QStE650TM高强钢的变截面纵梁冲压可行性研究

刘智彬， 彭金明， 李海全， 许兰锋， 方玉荣， 贾颖莲

（1.江西交通职业技术学院， 江西 南昌 330031；2.江铃汽车股份有限公司， 江西 南昌 330200）

0 引 言

轻型卡车在工农业生产和人们的日常生活中占据着越来越重要的地位，为响应国家实现“碳达峰”、“碳中和”的战略目标，各汽车制造企业加大汽车轻量化设计技术的研发力度，以减少燃料的消耗，降低CO2的排放量。研究结果[1]表明，传统汽车整车质量每减轻10%，可降低燃料消耗6%～8%，车辆每减轻质量100 kg，CO2排放量可减少约5 g∕km。车架作为卡车最重要的承重构件，其强度指标关乎整车的安全性能，该总成质量约占整车质量的1∕4[2]。因而，在保证车身性能的前提下，将车架进行轻量化设计可为整车减轻质量带来显著效果。纵梁作为该总成中质量最大的单一零件，采用高强钢可实现纵梁减薄与减轻质量。

轻型卡车纵梁具有变截面特点（见图1），其型面结构复杂，诸多学者及生产厂家对纵梁的冲压成形研究大多集中在屈服强度低于500 MPa的钢材，而随着钢板强度的增加，纵梁的成形性能变差，尺寸偏差更难控制。吴国峰等[3]针对屈服强度大于250 MPa的高强钢冲压成形的特点，分析了此类钢板典型冲压问题，提出了对角度控制、纵向扭曲的解决方案。郑光文等[4]通过Dynaform仿真软件分析了屈服强度为430 MPa的卡车变截面纵梁成形情况，并采用过弯法修正模型，指导模具开发。胡乃兵等[5]研究了屈服强度为450 MPa高强钢变截面纵梁腹面回弹问题，通过多次回弹整改，满足了零件开发要求。杨向鹏等[6]统计了不同屈服强度的纵梁材料在不同卡车主机厂的生产情况，其中屈服强度低于500 MPa的板材多采用冲压工艺生产，而QStE650T强度级别钢材则多采用辊压成形工艺（见表1）。因此，通过模拟高强钢纵梁的冲压成形过程有助于提高其工艺的可行性和模具结构的合理性。

表1 国内主要卡车品牌纵梁的成形工艺

图1 纵梁结构形式

综上所述，已有科研人员对卡车纵梁的成形工艺进行了较多研究，并取得了一些可借鉴的成果。然而，针对轻型卡车变截面纵梁用屈服强度大于650 MPa、板厚大于4.5 mm的高强钢冲压成形工艺研究却较少，现以某轻型卡车纵梁为载体，研究了QStE650TM高强钢的变截面纵梁在冲压过程中的扭曲与回弹控制，以实现该车型纵梁的轻量化。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

试验以该纵梁的冲压工艺量产为目的，采用4.5 mm厚的QStE650TM高强钢，经等离子体发射光谱仪检测其化学成分如表2所示。

表2 QStE650TM高强钢的化学成分 质量分数

1.2 试验方法

按照国家标准GB∕T 228.1-2010对QStE650TM高强钢进行拉伸性能测试。在2批次板料上分别截取了与轧制方向平行（0°）、倾斜（45°）、垂直（90°）3个方向的拉伸试样。采用Autoform软件对4.5 mm厚QStE650TM高强钢变截面纵梁进行冲压成形性仿真，此外，采用ATOS 5X高精度三维蓝光扫描仪对零件的质量状态进行检测，并针对超差点制定模具回弹补偿方案，指导模具修正以达到量产质量要求。

