简单分析汽车用第三代高强度钢QP980的冲压成形性

摘要：QP钢是一种高强度高塑性的第三代高强度汽车用钢,为了论证QP980的冲压成形能力，采用虚拟成形分析和冲压实验相结合的方法研究了汽车用第三代高强度钢板QP980的冲压成形性，并与汽车常用的CR340、DP600、DP800、DP1000四种高强度钢板进行了对比研究,研究结果证明QP980的强度略高于DP10000的强度，冲压成形性则是QP980比 DP600略好。应用第三代QP钢可解决高强度且形状较复杂的零件成形问题，在汽车安全性和轻量化研究中 QP980可发挥重要作用。

关键词：第三代高强度钢；QP980；实验模；成形能力

引言

随着能源问题的凸显和环保法规要求的不断提高，在保证安全性能的前提下进行整车轻量化设计成为目前汽车工业的发展方向。由于车身约占整车质量的20%，因而汽车车身，特别是车身骨架件的轻量化设计是整车轻量化的关键。

采用高强度钢，特别是超高强度钢板，是目前车身轻量化最经济有效的方法。以双相钢ＤＰ、ＴＲＩＰ钢和ＭＳ钢为代表的高强度钢在Ａ柱、Ｂ柱、门槛加强板、车门防撞杆等为代表的车身安全件、结构件上已得到广泛应用。但由于成形性能的限制，有时尚不能满足一些需兼顾强度等级和形状复杂度的车身骨架件的冲压成形需求。
为了更好地为汽车轻量化设计提供优质材料，学者们开始研究第三代高强度板，宝山钢铁股份有限公司（宝钢）2013年在国际上率先开发并量产了第三代超高强度钢———QP钢，即淬火延性钢。该钢种不仅具有超高强度，且具备较高延伸率，特别适用于生产外形相对复杂、强度要求较高的冲压件。QP高强度钢充分利用超高强度钢板的塑性特性、加工硬化特性，可更好地实现减重和车辆性能的优化。掌握QP高强度钢的成形特性和成形极限，是开展QP钢冲压成形应用的前提和基础。

01研究对象



本文选取宝钢第三代高强度钢的代表产品QP980作为研究对象，采用数值模拟和实验相结合的方法研究其冲压成形性能。为了全面说明QP980的成形能力，选择四种常用的高强度板CR340、DP600、DP800、DP1000进行对比实验。图1为钢种塑性阶梯图。QP980的化学成分如表1所示。



02实验测试

2.1 实验零件选取

A柱铰链板为车身比较重要的安全零件，其所处的位置决定了其对车内正副驾驶位置的人员起到的是关键保护作用，因此零件强度越高越好，但是该零件的形状相对比较复杂，局部区域成形的难度比较大，一般采用DP600等级的材料。

2.2 实验方法

为了全面研究QP800的冲压成形性，选择CR340、DP600、DP800、DP1000四种常用高强度板进行对比研究。

2.2.1 单向拉伸试验

每种材料分别沿与板材轧制方向成0°、45°、90°的方向取样制作拉伸试件，每个方向取三个试件，每种材料共9个试件。
通过五种材料的单向拉伸试验，测得QP980和常用的高强度板的力学性能参数，进而可以从理论上分析QP980和常用高强度板的成形性能，为冲压成形数值模拟提供准确的力学性能参数。

2.2.2 冲压成形实验

设计制造A柱铰链板拉延工序OP10的模具，通过实际冲压成形研究QP980和常用高强度板的成形能力。由于一套模具要测试五种高强度板材料，而且最高达到了100MPa的超高强度，故为了保证实验有效成功，在工艺设计方面尽量保持均匀的拉延深度，保证零件一次拉延成形，并保证足够大的压边力。在模具设计方面，采用氮气缸提供稳定的压边力，拉延的凹凸模的最小壁厚达到了100mm ，给后期调回弹留出了充分的加工量，考虑了可能的镶块垫片重新加工、更换镶块，甚至于减小闭合高度重新加工的情况。

03实验结果与讨论

3.1 材料力学性能测试结果及分析

CR340、DP600、DP800、DP1000、QP980五种材料的力学性能参数测试结果如表2所示。



从五种材料的测试结果来看，第三代高强度钢QP980的延伸率接近于DP600的延伸率，而且各向异性参数还略高于DP600的各向异性参数，说明QP980的成形能力与DP600的成形能相当。从材料抗拉强度指标来看，QP980的抗拉强度是1027MPa，已经超过了DP1000的抗拉强度1011MPa，说明QP980的强度与DP1000的强度相当。

3.2 冲压成形实验结果对比

冲压实验中五种材料CR340、DP600、DP800、DP1000、QP980的板厚和毛坯尺寸完全相同，板厚为1.0mm。在产品上选出一点A（开裂风险大的点）作为参考点，如图5所示，来比较不同材质的成形性能。



3.2.1 冲压成形模拟结果对比

首先应用 ＡＵＴＯＦＯＲＭ 软件优化冲压成形工艺，保证五种高强度钢材料的冲压成形实验采用的都是相对优化的成形工艺。采用氮气缸压边，经过数值模拟优化，五种高强度钢材料的压边力都是980kN。

A点减薄率模拟结果如表3所示。模拟结果显示：第三代高强度钢QP980在A点的减薄率比DP600的还小。虽然单向拉伸试验中QP980的延伸率和硬化指数都比DP600的小，但是各向异性参数ｒ比DP600的大，模拟结果显示QP980的成形能力比DP600的成形能力略好。



3.2.2 冲压成形实验结果对比

为了进一步验证理论分析和数值模拟结果，分别对五种材料CR340、DP600、DP800、DP1000、QP980进行冲压实验，结果如图7所示，其中DP1000在A点区域开裂，其他材料都没有开裂。采用测厚仪测量A点的实际减薄率，实验结果证明数值模拟结果是比较准确的，QP980的减薄率比DP600的略小，充分说明了QP980的实际冲压成形能力略好于DP600的冲压成形能力。



04结论

(1) 通过单向拉伸试验说明QP980的成形能力略好于DP600的成形能力，而材料强度与DP1000的相当。
(2) 通过A柱铰链板拉延成形实验和数值模拟方法证明QP980的实际冲压成形能力与DP600的相当。
(3) 第三代高强度钢QP980可以成形强度要求高且形状复杂的零件，这对提高汽车安全性、实现整车轻量化具有重要作用。