H420LAD钢横梁零件翻边开裂原因分析及优化

田志俊 崔磊 陈德顺 刘阳 谷海容 李轶伦

（1.马鞍山钢铁股份有限公司技术中心，马鞍山 243000；2.马鞍山钢铁股份有限公司四钢轧总厂，马鞍山 243000）

1 前言

伸长类翻边成形是横梁类零件的常见制造工艺，其边部受拉应力作用，容易出现翻边开裂的问题。随着汽车用钢板强度的提升，其韧性降低，伸长类翻边成形中边部开裂的问题逐渐增多，限制了高强钢在汽车上的应用。目前，对高强钢边部开裂的研究集中在冲压工艺、冲裁边部质量、材料性能、软硬相强度差等方面[1-6]。赵广涛等[7]通过优化产品边界、减少翻边量，改善边部区域的应变状态，减少开裂区域的材料减薄率。张茜等[8]通过仿真和生产验证，证明了降低材料屈服强度、提高扩孔率对翻边开裂有改善，且扩孔率与零件边缘质量的关系更密切。惠亚军等[9]分析了“先冲压再压边工艺”与“先压边再冲压工艺”2 种工况下元宝梁的边部应力集中情况，采用后者材料边部变形均匀，可有效降低缩颈与开裂的发生。

针对热镀锌低合金高强钢H420LAD 翻边开裂的问题，从材料力学性能、压料力、模具间隙、翻边高度等方面，分析了导致零件翻边开裂的影响参数及影响因子。同时，通过优化坯料尺寸、调整模具间隙、减小翻边刀块到底距离等，降低了翻边开裂的风险。提出了伸长类翻边成形边部开裂的控制措施。

2 横梁翻边成形边部开裂原因分析

2.1 横梁零件冲压工艺及开裂位置

图1为某乘用车副车架横梁零件，采用1.8 mm 厚度的H420LAD 钢冲压成形。

图1 副车架横梁

零件经5 道工序冲压成形：OP10 落料→OP20压型、预翻边→OP30 翻边→OP40 冲孔+侧修边→OP50 冲孔+侧修边。其中，零件开裂发生在OP30 翻边工序，采用毛坯边部打磨、激光落料等方式，开裂问题依然存在，如图2 所示。调试结果显示，屈服强度较低的板料翻边开裂率低，但仅有约30%的量产板料满足要求，对零件的稳定生产不利。

图2 横梁在翻边成形时边部开裂

2.2 样板的力学性能检验

通过拉伸试验机对开裂零件样板进行单轴拉伸试验，试样标距为80 mm，检测样板3 个方向（0°、45°、90°）的基本力学性能指标，每个方向检测3 组，结果取其平均值。同时，设置冲裁加工的试样为试验组，测试冲裁加工对材料拉伸性能的影响。结果如表1 所示。

表1 H420LAD钢板拉伸性能参数

图3 为H420LAD 钢板的应力-应变曲线，图4为铣削、冲裁加工拉伸试样断裂形式。由表1、图3、图4 可知：0°、45°方向上，冲裁加工试样断裂伸长率不受影响；90°方向上，冲裁加工试样在均匀变形段即将结束时，局部微裂纹从试样边部向内扩展，导致异常断裂，均匀伸长率略有降低、断裂伸长率明显降低。

图3 H420LAD钢板的应力-应变曲线

图4 铣削、冲裁加工拉伸试样断裂形式

2.3 样板的成形极限试验

采用直径为100 mm 的圆柱形球头凸模进行成形极限试验，试样宽度分别为40～160 mm，图5 所示为成形极限模具示意和试样，图6 为H420LAD的成形极限图。

图5 成形极限模具示意图和试样

图6 H420LAD的成形极限图

2.4 零件成形仿真分析

为寻找横梁零件翻边开裂的原因，确定冲压工艺的优化方案，采用Autoform 软件对零件进行全工序仿真。将模具型面导入Autoform 软件，按照原工艺方案进行工序设定，其中，翻边工序有限元模型如图7所示。材料力学性能如表1所示，选取Swift-HS 硬化模型，屈服模型采用BBC 屈服准则，单元类型为壳单元，厚向积分点11个。

