薄鋼板薄鋼板成形工藝

薄鋼板沖裁

沖裁是利用沖模使材料分離的一種沖壓工序。沖裁，從廣義上說，是分離工序的總稱，它包括切斷、落料、沖孔、修邊、切口等多種工序。但一般來說，沖裁工藝主要是指落料和沖出成品零件，又可為其他成形工序制備毛坯。

沖裁以后，板料分成兩個部分，即落料部分和帶孑L部分。若沖裁的目的是為了制取一定外形反沖落部分，則這種沖裁工序稱為落料；若為了制取內(nèi)孔，則稱為沖孔。

根據(jù)變形機理的不同，沖裁可以分為普通沖裁和精密沖裁兩類。

薄鋼板彎曲

塑性彎曲乃是壓制成形工序中最為普遍的成形方法之一。彎曲成形的效果，表現(xiàn)為彎曲變形區(qū)曲率半徑R和角度x的變化（圖1）

塑性彎曲必須首先經(jīng)過彈性彎曲的階段。在“材料力學(xué)”中我們已經(jīng)熟知：彈性彎曲時，梁的外區(qū)纖維受拉， 內(nèi)區(qū)纖維受壓。拉，壓兩區(qū)以中性層為界，中性層恰好通過剖面的重心，其應(yīng)力應(yīng)變?yōu)榱?。假定中性層、的曲率半徑為ρ，彎曲角度為α（參看圖1），則距中性層為y處的纖維，其切向應(yīng)變ε_θ為

彈性彎曲時，切向應(yīng)力δ_θ為

所以材料的變形程度與應(yīng)力大小，完全取決于纖維至中性層的距離與中性層半徑的比值y/ρ，而與彎曲角度α的大小無關(guān)。在彎曲變形區(qū)的內(nèi)、外邊緣，應(yīng)力應(yīng)變最大。

對于厚度為t值的板料，當其彎曲半徑為R時，板料邊緣的應(yīng)力(δ_θ)_max與應(yīng)變(ε_θ)_max為

假定材料的屈服應(yīng)力為δs，則彈性彎曲的條件是：

亦即

當

薄鋼板拉伸

拉深成型，是把平板凸緣拉入凹模孔內(nèi)而形成直壁的加工方法。

凸緣的流入，隨著凹?？纵喞螤畹淖冃螤顟B(tài)的不同，可分(a)壓縮凸緣流入、(b)平行凸緣流入、(c)伸長凸緣流入三類，(圖2)。

由于拉深零件的形狀尺寸不同，毛坯在變形過程中的應(yīng)力應(yīng)變分布也不一樣。故在確定工藝方案、工藝參數(shù)和模具設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)具體情況，進行分析計算，以決定合理的毛坯尺寸和每一工步的幾何參數(shù)，模具結(jié)構(gòu)參數(shù)和設(shè)備型號，才能獲得質(zhì)量合格的零件。

大批量生產(chǎn)中使用最多的就是冷軋鋼板。冷軋薄鋼板的厚度在0.15~3.2mm之間，汽車車身多采用0.6~0.8mm的薄板。這種薄鋼板尺寸精度非常高，表面光滑，具有良好的力學(xué)性能和加工性，主要用于車身側(cè)圍板、頂蓋、發(fā)動機蓋、翼子板、行李箱蓋、車門板和儀表板等外覆蓋件，這些零件要求材料具有高的成形性能、良好的表面質(zhì)量和焊接性能。

薄鋼板一般沖壓用薄鋼板

在無間隙原子鋼板（IF鋼）使用以前，汽車覆蓋件都用低碳沸騰鋼板(08F)和鋁鎮(zhèn)靜鋼(08AL)沖制。沸騰鋼由于沖壓成形性能差和容易失效等缺陷現(xiàn)已較少使用。而鋁鎮(zhèn)靜鋼板仍作為沖壓用鋼板大量應(yīng)用，特別是對于成形要求不高的車身零件，采用鋁鎮(zhèn)靜鋼板仍然占多數(shù)。

