超高強度鋼加工模具研究

為了滿足汽車行業嚴苛的油耗法規、加強行人保護并提升車輛性能，拉伸強度大于1000MPa（1GPa）的高等級鋼種如先進高強度鋼（AHSS）及超高強度鋼（UHSS）等在汽車行業得到了快速的應用。先進高強度鋼由于出色的強度和延性展現了最佳的性能。

然而，從沖壓模性能角度來看，這些先進高強度鋼在與傳統模具材料和表面處理技術結合使用時還具有一定挑戰性。其中模具的維護和生產的中斷往往會導致成本的大幅增加。

圖1 世界汽車用鋼聯盟（WorldAutoSteel）2011 年未來鋼制汽車（FSV）項目采用的先進高強度鋼級別的鋼種類別。許多鋼種的拉伸強度均超過900MPa。

為了幫助金屬件加工商解決這些問題，美國Auto/Steel Partnership（A/SP）旗下沖壓模具優化（STO）項目組開始著手研究先進高強度鋼和超高強度鋼對模具設計和維護的影響。他們的研究結果在項目的每個階段完成后都會應用于旗下會員單位（菲亞特克萊斯勒美國公司、通用汽車及福特公司）的沖壓模設計標準中。

圖2 2016 款本田Pilot 采用了拉伸強度為1,500MPa 的拼焊熱沖壓車門框架。

國際鋼鐵行業已經開展了多個合作性項目，從1998年開始的超輕鋼制車身（ULSAB）項目到2011年的世界汽車用鋼聯盟的未來鋼制汽車（FSV）項目。這些項目均采用了新型先進高強度鋼和創新制造技術，在大幅減重進而提升燃油經濟性方面取得了巨大的成果。事實上，FSV研究項目幾乎使當前汽車設計及制造工程師可采用的先進高強度鋼種類和創新制造技術數量增加了一倍。

圖3 2015 款克萊斯勒Colorado 和GMC Canyon 車型采用了連續變截面（厚度連續變化）、拉伸強度1500MPa 的熱沖壓成型B 柱。

北美汽車行業已經采用了FSV項目的研究成果——許多先進高強度鋼和創新制造技術的快速應用就是很好的證明。圖2和圖3列舉了當前北美市場生產的車型上采用的部分材料及制造創新技術。

這些應用實例強調了拉伸強度高于1GPa的先進高強度鋼可加工性的重要性。隨著這些鋼種逐漸得到認可，A/SP沖壓及沖壓模具優化項目組開始著手在現有汽車制造體系內為這些鋼種開發成形技術。

用于雙相鋼加工的模具耐久性研究

不久前，A/SP STO研究小組完成了一項在真實生產條件下針對DP1180級別鋼的測試。該研究的目標是：在DP1180裸鋼的折邊加工中評估沖壓模的耐久性，同時根據結果更新汽車模具的標準。

圖4 該研究在Richard Tool & Die 公司（ 邁阿密州New Hudson）級進模上按實際生產條件進行，分兩個階段完成。根據設計，14 個工作站沖壓模將生產一個試驗樣件（如圖所示），其中包含12 個具有復雜形狀的折邊。

這項研究在Richard Tool & Die公司（位于邁阿密州New Hudson）級進模上按實際生產條件進行，分兩個階段完成。根據設計，14個工作站沖壓模將生產一個試驗樣件（如圖4 所示），其中包含12個具有復雜形狀的折邊。所選的沖壓材料——1.2mm厚的DP1180裸鋼板，是目前用于冷沖壓工藝中最具挑戰的代表性材料。圖5顯示了14個級進模在條料排樣上的操作情況，圖6顯示了沖壓過程中模具在壓力機中的情況。

試驗所用的級進模由31個嵌件組成，采用了11種模具材料與9種表面處理技術（涂層）相組合的方式。研究第一階段在2015年進行，采用了18 種模具材料和涂層組合，適用于目前拉伸強度低于980MPa 的先進高強度鋼的加工。研究第二階段在2016 年開展，在第一階段結果的基礎上使用13 種模具材料和涂層組合對拉伸強度大于980MPa 的部件材料進行測試。測試的模具材料包含TD2、D2、T44、CC1、D6510、DC53、S2333、S0050A、SLD-I、Toolox 44和Caldie模具鋼， 涂層包括PVD Duplex CrN、Duplex CrN與Most、CR Plate、Cool Sheet、Concept、Concept與Most、鉻板、離子氮化鉻板以及 Duplex Variantic（TiAlCN）。