图7 翻边工序有限元模型

零件的全工序模拟过程，如图8 所示。该零件开裂发生在OP30 工序——翻边成形，通过对开裂位置的成形过程、应变路径、主次应变进行分析，研究零件件翻边开裂的原因。

图8 横梁的全工序模拟过程

零件开裂位置属于伸长类翻边成形，零件边部在拉应力作用下，存在拉伸减薄，拉应力方向与板料轧制方向夹角约为10°，图9 为OP30 工序零件翻边成形仿真结果。由表1、图3、图4 可知，0°～45°方向上，冲裁加工不会导致拉伸试验的断裂伸长率削弱，即冲裁加工不是该位置开裂的主要原因。

图9 OP30工序零件翻边成形仿真结果

图10 为零件翻边开裂位置应变路径。开裂位置的主应变为0.577、次应变为-0.222，主、次应变的比例约为2.608∶-1，趋向于单向拉伸应变状态。从开裂位置的应变状态可知，零件开裂的原因是翻边量过大，导致零件所需的成形性要求超过材料成形极限。

图10 零件翻边开裂位置的应变路径

经过分析，改善零件翻边开裂的措施有：提高材料的成形极限，可解决零件的翻边开裂问题，但涉及材料开发，周期长且结果不确定；开裂位置的应变路径向左侧旋转，使主、次应变比例趋向于2∶-1，即开裂位置的应变状态趋向于单向拉伸状态，增加零件的成形安全裕度。

2.5 零件翻边开裂的影响因素及影响因子

影响零件翻边开裂的参数很多，如板料厚度、屈服强度、拉伸应变硬化指数（n值）、塑形应变比（r值）、压料力、摩擦因数等，各参数之间还会互相影响，应用Autoform 软件Sigma 模块，综合分析零件开裂的影响参数，确定导致零件开裂的主要参数[10]。表2 为零件开裂的影响参数及影响因子。

表2 零件开裂的影响参数及影响因子

图11 为开裂位置主应变的影响参数。由图11、表2 中可知，摩擦因数、板料厚度、OP20 工序压料力、OP30 工序压料力等因素是零件开裂位置主应变偏高的主要因素，影响因子分别为11%、5%、3%、4%等。

图11 开裂位置主应变的影响参数

图12 为开裂位置次应变的影响参数。从图11、表2 可知，r值、n值是导致零件开裂位置次应变偏高的主要因素，影响因子分别为35%、8%。

图12 开裂位置次应变的影响参数

根据Sigma 分析结果，使主、次应变比例趋向于2∶-1，确定一组最优值，如表2 所示。仿真结果显示，开裂位置主、次应变分别为0.561、-0.235，主、次应变比例从2.608∶-1 变为2.387∶-1，零件成形安全裕度增至5.15%，如图13 所示。

图13 原方案优化后的冲压仿真结果

其中，r值与开裂位置主、次应变的关系如图14 所示，随着r值增大，零件边部在拉应力作用下抵抗变薄的能力愈强，仿真结果显示：开裂位置主应变最大降低0.88%、次应变最大降低11.90%，零件的成形安全裕度增加，最高占增量的57.98%。

图14 r值与开裂位置主、次应变的关系

n值与开裂位置主、次应变的关系如图15 所示，随着n值增大，开裂位置主应变降低4.59%、次应变增加2.08%，零件的成形安全裕度增加，最高占增量的30.85%。

图15 n值与开裂位置主、次应变的关系

屈服强度与开裂位置主、次应变的关系如图16 所示，随着屈服强度增大，开裂位置主应变在屈服强度在513 MPa 时开始下降、最大降低0.18%，次应变阶梯下降、最大降低1.29%，零件的成形安全裕度增加，最高占增量的8.06%。