(1)鋁鎮(zhèn)靜鋼板(08AL)

①鋁鎮(zhèn)靜鋼板的化學(xué)成分。08AL作為一種傳統(tǒng)的沖壓鋼板，其強度要求不高，但要求有良好的沖壓成形性能，為此要求鋼板有較高的塑性，鋼板中的合金元素越低越好。

a．碳。碳在一般鋼材中是主要元素，但是在深沖薄板中，它卻是有害元素。鋼中碳的質(zhì)量分數(shù)增加，會使低碳鋼的強度提高而使成形性能降低。因此，我國的GB/T5213-2001中規(guī)定深沖壓用鋼的碳質(zhì)量分數(shù)應(yīng)低于0.08%。

b．錳。錳質(zhì)量分數(shù)高時，使鋼板的強度升高，所以一般鋁鎮(zhèn)靜鋼的錳質(zhì)量分數(shù)應(yīng)低于0. 4%。

c．硫。硫質(zhì)量分數(shù)對薄鋼板的沖壓性能有不利影響，因此其質(zhì)量分數(shù)越低越好。一般08AL鋼板規(guī)定的硫質(zhì)量分數(shù)應(yīng)低于0.025%。

d．磷。磷元素的作用是顯著提高鋼板強度，除高強度鋼板中提高其含量外，在一般冷軋鋼板中都限制其質(zhì)量分數(shù)，深沖薄板中磷的質(zhì)量分數(shù)低于0. 020qo。

e．硅。硅的作用主要是提高鋼板強度，但會惡化沖壓性能，所以其質(zhì)量分數(shù)越低越好，硅質(zhì)量分數(shù)應(yīng)低于0. 030%。

f．鋁。鋁加入沖壓用冷軋鋼板中提高其沖壓性能，所以08AL規(guī)定鋁質(zhì)量分數(shù)應(yīng)在0. 02%一0.07%之間。

08AL鋼板屬于低碳鋼，有較好的塑性，合適的強度，具有一定的時效性，在3—6個月內(nèi)使用時，不能破壞其沖壓性能。

鋁鎮(zhèn)靜鋼結(jié)相組織簡單，一般由鐵素體、游離碳化鐵和少量非金屬夾雜物組成，游離的碳化鐵和非金屬夾雜物對鋼板的沖壓性能影響很大，其中以方形夾雜物影響最大，圓形點狀夾雜物影響最小，在沖壓過程中會引起制件開裂。

鐵素體晶粒的大小和晶粒的均勻性對沖壓性能影響也很大，晶粒過小，強度升高而塑性降低，對沖壓性能不利；晶粒過大，沖壓后零件的表面差，會出現(xiàn)桔皮狀表面，晶粒度以7~8級最為理想。若晶粒不均勻，會引起零件整個變形的不均勻性，從而導(dǎo)致開裂。

在沖制復(fù)雜零件時，因零件各部位的變形量不同，會在零件表面出現(xiàn)滑移線，嚴重地降低零件的表面質(zhì)量，這對于汽車的覆蓋件，這種現(xiàn)象是不允許出現(xiàn)的。一般要進行調(diào)質(zhì)軋制處理，消除沖壓中出現(xiàn)的滑移現(xiàn)象。

綜上所述，08AL鋼板適合沖壓強度、表面質(zhì)量要求不高的、變形均勻的一般零件。而對于深沖件和復(fù)雜零件，要慎用。

(2)無間隙原子鋼板（IF鋼板） 汽車車身由沖壓件焊接組成。轎車車身的形狀為了減少空氣阻力和外形美觀而日趨復(fù)雜，對鋼板的沖壓性能要求日益提高，因此對影響沖壓成形性能的指標有一定要求，如高的塑性應(yīng)變比、適當?shù)膽?yīng)變硬化指數(shù)、高的伸長率、低的屈服強度，只有符合上述要求的鋼板才能沖出形狀復(fù)雜的零件。

