新材料纵梁成形开裂问题的分析与解决措施

修红芳 王斌

摘 要：对屈服强度为700MPa级超高强度大梁钢在冲压过程中出现的严重开裂进行分析，结果表明冲压工艺孔位置及工艺孔内断面裂纹是大梁板冲压开裂裂纹源产生的主要原因， 超高强度大梁板冲压或剪切断口易产生层状裂纹倾向与材料厚度中心珠光体带状组织有关， 超高强度大梁折弯变形区域在设计中应避免出现工艺冲孔。根据这一主要原因，制定了改进冲孔的模具间隙，工艺路径以及减孔移孔等措施，有效地解决了新材料成型大批量开裂问题。

关键词：新材料;冲压;开裂;工艺孔;加工工艺

0 引言

随着对汽车轻量化、节能环保及安全性能的高要求，汽车零件越来越多地采用高强度钢板。轻量化是最主要措施，使用屈服强度700MPa级大梁钢代替345MPa级大梁钢，可以减重20%左右。公司也逐渐使用高强度大梁板来对纵梁材料进行升级换代，以降低纵梁厚度和车辆自重。本文所述材料即为公司试用的一种屈服强度为700MPa级超高强度大梁钢，在试冲压过程中，大梁出现开裂现象，现从材料的物理性能，化学性能及工艺路径等方面来分析形成开裂的原因，并制定相关的措施来解决开裂问题。

1 新材料纵梁开裂形貌

从开裂式样宏观形貌来看，开裂状态分两种，一种为从孔到边缘全部撕裂，另一种为孔边缘处存在裂纹。

2 影响零件开裂的主要因素：材料因素和工艺因素

冲压开裂是钢板在使用过程中的常见缺陷。要经过弹性变形→均匀塑性变形→分散性失稳→集中性失稳这几个阶段才产生破裂。不同变形条件下，各材料影响因素和工艺影响因素对材料的极限变形能力影响程度差异很大，相同因素在不同条件下的影响也大不相同。

3 材料性能检测分析结果

材料参数是影响零件成形极限的重要指标，其主要参数包括化学成分、屈服强度、抗拉强度、延伸率等。为确定材料对开裂问题的影响，做了试验，由化学成分检测结果看，QSTE700TM各元素化学成分均满足宝钢技术条件要求。

3.1 力学性能检测

（1）力学性能。拉伸力学性能完全满足技术条件要求，超高强度钢的屈服强度达到770MPa，抗拉强度达到840MPa，延伸率在21.5%以上，且冷弯表面无裂纹，说明该材料在具有超高强度的同时具有高的塑性。

（2）拉伸试样断口形貌。断口发现严重分层现象，其中最严重处为试样断口约厚度中心部位，产生整条撕裂，侧面裂纹扩展约10mm。

3.2 组织和夹杂物检测

开裂区域和正常区域金相组织和非金属夹杂物检测分析结果如下。

（1）正常区域试样检测结果：组织为铁素体，中心区域有珠光体条带，存在混晶组织，非金属夹杂物主要为少量细系氧化铝类和球化的细系氧化物类夹杂，级别很低均为0.5级，说明此钢钢水纯净度高，且夹杂物球化变性效果明显。

（2）开裂区域检测结果：试样上有数条与表面不连通的裂纹，裂纹内未见夹杂，裂纹附近组织为铁素体。

4 分析和讨论

从以上分析可以看出：试样化学成分中P、S含量低，且钢中非金属夹杂物级别低，钢水纯净度高，排除了非金属夹杂物引起冲压开裂因素。力学性能检测和冷弯试验表明试样强度高塑性好。大梁折弯变形另一侧未冲孔，未发生开裂，进一步说明冲孔及工艺孔内断口裂纹是大梁发生开裂的裂纹源。

5 解决方案

5.1 大梁板材由型号QSTE700更改为QSTE650

QSTE650材料相对于QSTE700的延伸率有较大的提高，且强度降低了50MPa，采用QSTE650的材料来代替QSTE700。

5.2 调节数控机床的冲裁间隙

结合计算合理间隙计算公式和合理间隙表把数控冲机床的凸凹模间隙由2mm改为1.8mm。

5.3 纵梁加工工艺改进

新材料纵梁翻身冲孔成型：等离子切割机下料切割外形——数控冲机床板材翻身冲孔——6000吨油压机板材翻身成型。

（1）翻身冲孔成型。调整冲孔方向和板料成型方向，即翻身成型，使冲孔毛刺在凸模一侧，光亮带在凹模一侧。

5.4 减孔和移孔

成形过程中，板材受力变形的位置主要集中R角附近，而该位置附近有孔，或者孔位距离R角较近时容易发生拉伸开裂问题。开裂的位置一般在冲孔处，然后延伸。规定孔边到腹面或者翼面的距离必须大于或者等于额定值，避免在纵梁变形区存在孔，尽量减少拉应力对孔的影响，消除变形区孔对成型开裂的影响。

6 结论

新材料成形开裂问题是影响纵梁轻量化实施的重要因素，逐一排查影响纵梁开裂的因素，最终确定主要因素为：孔加工工艺因素，即冲孔及工艺孔内断口裂纹是大梁发生开裂的裂纹源。此外，材料的强度过高，延伸率低也是成形开裂的另一原因。针对问题的根源制定如下措施：

（1）運用性能相近的QSTE650材料代替QSTE700高强度板。

（2）调节数控机床的冲裁间隙，把数控机床的冲裁间隙由原来的10mm厚*20%=2mm，调节为1.8mm，有效地改进了孔位断面质量。

（3）纵梁加工工艺改进。采用数控冲机床翻身冲孔成型的方式，确保成型时孔内的光亮带向外，撕裂带向内的模式。避免由于孔位断层引发的开裂。

（4）减孔和移孔。对纵梁多余的孔进行去除，一方面提高纵梁强度和冲孔效率，另一方面杜绝了孔位对纵梁成型的影响。以上针对新材料成型问题的措施，有效地解决了纵梁开裂问题，新材料产品的报废率从39.13%逐步降低到零。

参考文献：

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