图16 屈服强度与开裂位置主、次应变的关系

板料厚度与开裂位置主、次应变的关系如图17 所示，随着板料厚度的增加，开裂位置主应变最大降低0.18%、次应变维持不变，零件的成形安全裕度略增加。

图17 板料厚度与开裂位置主、次应变的关系

摩擦因数与开裂位置主、次应变的关系如图18 所示，随着摩擦因数的增大，开裂位置主应变不变、次应变最大降低0.43%，零件的成形安全裕度略有增加。

OP20 工序压料力与开裂位置主、次应变的关系如图19 所示，在100～116 kN 范围内随着压料力增加，开裂位置主应变略有增加，次应变维持不变。

图19 OP20工序压料力与开裂位置主、次应变的关系

OP30 工序压料力与开裂位置主、次应变的关系如图20 所示，开裂位置主应变不变，在166～183 kN范围内随着压料力增加次应变略有降低，零件成形安全裕度略有增加。

图20 OP30工序压料力与开裂位置主、次应变的关系

从原方案的优化分析结果可知，r值、n值、屈服强度等提升，尤其是r值的提升，是原方案优化后零件成形安全裕度提升在重要原因；摩擦因数、压料力、板料厚度对零件成形安全裕度的提升有限。

3 冲压工艺优化方案及生产试验验证

3.1 冲压工艺优化方案

由表2 及上述分析结果可知，r值、n值、屈服强度等材料性能以及板料厚度，是开裂位置次应变的主要影响因素，由于材料性能、板料厚度与零件的性能相关，不宜改变，那么，仅调整压料力、摩擦因数等影响主应变的工艺参数，零件成形安全裕度提升有限。

因此，需要通过调整局部模具间隙、板料尺寸、冲压工艺等，改善材料流动性、为翻边工序预留充足的成形余量，并根据工作量的大小，设计了2 种优化方案，进行仿真及生产试验。

方案1：控制OP20 压型+预翻边工序压料板与下模的间隙约为1倍料厚，压料板左/右前段与下模间隙分别为2.3 mm、5 mm，左右两侧压料板与下模间隙为5 mm，C 型翻边刀块到底距离为9.5 mm，如图21 所示。仿真结果显示，通过调整预翻边工序的模具间隙、C 型翻边刀块到底距离，增加了翻边工序成形余量，开裂位置的主、次应变分别为0.541、-0.215，主、次应变的比例约2.51∶-1，零件的安全裕度为4.49%，如图22 所示。综合评估，该方案改善零件翻边开裂的效果有限。

图21 方案1冲压工艺优化方案

图22 采用方案1的冲压仿真结果

方案2：优化板料尺寸，OP20 工序由压型+预翻边改为拉延、并增加修边工序，如图23 所示。仿真结果显示，预翻边工序采用拉延工艺替代预翻边，将边缘减薄转换为面减薄，增加的修边工序，将减薄较严重的边部裁掉，客观上提升了翻边工序的成形余量，开裂位置主、次应变分别为0.420、-0.158，主、次应变的比例约为2.658∶-1，安全裕度16.44%，如图24 所示。经评估，该方案改善零件翻边开裂效果明显，但模具需要更改。

图23 方案2冲压工艺优化方案

图24 采用方案2的冲压仿真结果

3.2 生产试验验证

为保证生产的稳定性，选择方案2 并开展生产试验，冲压零件如图25 所示，翻边成形区域成形质量良好，无开裂问题，且无需挑选屈服强度较低的板料维持生产，生产稳定。

图25 横梁的实际冲压结果

4 结论

a.对于伸长类翻边成形零件，翻边量大是造成边部应力集中，主、次应变超过材料成形极限，进而造成零件翻边开裂的主要原因。

b.降低主、次应变，尤其是次应变，更加有利于开裂问题的改善；塑性应变比r值是影响开裂位置次应变的主要参数，提升r值可以改善开裂问题。

c.优化模具间隙、翻边刀块到底距离等措施，改善零件翻边开裂的效果有限。

d.优化板料形状、预翻边工序改为拉延、增加修边工序，即将零件的边部减薄转换为面减薄，增加的修边工序将减薄较严重的边部裁掉，为翻边工序预留足够的成形余量，可大幅度提升零件的成形安全裕度，是解决翻边开裂问题的有效手段。