DP600高强钢制车轮研究

DP600高强钢制车轮研究摘要：目前，国内乘用车钢制车轮生产所使用的材料多为普通的低强钢，采用先进高强材料DP600双相钢作为车轮生产材料的公司并不多。先进高强钢的使用，可以实现钢制车轮的轻量化，也可满足节能环保的要求。但先进高强钢DP600的使用，着重应解决成型困难、回弹现象明显及成型过程中容易起皱等技术难点。关键词：乘用车、钢制车轮、高强钢、双相钢、成型、工艺、模具、疲劳ResearchofDP600HighStrengthsteelwheelsAbstract:Atpresent,traditionallowstrengthsteeliswidelyusedforsteelwheelindustriesofpassengercarinChina.Therearefewcompanieswhichmakewheelsbyusingadvancedhighstrengthsteel.Steelwheelsmadebyusingadvancehighstrengthsteelcanmeettherequirementsoflight-weight,energyconservationandenvironmentalprotection.ifweuseDP600asthematerialofwheels,weshouldsolvemanydifficultiessuchashardforming,springbackandsurfacewrinklingofDP600andsoon.Keywords:passengercar,steelwheels,highstrengthensteel,dualphasesteel,forming,process,dies,fatigue;前言钢材作为传统的车轮用材有着悠久的历史，在20世纪80年代以前全球90%以上的车轮以钢材为原料[1]。随着车轮及钢铁行业的不断发展，车轮用钢开始从传统屈服强度在240MPa～350MPa低强度钢转变为屈服强度在600MPa或更高强度的高强钢[2～4]，先进高强钢成为车轮用钢的主流趋势[5,6]。国外钢铁企业与钢轮企业，在20世纪90年已大规模生产及应用双相钢DP600[7,8]或等强度材料[9～11]。与国外相比，国内在高强钢材料，特别是在轮辐（车轮承载汽车驱动力与制动力部件）材料上研究上涉及甚少。目前除一汽富维在DP600先进高强钢车轮开发上采用CKD进口件外，国内其它大型乘用车钢轮生产企业采用先进的高强钢DP600作为轮辐材料的还非常少。宝钢车轮率先将DP600等先进高强钢投入钢轮轮辐生产应用中，是国内高强钢车轮制造的领先者，特别是在产品轻量化及DP600等新材料应用上我们具有明显优势，已居国内领先。由于先进高强钢DP600，抗拉强度远高于传统钢材，材料在成型过程中存在成型难、回弹大和易起皱等成型问题。因此，先进高强钢能否成功应用在钢轮生产上，关键是能否解决这些成型问题。1DP600材料特性1.1DP600材料物理性能及机械性能分析DP600是双相钢的典型钢材，是通过变相进行强化的钢种，组织中含有马氏体、铁素体,其金相组织图见图1。DP600基本成分为C和Mn，为了提高淬透性还添加一定量的Cr和Mo。其DP600具有低屈强比、高的加工硬化指数、高烘烤硬化性能等特点。图1DP600金相图Fig.1DP600metallographicstructureDP600材料与传统B420CL材料的性能对比如表1，根据两者材料的对比，DP600具有较低的屈强比，由于硬化现象明显，随着变形的进行，强度明显增大且具有较大的回弹量。以上分析可以看出DP600在产品应用上的主要难点为：强度高，回弹现象明显；冲压成型过程中容易起皱。通过DP600成形分析结合工艺工装优化设计来着手解决以上突出问题。表1DP600材料与B420CL材料机械性能对比Table1mechanicalpropertiescontrastbetweenDP600andB420CL材料牌号屈服强度MPa抗拉强度MPa延伸率%n值难点DP600330-470≥580A80≥190.18强度高、回弹大B420CL≥290420-520A5.65√S0≥280.17---------1.2DP600材料成型性能仿真分析[12]在传统材料B420CL应用上，宝钢车轮积累了较为充实的生产或实验数据，通过高强钢DP600与传统钢B420CL在轮辐成形过程的仿真分析，为后续工艺工装优化设计确定关键参数。图2、图3分别给出了两种材料落料拉伸工序FLD分析图，通过成型性分析，DP600的高屈服强度特性，成形过程中，材料容易起皱。图2DP600材料的落料拉伸工序FLD分析图3B420CL材料的落料拉伸工序FLD分析Fig.2DP600FLDanalysisofpunchinganddrawingprocessFig.3B420CLFLDanalysisofpunchinganddrawingprocess图4为一序拉伸结束的轮廓截面线，在相同的边界条件下，DP600材料与B420CL相比，它的屈服点较高，因此它具有较大的弹性变形量，回弹现象比B420CL明显。图4DP600材料与B420CL材料回弹性对比图5DP600成形工序性能分析Fig.4SpringbackpropertycontrastbetweenDP600andB420CLFig.5FormingpropertyanalysisofDP600图5为成型工艺过程的数值模拟，DP600材料的特点决定了轮辐外缘与中心孔外缘的回弹较为明显，有较明显的倾角。此外靠安装面侧的圆弧段半径较大，回弹造成的偏差也较大。2轮辐工艺工装设计优化2.1落料拉伸工艺拉伸高度优化设计轮辐落料拉伸工艺及模具是将落料及拉伸工艺合二为一对轮辐进行初成型，用一次定位的方式保证轮辐中心孔和轮辐外缘的同轴度，以保证轮辐的加工质量。