复相钢CP800 典型零件冲压开裂原因分析与改进

陈东辉，张玉龙，陈明

（1.宝山钢铁股份有限公司中央研究院，上海 201900；2.汽车用钢开发与应用技术国家重点实验室（宝钢），上海 201900）

随着碰撞法规及能源环保的日益严格，高强度钢板在汽车上的应用比例越来越高。常规的先进高强钢如双相钢、复相钢、马氏体钢等各具特点，已广泛应用于各种车身和底盘类零件[1—3]。复相钢（CP）作为第一代先进高强钢的一种，与其他同级别钢种相比，具有优异的扩孔性能、良好的弯曲性能和翻边成形性，更适用于制造形状复杂的汽车底盘类零件[4—5]。

近年来，热轧酸洗复相钢CP800 在底盘件中的应用越来越多[6—7]，然而随着零件强度的提高，冲压成形质量缺陷也日益增多，高强度复相钢在底盘结构件上的应用研究也得到挑战。文中以底盘拖曳臂外壳零件为研究对象，从冲压开裂问题入手，借助CAE仿真手段分析了材料、工艺、模具等对开裂的影响，提出优化改进方案，对冲压开裂缺陷进行改善，为同类复相钢零件的冲压工艺设计提供现实参考。

1 工艺性分析及开裂现状

1.1 零件特征

拖曳臂外壳是汽车底盘零件中比较典型的拉延类结构件，零件数模如图1 所示。从零件特征进行分析，发现左右两侧不对称，空间上存在扭曲，表面有较多特征，采用成形工艺不易实现，只能考虑拉延成形工艺。由于拉延深度较深，可以预估该零件成形具有一定风险。

图1 拖曳臂外壳Fig.1 Outer shell of trailing arm

1.2 开裂现状

该零件采用五序成形的工艺排布，一模两件，工艺方案为拉延-修边-修边冲孔-分离-翻边整形，用户反馈该零件自投产开始，生产即不稳定，报废率在0.5%左右，个别材料开裂率达到100%。生产现场对开裂卷进行冲压调试，发现零件在拉延序即出现开裂，开裂发生在底部拐角圆弧处，拉延工序模面和开裂区域如图2 所示。

图2 拉延序模面及开裂区域Fig.2 Drawing die surface and cracking region

2 原因分析及改进方案

2.1 材料性能检测

该零件采用宝钢热轧酸洗CP800 材料，对开裂卷取样进行力学性能检测，见表1。整体来讲此卷的强度偏高，抗拉强度约890 MPa，断裂伸长率虽然满足大于10%的技术指标要求，但是均匀伸长率相对较低，为4.0%～4.5%。对开裂处显微组织进行分析，没有发现偏析和断层，显微组织没有明显异常，如图3 所示。

表1 力学性能检测结果Tab.1 Test results of mechanical properties

图3 显微组织分析结果Fig.3 Microstructure analysis results

2.2 CAE 仿真分析

采用数值模拟软件AUTOFORM 进行拉延序成形分析。将初始拉延模面导入AUTOFORM 软件中，按照工艺方案完成定义，如图4 所示。分析所用材料为宝钢热轧酸洗CP800 材料，厚度为2.6 mm。仿真硬化模型采用APROXIMATION，屈服模型为Barlat，成形极限FLD 采用实测曲线输入，单元类型采用壳单元进行计算[8—9]。

图4 拉延序分析模型Fig.4 Analysis model of stamping process

拉延序成形性分析结果如图5 所示。成形极限图（Forming limit diagram，简称FLD）是薄板成形工艺分析和工艺设计的有效工具[10]，从零件变形最终应变在FLD 中的分布及安全裕度可知，底部拐角圆弧处安全裕度偏低，成形极限图（见图5c）中已接近FLC 曲线，处于临界状态，成形过程有开裂风险，分析结果与现场实际开裂位置一致。另外，从应变状态分布可知，零件变形兼有单向拉伸、平面应变和胀形3 种状态，其中开裂区域的变形为单向拉伸状态，最大减薄率为16.7%。

图5 成形仿真分析结果Fig.5 Simulation results of drawing process

2.3 影响因素分析

通过上述对初始模面的仿真分析，再现了现场冲压时出现的开裂问题，说明该零件自投产之初模具与材料匹配性便不佳，原工艺参数存在不合理之处。冲压成形过程中，材料、工艺和模具等影响开裂的因素较多，如材料、压边力、板料形状、板料厚度、润滑状态、模具圆角、板料性能等[11—12]，使变形过程异常复杂。为解决开裂问题，需要从多方面进行分析，改善材料流动和应力应变状态，确定有效的改进措施，以确保成形质量。

