汽车车身用高强度钢及其加工性能的探讨

陕西法士特集团公司 张玉同
பைடு நூலகம்
1 问题的提出及齿条刀具的设计
用齿形角为25°的非标齿条刀具来加工压力角 为20°、模数为4 mm、齿数为25的标准直齿轮，那 么其齿条刀具是如何设计的？
在加工齿轮时，刀具的齿形角、模数与被加工齿 轮的模数及压力角要求相等，但是遇到上述问题时就 需要重新计算。大家知道，在加工齿轮的过程中齿轮 与刀具的展成运动相当于齿轮与齿轮或齿轮与齿条的 啮合运动，它们要正确啮合就需满足齿廓正确啮合条 件以及Willis定理。
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2 高强度钢的加工性
汽车车身用高强度钢及其他材料主要是通过冲 压成形、焊接组装成车身。因此，高强度钢的冲压 成形性、焊接性等加工性能也是评价汽车车身用高 强度钢的主要依据。在此，通过与普通低碳钢（Mild Steel）对比，对强度较高、碳当量较高的两种具有 代表性的汽车车身用高强度钢板（780 MPa级DP钢 和980 MPa级TRIP钢）的冲压成形性、焊接性进行分 析与探讨。
图1
齿条刀具的齿顶上带有半径为R 1的圆角，R 1的值 可根据齿轮的具体要求确定出来。齿顶圆角与直线部 分相切。用图1所示的齿条刀具加工该齿轮时，让齿 条刀具的加工节线与被加工齿轮上压力角等于25°的 圆相切作纯滚动，则加工出的齿轮合乎设计要求。同 时，经验算齿条刀具的齿顶与齿根部都能满足制造要 求，其设计是可行的。
迄今为止，根据用途的不同，采用不同的强化 机制获得了多种汽车车身用高强度钢板。图1显示了 不同的强化机制下获得的几种高强度钢的强度和伸 长率。传统的汽车车身用钢主要是靠添加合金成分获 得固溶强化（solid-solution hardened）或析出强化 (precipitation hardened)型钢。由图1可知，析出强化 型钢虽然具有较高的强度，可是伸长率低的特性使其 冲压成形性较差；而固溶强化型钢虽具有较好的延展 性，但其强度却较低。
齿轮与该齿条刀具要正确啮合，其基节要相等， 则
m 1πcosα 1=m 2πcosα 2 m 2=4cos20°/cos25° 式中，m 1为被加工齿轮模数；m 2为齿条刀具模数； α 1为 被 加 工 齿 轮 压 力 角 ；α 2为 齿 条 刀 具 的 齿 形 角。
求出齿条刀具模数后，设计出的齿条刀具截形如 图1。
加强件。 于是，对提高延展性的组织控制型高强度钢进
行了研制，并于20世纪末进入了实用化阶段。最先 实用化的组织控制型钢是抗拉强度为590 MPa级的双 相钢（Dual Phase Steel，以下称DP钢）。DP钢室 温组织主要由铁素体和马氏体构成,铁素体为基体相, 岛状的马氏体分布于其上。软的铁素体赋予DP钢较 低的屈强比、较大的伸长率，具有优良的塑性；而硬 的马氏体则赋予其高的强度。鉴于此，综合性能较好 的580 MPa级DP钢取代了原来的440 MPa级钢作为 汽车车身结构件的主要材料。随之研制的780 MPa级 DP钢，现在广泛应用于汽车结构件。最近，通过控 制马氏体的体积分数、分散状态和两相的硬度差，从 而改善DP钢的伸长翻边性不足，研制出延展性和伸 长翻边性兼备的980 MPa级DP钢。
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形不再集中在局部,使相变均匀扩散到整个材料以提 高钢板的强度和塑性，实现了强度和塑性较好的统 一，解决了强度和塑性的矛盾。
TRIP钢与其他同级别的高强度钢相比，最大特 点是兼具高强度和高延展性，可冲制较复杂的零件； TRIP钢还具有高的抗冲撞吸收功的特点，一旦遭遇碰 撞，将通过自身形变来吸收能量，常用于汽车的保险 杠、汽车底盘等防撞部位。此外，这种钢还因其优良 的高速力学性能和疲劳性能，受到现代汽车制造商的 青睐，与DP钢一样主要用于汽车结构件。见图2。
