高强钢冲压工艺性能研究方法浅析

文/程大堂·中车齐齐哈尔车辆有限公司

高强钢冲压工艺性能研究方法浅析

文/程大堂·中车齐齐哈尔车辆有限公司

程大堂，工程师，主要从事铁路货车冲压工艺和模具设计工作，主持完成的工模具车间技术改造项目，将公司的模具制造技术提升为国内行业一流水平。

通过对某种高强钢进行必要的冲压工艺试验，对其冲压性能进行初步研究。为高强钢在重载铁路货车上推广应用奠定基础，为其他新材料钢材冲压工艺性能研究提供了可借鉴的研究方法。

随着我国重载铁路货车技术的发展，产品轻量化已成为其主要发展方向之一。为了实现产品的轻量化，产品结构大量采用高强钢成为其主要手段。根据我公司某一出口产品的设计需求，材料采用某种高强钢，这是该钢种在铁路货车领域的首次应用，为掌握其冲压工艺性能，我们进行了必要的冲压工艺试验，对其冲压性能进行了初步研究。

试验材料

该种高强度钢板在淬火状态交货。材料的化学成分见表1，机械性能见表2。

表1 化学成分

表2 机械性能

试验内容

根据该高强钢材料的化学成分及机械性能，我们设计了科学、详细的冲压工艺性能试验。

一般材质需要进行的冲压工艺性能试验主要有校平、剪切、切割、弯曲等。该材料特点是屈服强度高、硬度高、延伸率低。该材料为目前铁路货车领域屈服强度最高的材质，矫平机无法对其进行校平。针对此问题，我们通过与高强钢生产厂家联合研究探讨，保证出厂平面度符合我公司要求，取消校平工序，因此取消校平试验。由于该材料硬度高，需要特殊材料剪刃方可进行剪切，剪刃成本很高，且存在剪刃崩裂发生安全事故的风险，厂家不推荐剪切下料工艺，取消剪切下料工艺方法，因此取消剪切试验。切割成为该材料的唯一下料工艺方法，就要进行切割试验。而且该材料延伸率低，不易成形，因此还需要进行弯曲试验，研究其最小折弯圆角。结合实际生产存在滚圆零件，因此还要进行滚圆试验。综上，我们设计了包含切割、弯曲、滚圆等试验项目。

试验项目、试样的规格、试验装备详见表3。

表3 冲压性能试验内容

试验过程

切割试验

切割试验在等离子切割机上进行，目的是为了验证等离子切割过程对板材表面的影响。切割以下试样：⑴300mm×120mm× 4mm规格的板料16块（平行、垂直纤维方向各8块)；⑵300mm×120mm×6mm规格的板料12块（平行、垂直纤维方向各6块)；⑶400mm×400mm×20mm规格的板料4块（标出纤维方向)。断面及板材平面度如图1所示。

图1 板材切割断面及板材平面度

我们通过对切割后的板材平面度进行测量，验证了等离子切割过程对板材表面没有影响，观察切割后断面质量没有缺陷。

弯曲试验

弯曲试验是在数控折弯机上完成的，目的在于验证板料在切割条件下纵横两向的折弯性能以及最小折弯圆角。

⑴将t4厚度试样利用R6、R10、R15折弯圆角区分纤维方向分别进行90°折弯试验（图2），利用R50折弯圆角区分纤维方向进行60°折弯试验（图3）。

⑵将t6厚度试样利用R10、R15、R25折弯圆角区分纤维方向进行90°折弯试验，结果如图4所示。

通过试验可知，t4厚度试样进行垂直、平行纤维方向90°折弯试验过程中，当折弯圆角为R6、R10时，均出现毛细裂纹；在折弯圆角为R15时，圆角外侧光滑过渡，质量合格。对比外观质量，垂直纤维方向折弯区域与未折弯区域没有变化，平行纤维方向折弯区域存在轻微的折压痕迹。因此，t4厚度试样可按R15折弯圆角进行90°折弯，即约4倍板厚，且垂直纤维方向折弯质量优于平行纤维方向折弯。

图2 t4厚度板料90°折弯试验

图3 t4厚度板料R50 60°折弯试验

图4 t6厚度板料90°折弯试验

t4厚度试样在利用R50折弯圆角进行垂直、平行纤维方向60°折弯试验后，圆角外侧光滑过渡，质量合格；对比外观质量，垂直纤维方向折弯区域与未折弯区域没有变化，平行纤维方向折弯区域存在轻微的折压痕迹。因此t4厚度试样可按R50折弯圆角进行60°锐角折弯，即12.5倍板厚，且垂直纤维方向折弯质量优于平行纤维方向折弯。

t6厚度试样在进行垂直、平行纤维方向90°折弯试验的过程中，当折弯圆角为R10时，试样均出现明显裂纹；折弯圆角为R15时，垂直纤维方向90°折弯，出现毛细裂纹，平行纤维方向90°折弯，出现明显裂纹，说明垂直纤维方向折弯质量优于平行纤维方向折弯；折弯圆角为R25时，圆角外侧均光滑过渡，质量合格，对比外观质量，垂直纤维方向折弯区域与未折弯区域没有变化，平行纤维方向折弯区域存在轻微的折压痕迹。因此t6厚度可按R25折弯圆角进行90°折弯，即约4倍板厚，且垂直纤维方向折弯质量优于平行纤维方向折弯。

通过以上试验结果，我们可以得出如下结论：(1)该高强钢可按4倍板厚折弯圆角进行90°折弯；(2)垂直纤维方向折弯质量优于平行纤维方向折弯；(3)加大折弯圆角，高强钢可以进行锐角折弯。

滚圆试验

在进行滚圆试验前，首先尝试进行滚弧试验。滚弧试验是利用160t弯梁盖板压形模在500t油压机上完成的，目的在于验证厚板滚弧成形性能。

如图5所示，将t20厚度试样放置在下模上，上模加压，通过样板测量，逐步增大压力，最终成功成形R555圆弧。

滚弧试验的成功，为我们研究新的厚板滚圆技术提供了实践上的支撑。在此试验成功基础上，我们进行了深化试验——厚板滚圆试验。

滚圆试验针对产品进行工艺展开，精确计算出该件展开尺寸。试验过程如图6所示，首先采用等离子切割机下料，周边留量，然后采用机加设备将长度尺寸加工到展开尺寸，直接加工出焊接坡口，再利用500t油压机将该件两端头点压圆弧，然后上三辊卷板机滚圆成形。该工艺避免了两端留加长量、滚圆成形后端头不便切除及坡口难于加工的缺点，节约了材料成本与人工成本。

图5 t20厚度试样滚弧过程

图6 t20支撑环滚圆过程

结束语

通过以上研究，我们初步掌握了该高强钢的冲压工艺性能，为该钢材在铁路货车上的推广应用奠定基础，为其他新型钢材冲压工艺性能研究提供了可借鉴的研究方法。