2.3.1 材料性能

对于超高强钢而言，屈服强度、抗拉强度、加工硬化指数n和伸长率[13—14]是影响成形的重要参数。在实际生产过程中，供货的材料性能必然存在波动，对零件安全裕度造成影响。通过对不同批次CP800材料性能及冲压情况跟踪，发现均匀伸长率参数波动较大，借助有限元仿真分析，验证不同均匀伸长率对开裂区域成形性影响，以确定合理的控制指标。

保持材料性能参数抗拉强为813 MPa，摩擦因数为0.15 和r值不变，分别取材料均匀伸长率为8%,6%,5%,3%进行仿真计算。结果表明，随着均匀伸长率的减小，开裂区域最大减薄增大，成形后零件的最大减薄率分别为16.7%,18.3%,19%,22.5%。当均匀伸长率减少至5%时，部分网格应变已超过FLC 曲线，表明零件已处于破裂状态，如图6 所示。仿真分析结果说明随着材料均匀伸长率的下降，材料成形性能降低，增大了破裂的可能性。

2.3.2 凹模圆角

在模具中对应开裂区域放大凹模圆角，可以减少局部坯料流动阻力，降低冲压开裂风险。针对开裂区域，在CAE 分析中将凹模特征圆角半径从R9 mm 放到R12 mm，分析结果显示开裂风险有所改善，最大减薄率由16.7%下降至16.3%，如图7 所示。在不影响产品特征的前提下，放大该区域圆角对于开裂有改善作用。

2.3.3 润滑效果

在冲压过程中，无润滑条件下，钢板与模具之间摩擦因数较大，使材料在模具表面流动时产生很大的摩擦和发热，影响成形性能。提高钢板表面润滑效果，可以降低冲压摩擦因数，从而提高钢板的成形性能[15—16]。在CAE 分析中，将摩擦因数由0.15 降为0.12，验证对冲压开裂的影响。分析结果显示最大减薄率由16.7%下降至15.7%，如图8 所示，开裂风险有明显改善。

图6 均匀伸长率为5%时成形仿真分析结果Fig.6 Simulation results of drawing process at 5% uniform elongation

图7 放大凹模圆角后成形仿真分析结果Fig.7 Simulation results of drawing process after enlarging the die fillet

图8 减小摩擦因数后成形仿真分析结果Fig.8 Simulation results of drawing process after reducing friction coefficient

2.3.4 坯料边界

开裂区域处于拐角圆弧处，在冲压过程中受到多重拉应力，在成形过程中该区域材料流动过快，钢板迅速变薄，在某点产生应力集中，当拉应力超过钢板允许最大强度时，板材迅速失稳，产生开裂。在CAE分析中对坯料拐角边界优化做顺，圆弧半径外扩放大6 mm，结果显示开裂风险明显改善，最大减薄率由16.8%下降至15%，如图9 所示。对坯料圆弧半径进一步外扩放大至15 mm，结果显示开裂风险可完全消除，最大减薄率由16.8%下降至14.3%，如图10 所示。从分析结果可知，开裂区域坯料外扩做顺后，材料流动性得到改善，成形性改善效果显著。

2.4 改进方案及实施效果

基于以上CAE 仿真结果，针对拖曳臂内壳零件，通过提升材料性能、降低摩擦因数、放大凹模圆角以及优化坯料边界，可以有效改善开裂区域的成形性能，其中优化坯料边界效果最佳，开裂风险可完全消除。提升材料性能有利于成形，但相应增加了钢厂的生产成本和控制难度，通过综合考虑，针对该零件提出了均匀伸长率≥5%的控制指标。降低摩擦因数需要加大零件表面涂油量，一定程度上增加了配套厂生产成本，暂不实施。

图9 坯料圆弧半径放大6 mm 后成形仿真分析结果Fig.9 Simulation results of drawing process after enlarging the radius of blank arc by 6 mm

图10 坯料圆弧半径放大15 mm 后成形仿真分析结果Fig.10 Simulation results of drawing process after enlarging the radius of blank arc by 15 mm

针对该零件冲压开裂问题，最后确定改进方案如下：①放大开裂区域凹模圆角，改善局部区域材料流动；② 优化坯料边界尺寸（放大圆弧半径 6～15 mm），提高开裂区域整体安全裕度；③加严CP800材料性能控制，均匀伸长率按≥5%要求。生产实践验证，在后续的底盘拖曳臂外壳零件批量冲压生产过程中，未再出现开裂现象，现场生产稳定性得到了大幅度提高。

3 结论

1）针对热轧酸洗复相钢CP800 在底盘拖曳臂外壳零件应用过程中的开裂问题，借助CAE 分析手段，分析了影响其成形性的主要因素，提出加严材料性能控制标准、优化坯料边界，及适当放大凹模圆角的改进措施，其中优化坯料边界效果最佳，开裂风险可完全消除。

2）均匀伸长率是复相钢CP800 材料的一个重要性能指标，对于典型拉延零件，稳定冲压所需的均匀伸长率控制范围为≥5%。