轮辐落料拉伸工艺主要是以材料拉伸为主，根据DP600材料延伸率不高的特性，材料不宜过量拉伸，加之考虑到后续工艺（拉伸、弯曲、挤压等）的成型性，在不减少中间材料的情况下，将落料拉伸的凸包高度由原先的85mm降低到82mm如图6所示，不仅降低了材料开裂的风险，而且提高了产品的表面质量，减少起皱。传统材料与DP600材料拉伸工艺设计参数对比见表2。图6落料拉伸工艺拉伸高度设计对比图Fig.6Punchinganddrawingheightcontrastofdrawingprocess表2B420CL材料与DP600材料拉伸工艺参数设计对比表Table2PunchinganddrawingprocessparameterscontrastbetweenDP600andB420CL名称B420CL材料DP600材料凸包高度85mm82mm圆弧半径72mm65mm中心线长度195.6mm194.9mm压边宽度23.8mm25.1mm2.2成形工艺凸模外圆优化设计圆弧R（如图7所示）设计与产品圆弧有关，DP600材料R为7.5mm，模具的圆弧设计将圆弧角相应的放小，补偿了一部分在圆弧上的反弹。直线段L1是保证轮辐外圆尺寸的一段重要尺寸，不仅保证了整个产品的直线，而且还对工件脱模有辅助作用，同时以2°斜角作为回弹的补偿角。图7成形工艺凸模外圆设计Fig.7Maledieexternalrounddesignofformingprocess2.3成形工艺凹模外圆直边优化设计图8所示，直边L（L=L1+L2+L3+L4）是成型模的工作深度，它包括工件位于凹模内的直边长度、切边量、安全高度和合理避让高度。工作深度要适当，若过小，零件回弹大，不平直，导致轮辐外径超差；若过大，则过多消耗模具钢材，且需要较大的机床行程，同时也会增加机床工作压力以及辅助工艺力（打料力、卸料力和顶件力）。图8成形工艺凹模外圆直边设计图Fig.8Femaledieexternalroundstraightedgedesignofformingprocess根据拉深工艺材料转移的特性，“多余三角形”材料转移的结果，一方面要增加工件的高度，可根据凸、凹模间隙、材料塑性、拉深相对高度作适当选取，此高度与轮辐结构有关，根据设计原则应尽可能取小值，这样不仅可以减小模具加工量降低模具成本，而且还可以减少机床行程。另一方面要增加口部壁厚，所以切边量L2=切边模切边量增加2～4mm。2.4轮辐翻边工艺优化设计由于DP600材料在轮辐翻边成型的过程中起皱现象明显，大大降低了轮辐工件的成型质量，有时甚至沦为废品。为了减少翻边起皱现象的发生，现将轮辐翻边工艺进行优化。如图9所示，传统工艺是将轮辐先翻边，然后按产品尺寸要求对翻边进行切边，以满足要求。为了减少起皱现象的发生，优化后的工艺，在翻边之前，先将轮辐按照一定尺寸进行切边，然后再进行翻边，由于先切边再翻边，使翻边长度大大减小，这样可以有效的减少翻边起皱现象。图9翻边工艺优化设计对比图Fig.9Flangingprocesscontrast3轮辐为DP600材料的车轮疲劳性能分析对轮辐分别用传统B420CL材料和高强DP600材料的车轮进行弯曲疲劳试验，并进行了比较，试验结果见下表3。表3传统B420CL材料和高强DP600材料的车轮弯曲疲劳性能对比表Table3FatiguepropertycontrastbetweenDP600wheelsandB420CLwheels载荷类型（KN·m）要求循环寿命实际疲劳寿命（轮辐为B420CL材料）实际疲劳寿命（轮辐为DP600材料）3300≥40,00032,456次～52,389次62,567次～90,584次2200≥400,000100,505次～149,808次456,421次～679,309次图10对数轴S-N曲线图Fig.10LogarithmicaxisS-Ncurve图10给出了轮辐为DP600材料车轮对数轴S-N曲线图（K值图），其中黑色实线代表我们制作的样件的试验结果，可以看出其斜率（K）基本接近或大于图纸要求的虚线的斜率，这说明轮辐为DP600材料在满足车轮通过工艺模具优化后，其疲劳性能得到较大提高。4结论本文与传统材料进行对比，分析了DP600材料成型性能，通过工艺模具优化设计解决了高强材料回弹严重的问题。通过工艺优化，解决了DP600材料翻边成型起皱严重的问题，提高了产品的质量。DP600材料具有很好的节能环保作用，填补了国内同级别材料的空白，开创了国内车轮行业自主研发使用高强材料的新时代。采用高强钢DP600生产的车轮重量比同规格的车轮重量减轻约20%，降低了企业材料成本，同时也大大提高了车轮的疲劳寿命，从而提高了企业竞争力。最后，在这里特别说明，宝钢研究院黄镇如博士、石磊博士、张建苏博士对DP600材料性能分析提出了很多宝贵的资料和建议，宝钢车轮徐绍国、叶卫东等同事对高强钢车轮研发过程给予了大力支持，他们为本文的研究也付出了辛勤的汗水，在此，再一次对他们表示感谢。参考文献[1]ThomasHeck.PresentationofAutomobileSteelWheel:TheRoadtoDualPhase[R/OL],HayesLemmerzInternationalPress,AmericanIronandSteelInstitute[2006-02-14].[2]MangononPL.EffectofAlloyingElementsontheMicro-structureandPropertiesofaHot-RolledLowCarbonLowBainiticSteel[J].MetallTrans,1976.9A.9A:1389.[3]FangHong-sheng,TanZhun-li,BalBing-zhe.CharacteristicsofMn-seriesBainiticSteelsandItsRecentDevelopment.ProceedingsoftheJointInternat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