文/程大堂·中車齊齊哈爾車輛有限公司

高強(qiáng)鋼沖壓工藝性能研究方法淺析

文/程大堂·中車齊齊哈爾車輛有限公司

程大堂，工程師，主要從事鐵路貨車沖壓工藝和模具設(shè)計工作，主持完成的工模具車間技術(shù)改造項目，將公司的模具制造技術(shù)提升為國內(nèi)行業(yè)一流水平。

通過對某種高強(qiáng)鋼進(jìn)行必要的沖壓工藝試驗，對其沖壓性能進(jìn)行初步研究。為高強(qiáng)鋼在重載鐵路貨車上推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)，為其他新材料鋼材沖壓工藝性能研究提供了可借鑒的研究方法。

隨著我國重載鐵路貨車技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)品輕量化已成為其主要發(fā)展方向之一。為了實現(xiàn)產(chǎn)品的輕量化，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)大量采用高強(qiáng)鋼成為其主要手段。根據(jù)我公司某一出口產(chǎn)品的設(shè)計需求，材料采用某種高強(qiáng)鋼，這是該鋼種在鐵路貨車領(lǐng)域的首次應(yīng)用，為掌握其沖壓工藝性能，我們進(jìn)行了必要的沖壓工藝試驗，對其沖壓性能進(jìn)行了初步研究。

試驗材料

該種高強(qiáng)度鋼板在淬火狀態(tài)交貨。材料的化學(xué)成分見表1，機(jī)械性能見表2。

表1 化學(xué)成分

表2 機(jī)械性能

試驗內(nèi)容

根據(jù)該高強(qiáng)鋼材料的化學(xué)成分及機(jī)械性能，我們設(shè)計了科學(xué)、詳細(xì)的沖壓工藝性能試驗。

一般材質(zhì)需要進(jìn)行的沖壓工藝性能試驗主要有校平、剪切、切割、彎曲等。該材料特點是屈服強(qiáng)度高、硬度高、延伸率低。該材料為目前鐵路貨車領(lǐng)域屈服強(qiáng)度最高的材質(zhì)，矯平機(jī)無法對其進(jìn)行校平。針對此問題，我們通過與高強(qiáng)鋼生產(chǎn)廠家聯(lián)合研究探討，保證出廠平面度符合我公司要求，取消校平工序，因此取消校平試驗。由于該材料硬度高，需要特殊材料剪刃方可進(jìn)行剪切，剪刃成本很高，且存在剪刃崩裂發(fā)生安全事故的風(fēng)險，廠家不推薦剪切下料工藝，取消剪切下料工藝方法，因此取消剪切試驗。切割成為該材料的唯一下料工藝方法，就要進(jìn)行切割試驗。而且該材料延伸率低，不易成形，因此還需要進(jìn)行彎曲試驗，研究其最小折彎圓角。結(jié)合實際生產(chǎn)存在滾圓零件，因此還要進(jìn)行滾圓試驗。綜上，我們設(shè)計了包含切割、彎曲、滾圓等試驗項目。

試驗項目、試樣的規(guī)格、試驗裝備詳見表3。

表3 沖壓性能試驗內(nèi)容

試驗過程

切割試驗

切割試驗在等離子切割機(jī)上進(jìn)行，目的是為了驗證等離子切割過程對板材表面的影響。切割以下試樣：⑴300mm×120mm× 4mm規(guī)格的板料16塊（平行、垂直纖維方向各8塊)；⑵300mm×120mm×6mm規(guī)格的板料12塊（平行、垂直纖維方向各6塊)；⑶400mm×400mm×20mm規(guī)格的板料4塊（標(biāo)出纖維方向)。斷面及板材平面度如圖1所示。

圖1 板材切割斷面及板材平面度

我們通過對切割后的板材平面度進(jìn)行測量，驗證了等離子切割過程對板材表面沒有影響，觀察切割后斷面質(zhì)量沒有缺陷。

彎曲試驗

彎曲試驗是在數(shù)控折彎機(jī)上完成的，目的在于驗證板料在切割條件下縱橫兩向的折彎性能以及最小折彎圓角。

⑴將t4厚度試樣利用R6、R10、R15折彎圓角區(qū)分纖維方向分別進(jìn)行90°折彎試驗（圖2），利用R50折彎圓角區(qū)分纖維方向進(jìn)行60°折彎試驗（圖3）。

