师选用AHSS时应更加强调采取避免局部失稳的措施,以便充分利用材料的高强度。必须采取一些措施来避免纯折弯应力状态。例如,通过采用梁件,一个整体弯矩能够得到最好的传递;辊压成型的复杂截面和管状截面构成刚度很好的结构,可用来优化设计和制造出能够抵御各种弯矩的高刚度几何形状;引入加强筋会降低柔度,并且加强边角约束,从而使AHSS的优异性能得以充分发挥。
增加刚度的方法:当材料的厚度降低而其他参数不变的情况下,单一部件的刚度在材料升级过程中会发生损失。一种增加刚度的方法是改变产品外部几何形状,加大外部轮廓尺寸,这样可以弥补因为降低厚度而发生的刚度损失,同时仍然保持大幅度减重。其他方法包括:局部几何加强筋,比如,沟槽、在孔边加突缘、折边或压痕。这些加强筋也可以抑制局部失稳,降低成型时的回弹,提高尺寸精度。
在很多情况下,连接方式很大程度地影响了刚度。在连接方式设计上多下功夫将会明显改善产品性能。比较典型的方法,如增加焊点的数量和焊面的数量,或者采用连续焊。封闭截面的刚度要高于开放截面。
增加结构结构稳固的方法:对于吸能盒等受力模态为轴向压溃的零件,如果是规则的矩形管,其能量吸收与厚度的平方成正比,与材料的抗拉强度成线性关系。当材料的强度增加而厚度降低时,在轴向变形过程中,级进式溃缩随着变形的加剧而越发难以完美实现。为增加结构稳固程度,可以采用有效的溃缩引导槽设计或者改变整体几何形状。对于车门防撞梁等受力模态为三点弯曲的零件,不同的设计可以导致截然不同的吸能效果,无经验公式可循。最好的办法是在设计的最初阶段就开始咨询SSAB方面的设计专家。
合适的成型工艺带来全新机会
大部分AHSS都具有良好的成型性,可以采用常规的成型工艺。但是,在某些情况下,工艺过程要更多考虑材料的特性并进行调整。部件经过重新设计后,与软钢相比不足的成型性可以得到补偿。AHSS常常可以采用与普通钢板相同的工艺来加工,因为厚度是决定冲压、折弯和剪切力的因素之一。目前,辊压成型是汽车行业中最有发展潜力的成型技术。辊压成型
对于辊压成型而言,Docol Roll系列产品是SSAB产品线中的佼佼者。这个系列的钢板具有适合辊压的完美性能,如良好的成型稳定性,以及可以辊压出非常小的折弯半径。
辊压相对于折弯机冷弯来说对材料的要求比较低,因此可以生产截面非常复杂的型材。也可以生产折弯半径很小的产品。而且,辊压生产同时或后续还可以进行其他操作,如冲孔、焊接和折弯。
拉深成型、碰撞成型结合拉延成型
拉深成型就是将全部或者大部分坯料压入凹模的深冲过程。而在拉延成型过程中,当板料被压边圈完全压死时,所有的塑性变形都发生在凸模与压边圈之间的那部分材料。从更好的成型性来看,拉深成型更适合AHSS,因为相对于其强度来说AHSS的深冲性能很好。甚至AHSS的深冲性能随着板料形状的优化可以得到提高。
但是,最大的麻烦往往并非来自于材料的成型性不足,而是来自于对回弹的控制。为了防止起皱,需要使用压边圈,但必须选取适冲的压边力,来保证材料流入模具时不会由于压边力过大而产生拉延,导致材料过分减薄。对于很多零件来说,不使用压边圈,即“crash forming”(碰撞成型),也可以得到非常好的降低回弹效果。为了进一步降低回弹,整个工艺过程可以先采用碰撞成型,在板料接近凹模底部时以冲压工序结束,此时需要使用压边圈以便产生足够的拉延。
翻边
翻边成型前后的孔直径的比率叫做翻边率。对于AHSS的翻边成型而言,确定落料毛刺的位置非常重要。在翻边的时候,板料的放置应当使落料毛刺的方向与凸模运行方向相反。这是由于翻边的外层组织承受最剧烈的形变。因此,许多表面缺陷,如落料毛刺应该被置于翻边的内层组织,以达到最佳的翻边性能,最大程度降低裂纹的出现。
折弯与回弹
在折弯钢板的时候,钢板被施以弯矩,直至钢板外缘经受拉应变而内缘经受压应变。折弯性能随强度的增加而下降。在折弯AHSS板材时,回弹问题会更加显著。然而,在折弯时增加材料的塑性变形可以抵消回弹。这可以通过材料的过弯补偿、减小凸模圆角或凹模开口宽度来实现。引入加强筋,也可以降低回弹。选择合理的凸模圆角,结合合理的凹模开口宽度对于折弯AHSS至关重要。
在成型开始时对材料进行拉深,在结束时进行拉延都可以有效地减少回弹效应。我们不建议在整个成型过程中都增加摩擦阻力。为了阻止更大的回弹比如侧壁曲面回弹,通常的做法是减小拉深圆角,从而增加摩擦阻力以阻止材料流入模具,但是这样会导致材料开裂的风险过大。
成型极限曲线
成型极限曲线(FLC)反映了在特定变形路径或在特定变形条件下材料可以承受的最大变形量。为了测量某个冲压件的应变,需要事先在板料上蚀刻上围棋盘状网格。每个矩形小方块的尺寸变化被记录下来,用以标定成型过程中的塑性形变。
通过这种方法,对于一个给定的冲压工件,材料各部位的主应变结果可以被记录下来,或者把相应的有限元方法模拟出的主应变结果绘制在图表中,与该材料的成型极限曲线相比较。如果得到的结果在曲线下方,该材料就可以承受此冲压过程带来的变形量。
剪切和落料
在剪切先进高强度钢时,剪切操作要根据钢板的硬度、料厚和剪切强度做调整,同时也要和剪板机或其他设备的设计、刚性和耐磨程度相匹配。选择正确的剪板机刃口间隙非常重要。刃口间隙由板材厚度、钢板强度和对剪切边缘的外观要求所决定。板材越厚,钢板强度越高,要求刃口间隙越大。
剪切力随抗拉强度的增加而增加,但是使用AHSS一般都带来钢板厚度的降低,所以要求的剪切力的也随之大幅降低。多数情况下,剪切力维持在剪切软钢时的水平,因此无需更新现有的剪切设备。