以普通沸騰鋼為代表的第一代冷軋鋼板和以鋁鎮(zhèn)靜鋼為代表的第二代冷軋鋼板都難以完全滿足現(xiàn)代轎車沖壓件的要求。已能大規(guī)模生產(chǎn)的第三代冷軋無間隙原子鋼（IF鋼板）能滿足上述要求，由IF鋼衍生出的新型鋼板如IFBH鋼、IF高強度鋼、IF鍍層鋼等，再加上雙相鋼（DP鋼）和塑性變形誘導(dǎo)相變鋼（TRIP鋼），使汽車用冷軋鋼板達到了新的水平，基本上滿足了轎車生產(chǎn)的需要。

在低碳鋼中加入足夠數(shù)量的鈦后，鋼中的碳、氮間隙原子就完全被鈦固定，形成鈦碳化合物，此時鋼就成為無間隙原子鋼而具有優(yōu)異的成形性能。因鈦價格昂貴，鋼的生產(chǎn)成本太高，因此無法大批量生產(chǎn)。20世紀60年代后期，真空脫氣技術(shù)的成功應(yīng)用，使得鋼中的碳、氮含量大幅度降低，而減少了鈦的用量，從而降低了IF鋼的生產(chǎn)成本。到了70年代，鋼板生產(chǎn)采用連續(xù)退火機組，大大降低了生產(chǎn)成本，又出現(xiàn)了加鈮及復(fù)合添加鈦和鈮的IF鋼，擴大了IF鋼的生產(chǎn)和應(yīng)用。

①IF鋼的化學(xué)成分。鋼的化學(xué)成分是其性能的基礎(chǔ)，對IF鋼而言，首先是降低對成形性能有害的碳和氮的質(zhì)量分數(shù)，同時加入鈦和鈮。

IF鋼中碳、硅等元素的作用同08A1鋼，鈦和鈮是IF鋼中的重要元素，通過鈦和鈮的處理使固溶體中的間隙原子碳和氮得以清除，從而清除間隙原子的不利影響。工業(yè)生產(chǎn)中的超低碳鋼若不經(jīng)過加鈦和鈮的處理消除間隙原子，其塑性應(yīng)變比不高，成形性能不好。

工業(yè)生產(chǎn)的IF鋼有三種，即單一加Ti的Ti-IF鋼、單一加Nb的Nb-IF鋼和同時加Ti和Nb的復(fù)合Ti-Nb-IF鋼。

上述三種IF鋼的特點如下：

a．Ti-IF鋼。就工藝參數(shù)而言，低的加熱溫度、高的卷取溫度、高的退火溫度和大的冷軋壓下率有利于Ti-IF鋼成形性能的提高。合金成分對Ti-IF鋼延伸率的影響沒有Nb-IF鋼敏感，一般鈦穩(wěn)定鋼延伸率較高。高的卷取溫度和退火溫度會得到粗大的TiC顆粒，因此強度級別低。對Ti-IF鋼性能產(chǎn)生重要影響的TiS和Ti4C2S2等析出物一般在加熱過程和熱軋初始階段就開始析出，所以工藝參數(shù)對Ti-IF鋼影響不是很敏感，工藝過程的可操作性強，性能穩(wěn)定。但是這種成分體系的鋼平面各向異性大而且鍍層抗粉化能力較差，不適用于鍍鋅板。

b．Nb-IF鋼。與Ti-IF鋼相比，由于細小NbC粒子析出，可以提高鋼的強度，故Nb-IF鋼具更高的強度水平。Nb的添加，改善鋼的織組結(jié)構(gòu)，各向異性值降低，提高了塑性應(yīng)變比(r)平均值；Nb偏析到晶界，可防止冷加工脆性，提高可鍍性和抗粉化性能。但由于Nb-IF鋼的析出過程發(fā)生在熱軋冷卻階段或退火階段，力學(xué)性能對工藝參數(shù)比較敏感，而且Nb-IF鋼有較高的再結(jié)晶溫度，其力學(xué)性能不如Ti-IF鋼好。