2 结果与讨论

2.1 材料力学性能

图2所示为QStE650TM在3个不同方向截取试样的拉伸应力应变曲线，相应的力学性能结果如表3所示。与轧制平行、倾斜以及垂直3个方向的QStE650TM高强钢均具有高于700 MPa的屈服强度，同时还兼具20.0%左右的断裂延伸率，这表明该板材强度满足纵梁强度要求且具有一定的冲压可行性。此外，从塑性应变比和硬化指数可以看出材料在3个方向上存在各向异性，且该板材的抗失稳、变薄能力较弱、冲压成形相对困难。有研究表明[7]，力学性能的各向异性对弯曲板料的回弹行为有显著影响，这也可能是此纵梁在成形过程出现扭曲、回弹的内因。

图2 QStE650TM高强钢3个方向的应力应变曲线

表3 不同批次QStE650TM在3个方向的拉伸力学性能

2.2 冲压仿真分析

根据拉伸试验获得的力学性能参数，利用Autoform对QStE650TM变截面纵梁进行成形仿真分析，其中材料参数设置如图3所示，该纵梁端部变截面区域的腹面和翼面存在较大的面超差，这也预示冲压后此端部将产生型面回弹（见图4（a））。根据以往模具开发经验并结合仿真结果，针对回弹量大的区域，在模具设计时就要完成1轮回弹补偿。图4（b）、（c）分别为早期模具试制零件腹面和翼面的蓝光扫描状态，从图4（b）可以看出，纵梁变截面区域的腹面存在5.5～7.4 mm的回弹；从图4（c）可以看出，纵梁变截面区域翼面存在不同趋势的型面变形，靠近A侧的翼面型面存在正超差，而靠近B侧的翼面存在负超差。因此，从试制零件的检测数据可以确认其变截面区域存在腹面回弹以及翼面的扭曲。

图3 Autoform仿真材料参数

2.3 仿真分析指导模具维修

回弹、扭曲是影响冲压件几何精度的重要因素，对于高强钢纵梁更是如此。考虑零件板材性能及造型，在设计回弹修正工艺时应从腹面经侧壁再过渡到翼面。为满足零件装车要求，进行了3轮回弹、扭曲修正。第1轮在模具设计阶段实施，以确定回弹修正方向为主并预留足够修改模具零件的余量，第2轮明确回弹整改量，第3轮根据修正后的尺寸状态进行微调，其中后2轮的回弹补偿量约为蓝光扫描所测零件回弹量的2倍。模具维修如图5所示，其中腹面区域的回弹修正主要是对变截面区成形凸凹模进行调整。如图5（a）所示，对图示1#、2#凹模镶件垫高15 mm，此后根据图4（b）所示回弹量的2倍反向修正零件图进行数控加工，凸模对应凹模随形修正。此外，针对翼面扭曲状态，对翼面朝外回弹的凹模进行补焊和加高，并在对应的凸模镶件立面设计3°负角（见图5（b）），以增加成形时朝“U”形口内侧的侧向挤压力。修正后模具实物如图6所示，生产所得零件的扫描检测状态如图7所示，变截面区域的腹面回弹和翼面扭曲都得到了有效改善。通过冲压成形仿真结合模具修正经验值，对模具进行了3轮有效维修，经量产确认零件尺寸合格，实现了QStE650TM变截面纵梁的冲压生产。

图4 QStE650TM变截面纵梁Autoform仿真及试制零件蓝光扫描结果

图5 模具维修

图6 模具变截面区凹模型面修正后状态

图7 修正后零件变截面区域

3 结束语

通过分析材料力学性能对纵梁冲压成形的影响，结合Autoform仿真及零件试制结果，对零件回弹及扭曲变形原因进行分析，指导模具维修，确定QStE650TM变截面纵梁的冲压生产可行。

（1）QStE650TM高强钢在与轧制平行、倾斜以及垂直3个方向均具有高于700 MPa的屈服强度，但同时也存在各向异性，对零件回弹预测有一定影响。

（2）冲压成形性仿真有助于预测变截面纵梁的回弹趋势，但由于变形过程中的应力应变以及材料硬化指数的变化，实际回弹或扭曲量与仿真结果有所差异。

（3）通过仿真模拟结合模具回弹修正经验，实现了此高强钢纵梁在行业内的量产突破，不仅满足了车辆载重对零件的强度要求，还在一定程度上对车辆的降耗减排做出贡献。