⑵將t6厚度試樣利用R10、R15、R25折彎圓角區(qū)分纖維方向進(jìn)行90°折彎試驗，結(jié)果如圖4所示。

通過試驗可知，t4厚度試樣進(jìn)行垂直、平行纖維方向90°折彎試驗過程中，當(dāng)折彎圓角為R6、R10時，均出現(xiàn)毛細(xì)裂紋；在折彎圓角為R15時，圓角外側(cè)光滑過渡，質(zhì)量合格。對比外觀質(zhì)量，垂直纖維方向折彎區(qū)域與未折彎區(qū)域沒有變化，平行纖維方向折彎區(qū)域存在輕微的折壓痕跡。因此，t4厚度試樣可按R15折彎圓角進(jìn)行90°折彎，即約4倍板厚，且垂直纖維方向折彎質(zhì)量優(yōu)于平行纖維方向折彎。

圖2 t4厚度板料90°折彎試驗

圖3 t4厚度板料R50 60°折彎試驗

圖4 t6厚度板料90°折彎試驗

t4厚度試樣在利用R50折彎圓角進(jìn)行垂直、平行纖維方向60°折彎試驗后，圓角外側(cè)光滑過渡，質(zhì)量合格；對比外觀質(zhì)量，垂直纖維方向折彎區(qū)域與未折彎區(qū)域沒有變化，平行纖維方向折彎區(qū)域存在輕微的折壓痕跡。因此t4厚度試樣可按R50折彎圓角進(jìn)行60°銳角折彎，即12.5倍板厚，且垂直纖維方向折彎質(zhì)量優(yōu)于平行纖維方向折彎。

t6厚度試樣在進(jìn)行垂直、平行纖維方向90°折彎試驗的過程中，當(dāng)折彎圓角為R10時，試樣均出現(xiàn)明顯裂紋；折彎圓角為R15時，垂直纖維方向90°折彎，出現(xiàn)毛細(xì)裂紋，平行纖維方向90°折彎，出現(xiàn)明顯裂紋，說明垂直纖維方向折彎質(zhì)量優(yōu)于平行纖維方向折彎；折彎圓角為R25時，圓角外側(cè)均光滑過渡，質(zhì)量合格，對比外觀質(zhì)量，垂直纖維方向折彎區(qū)域與未折彎區(qū)域沒有變化，平行纖維方向折彎區(qū)域存在輕微的折壓痕跡。因此t6厚度可按R25折彎圓角進(jìn)行90°折彎，即約4倍板厚，且垂直纖維方向折彎質(zhì)量優(yōu)于平行纖維方向折彎。

通過以上試驗結(jié)果，我們可以得出如下結(jié)論：(1)該高強(qiáng)鋼可按4倍板厚折彎圓角進(jìn)行90°折彎；(2)垂直纖維方向折彎質(zhì)量優(yōu)于平行纖維方向折彎；(3)加大折彎圓角，高強(qiáng)鋼可以進(jìn)行銳角折彎。

滾圓試驗

在進(jìn)行滾圓試驗前，首先嘗試進(jìn)行滾弧試驗。滾弧試驗是利用160t彎梁蓋板壓形模在500t油壓機(jī)上完成的，目的在于驗證厚板滾弧成形性能。

如圖5所示，將t20厚度試樣放置在下模上，上模加壓，通過樣板測量，逐步增大壓力，最終成功成形R555圓弧。

滾弧試驗的成功，為我們研究新的厚板滾圓技術(shù)提供了實踐上的支撐。在此試驗成功基礎(chǔ)上，我們進(jìn)行了深化試驗——厚板滾圓試驗。

滾圓試驗針對產(chǎn)品進(jìn)行工藝展開，精確計算出該件展開尺寸。試驗過程如圖6所示，首先采用等離子切割機(jī)下料，周邊留量，然后采用機(jī)加設(shè)備將長度尺寸加工到展開尺寸，直接加工出焊接坡口，再利用500t油壓機(jī)將該件兩端頭點壓圓弧，然后上三輥卷板機(jī)滾圓成形。該工藝避免了兩端留加長量、滾圓成形后端頭不便切除及坡口難于加工的缺點，節(jié)約了材料成本與人工成本。

圖5 t20厚度試樣滾弧過程

圖6 t20支撐環(huán)滾圓過程

結(jié)束語

通過以上研究，我們初步掌握了該高強(qiáng)鋼的沖壓工藝性能，為該鋼材在鐵路貨車上的推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)，為其他新型鋼材沖壓工藝性能研究提供了可借鑒的研究方法。