c．( Nb Ti) -IF鋼。鈮鈦穩(wěn)定的IF鋼延伸率比Ti-IF鋼低，但r。值和r45 0值都比較高，具有較強的可成形性。鈮鈦穩(wěn)定的IF鋼比鈦穩(wěn)定鋼具有較好的涂層粘附性，具有良好的合金化及熱鍍鋅鋼板抗粉化，而且力學(xué)性能對工藝不敏感，整卷性能均勻，適合于在連續(xù)退火工藝下生產(chǎn)高強鋼及熱鍍鋅鋼，也是電鍍鋅IF鋼和熱鍍鋅IF鋼基板的最佳選擇。

②IF鋼板的特點。與廣泛使用的鋁鎮(zhèn)靜低碳深沖鋼比，IF鋼板在性能上最明顯的特點是優(yōu)秀的成形性能和永不時效性。

a．優(yōu)秀的成形性。

b．無時效性。一般鋼板都具有時效性。所謂時效性就是鋼板的屈服應(yīng)力和延伸率隨時間的推移而變化，經(jīng)過一段時間后鋼板的拉延性能曲線上會出現(xiàn)明顯的屈服平臺，此時鋼板的成形性能下降。鋼板的這種時效性是由于鋼板中存在著碳、氮等間隙固溶原子造成的。盡管深沖鋼板使用了鋁鎮(zhèn)靜，其時效性已經(jīng)不明顯了，但它的存在仍是一個客觀事實。所以，還仍然有這樣的規(guī)定，即軋制后的深沖鋼板的時效期為個3月，也就是說，軋制后的深沖鋼板必須在3個月內(nèi)用完，否則成形性就會下降。

③IF鋼板的應(yīng)用。由于IF鋼板具有優(yōu)秀的成形性能和獨特的不時效性，所以在汽車工業(yè)特別是轎車工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。其應(yīng)用概括起來，有以下幾個方面。

a．用于形狀復(fù)雜的沖壓件。有些沖壓件形狀復(fù)雜，拉延較大，即使使用最好的鋁鎮(zhèn)靜深沖鋼也難以完全滿足要求。例如發(fā)動機的油底殼對鋼板的拉延性要求很高，過去一直使用進口的深拉延級鋼板，但效果不太理想。自從使用了國產(chǎn)的深沖IF鋼板之后，這個問題便迎刃而解。用國產(chǎn)Ⅲ鋼板取代進口的深沖鋼板生產(chǎn)一些形狀比較復(fù)雜的沖壓件，效果很好，值得進一步推廣。

b．用于制造高強度的汽車車身覆蓋件。為了節(jié)約能量和滿足日益嚴格的環(huán)保要求，高強度鋼板正在汽車工業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。例如，轎車車身的許多外覆蓋件在原設(shè)計中就廣泛地采用了高強度鋼板，降低了鋼板的厚度，從而降低了車身的質(zhì)量，降低了汽車燃油消耗，也降低了汽車的有害排放。

IF鋼板具有非常優(yōu)秀的成形性。在此基礎(chǔ)上通過固溶強化等方式開發(fā)出來的高強度IF鋼板在獲得了較高強度的同時仍然保留著較高的成形性。

在強度級別相同的情況下，高強度IF鋼板的成形性指標的綜合水平要明顯優(yōu)于傳統(tǒng)使用的高強度鋼板，加上這種IF鋼板不具有時效性，沖壓過程中不會在表面上出現(xiàn)影響板件外觀質(zhì)量的滑移線，所以用這種鋼板生產(chǎn)汽車外覆蓋件非常適宜。

c．作為高性能鍍鋅鋼板的基板。鍍鋅鋼板在汽車上的應(yīng)用越來越廣，如奧迪等歐洲車型和北美的一些車型中甚至整個車身都是用鍍鋅鋼板制成的。鍍鋅鋼板得到廣泛應(yīng)用的原因一是北歐和北美等氣候寒冷的國家，冬日雪后路面噴灑鹽水對車身件腐蝕嚴重，二是為了提高汽車使用壽命，各國對汽車板材不發(fā)生銹蝕的年限一再延長，一般裸鋼板不能滿足這些要求，所以鍍鋅鋼板受到了重視。