圖5 條料排樣上展示了用于加工一個試驗樣件的14 個級進模沖壓操作。

在試驗之前，研究人員采用LS-Dyna和AutoForm軟件進行了仿真計算，確保預先的操作設置不存在加工可行性問題。

圖6 在Richard Tool & Die 工廠內正在進行試驗的級進模、試驗用沖頭和條料。

新的模具材料與涂層組合

對沖壓模的磨損判斷基于以下標準：安全（無磨損）、輕微刮痕和沖壓件表面非常粗糙的刮痕（見圖7）。每沖壓100次，就對沖壓板材進行一次評估。2015年進行的試驗采用了成功用于拉伸強度低于980MPa 鋼的沖壓模和涂層材料組合，試驗結果顯示，最快沖壓35 次就會出現性能問題，大多數嵌件在20,000次沖壓后出現問題。唯一能夠挺過20,000次沖壓的組合是：采用CoolSheet涂層的TD2材料。

圖7 該試驗樣件出現了粗糙的刮痕，由磨損的沖頭造成。

2016年，研究小組再次研究了新的模具材料和涂層組合的耐久性，來確定采用這種組合的沖壓模能否用于加工拉伸強度大于980MPa的新一代先進高強度鋼?？偟膩碚f，模具嵌件性能比2015年有非常大的提升。雖然本次研究在4,000次沖壓后出現一次故障，但是大多數嵌件的沖壓次數都超過10,000次，四種組合的總沖壓次數達到了65,800次。事實上，在2015年試驗中表現最佳的嵌件（采用TD2材
料及CoolSheet 涂層組合）在2016年的試驗中依然表現突出，沒有出現較大的問題，總的沖壓次數超過了80,000次。

研究小組進一步分析了兩次試驗的結果，試圖找到模具磨損與嵌件硬度和表面粗糙度之間的關系。結果顯示與模具磨損的程度沒有直接聯系。不過，此前的研究表明，硬度超過60洛氏C的嵌件更容易出現切屑，而硬度超過54洛氏C的嵌件則會出現早期磨損現象。嵌件表面粗糙度的分析結果相比硬度更加無規律可循，但是顯示了中等粗糙度可能為最好的結果。

第二階段的結果是在重復第一階段試驗的基礎上得到的。與第一階段相比，研究小組發現模具性能和測量結果并無直接關系。作為第二階段試驗分析的一部分，研究小組測量了鋼板在最初狀態和最終加工后的表面粗糙度。在模具出現磨損的情況下，最終加工件的表面粗糙度因折邊材料和涂層的不同而呈現差異。在某些情況下，粗糙度如預想的那樣有所增加。但是在其他一些情況下，表面粗糙度有所減少，表明在折邊操作中，模具開始磨損工件表面突出的地方。

此外，研究小組用掃描電子顯微鏡仔細觀察了每一個磨損的模具嵌件，并用成像處理軟件對磨損區域進行了測量分析。這些結果與工件表面評估結果進行了比對，結果驗證了之前的推測——目前大規模生產中使用的模具及涂層材料無法承受DP1180鋼的沖壓加工，而且會導致沖壓工具過早出現損壞，并在沖壓件表面造成嚴重的刮痕。

模具/ 涂層組合是韌性鋼加工的關鍵

A/SP沖壓模具優化項目組最近進行的研究表明，要想加工拉伸強度超過1GPa的鋼材，需要改進模具材料和涂層的組合。一些模具材料和涂層組合經驗證與之前用于沖壓拉伸強度小于1GPa鋼板的模具設計相比在耐磨性方面性能更佳。

此外，研究小組還計劃繼續對模具硬度和粗糙度之間的關系展開研究，以提高超高強度鋼加工的模具性能。隨著汽車行業對先進高強度鋼的接受和應用速度的加快，以及鋼鐵行業不斷開發強度更高、延展性更強的鋼種，不斷提高模具技術以跟上其步伐顯得愈發重要。