一般都采用深沖鋼板作為基板生產(chǎn)鍍鋅板，由于熱鍍鋅時需要加熱到500C左右的高溫，基板因發(fā)生嚴重時效而使成形性變壞，從而使鍍鋅板的應(yīng)用產(chǎn)生了局限性，不能用于比較復(fù)雜的沖壓件。IF鋼板的問世成功地解決了這個問題。由于IF鋼板本身具有很高的成形性，加之沒有時效性，所以在熱浸鍍鋅后仍能保持著很好的成形性。表3.7是兩種以職鋼板為基板生產(chǎn)出來的鋼板的實測性能，我們從中可以看出這兩種鋼板基本上保持了它原板的特點，具有很好的成形性。

另外，由于用鈦作為微合金化的IF鋼板平面上各向異性較大，以此種鋼板為基板生產(chǎn)出來的鍍鋅鋼板在沖壓過程中，有可能因鋼板各個方向的應(yīng)變程度不同而發(fā)生粉化。以鈮為微合金化元素時，情況要好得多，所以在實際生產(chǎn)中一般使用添加Nb或者Ti Nb的IF鋼板作為鍍鋅板的原板。

薄鋼板汽車用高強度鋼板

為控制導(dǎo)致全球變暖的C02排放，汽車制造商以降低燃料消耗為目的，積極推進汽車車身輕量化的設(shè)計。20世紀90年代初，汽車車身使用高強鋼板的比例增加到30%，減輕了車重。90年代后期，出于碰撞安全性考慮，汽車車身增加了加強件的使用量，從而增加了車重。為確保車身碰撞安全性和輕量化，用于汽車車身的高強鋼板強度從440MPa級提高到590MPa級，車身結(jié)構(gòu)件使用980MPa級超高強鋼板，使用比例也在40%以上。從提高車身緩蝕性能來看，合金化熱鍍鋅鋼板具有與冷軋鋼板相同的高強度特性。

汽車用高強度冷軋鋼板主要用于車身零部件，大致分為3類，即內(nèi)外面板、結(jié)構(gòu)件和加強件。表3-8列出了每一部件要求的鋼板強度和特性及需解決的問題。

鋪設(shè)波形薄鋼板屋面時，相鄰薄鋼板應(yīng)順主導(dǎo)風(fēng)向搭接，搭接寬度不得少于一個波。上排波形薄鋼板搭蓋在下排波形薄鋼板上的長度，應(yīng)根據(jù)屋面坡度而定，但不應(yīng)少于80毫米，上下排波形薄鋼板必須在檁條上搭接，在金屬檁條和鋼筋混凝土檁條上，波形薄鋼板應(yīng)用帶防水墊圈的鍍鋅彎鉤螺栓固定，在木檁條上，波形薄鋼板應(yīng)用帶防水墊圈的鍍鋅螺釘固定，固定薄鋼板螺栓(螺釘)應(yīng)設(shè)在波峰上，螺栓(螺釘)的效量，在波形薄鋼板四周的每一搭接邊上，均不宜少于三個，必要時，應(yīng)在波形薄鋼板的中央增加適當數(shù)量的螺檢(螺釘)。山墻不高出屋面時，應(yīng)將波形薄鋼板伸出山墻封檐板部分對齊。屋脊、辯脊、天溝和屋面與突出屋面結(jié)構(gòu)連接處的泛水，均應(yīng)用搏鋼板鎊作，其與波形薄鋼板的搭接寬度不宜小于150毫米，薄鋼板的搭接縫和其它可能浸水的部位，應(yīng)用鉛油麻絲或油灰封固。