对于形状复杂、强度要求不高的汽车车身外 板，主要采用具有极优异的深冲性能的无间隙原子钢 （Interstitial Free Steel；以下称IF钢）。IF钢的特点 是C、N含量很低,并在钢中加入Ti和Nb,形成Ti和Nb 的C、N化合物,使钢中的C、N间隙原子得以消除,从 而具有优越的深冲性能。其实，IF钢早在1949年已 研制成功，由于受到冶炼等技术的限制，直至20世 纪80年代，冶炼技术进一步发展，采用底吹转炉和 改进的RH(Ruhrstahl ＆ Heraeus)真空处理后经济地
图4 高强度钢板成形极限曲线 因为超高强度钢（590 MPa级以上）的强度很 高，导致出现冲压成形后回弹较大、零件精度较低的 问题。对此，日本等国家已经开发了新的工艺。例 如，在高强度钢弯曲成形时采用反回弹技术，即在设 计、制造冲模时考虑材料的回弹量，使冲制的零件经 回弹后达到所需尺寸。最近，针对超高强度钢的复杂 成形提出了温间冲制工艺，即含碳量约0.25%的超高
TRIP钢在加工时由于变态诱发塑性的效果可
生产出C≤0.002%的现代IF钢。图3显示了IF钢研制 的变迁。目前，伸长率和塑性应变比(r : Plastic strain ratio)可达45%和2.0以上的IF钢已成为继沸腾钢、铝 镇静钢之后第三代冲压用钢,它的生产已成为一个国 家汽车用钢板生产水平的标志。
图1 各种高强度钢的强度和伸长率 对于用来制造汽车部件的钢板，既要确保其冲 压成形性，又需对其碳当量加以控制以不妨害其焊接 性。在这种情况下，要获得高强度钢，通常钢的组 织需保证有马氏体相。但单纯马氏体相钢，如图1所 示的回火马氏体（Tempered martensite）钢虽具有 980~1 480 MPa超高强度，因其延展性很低而难以保 证加工性，在汽车车身中的应用则受到限制，仅用于 2010年第2期
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度、安全性，又可以减轻汽车自身质量，节约能耗、
降低排放并改善环境。目前，为了充分发挥材料的性
能，根据零部件使用性能的要求，已研制出多种汽车
车身用高强度钢，并由此推动新技术、新材料、新工
艺和新产品的研发。
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图5 高强度钢的电阻点焊性（板厚1 mm）
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生产
PRODUCTION
装备
EQUIPMENT
非标齿条刀具的设计及应用
对传统的齿轮加工刀具进行深入分析后得出，可以用不同齿形角的滚刀加工出达到设计要求的 各种齿轮，但要找出刀具切削刃上的不合适点而对滚刀进行简单修正。
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图3 IF钢研制的变迁
凹陷性能，在IF钢的基础上又研发出具有极优异的深 冲性能的烘烤硬化钢（Bake Hardening Steel，以下 称BH钢）。这种钢本身强度并不高，甚至略低于IF 钢，通过加工过程中的加工硬化和烤漆过程中的时 效现象来获得最终零件的强度。其主要机理就是这 种钢中Nb和Ti含量比IF钢低，这使得BH钢中含有一 定数量的间隙原子。由于BH钢主要应用在汽车外壳 上，在烤漆过程中，间隙原子会在烤漆温度下进行时 效反应，使得钢在最后的过程中有一个固溶强化的过 程，而最终提高零件的强度。用BH钢冲压成的零件 经油漆烘干后其强度提高显著,可达BH钢本身强度的 120%左右，它代表了当今冲压用钢板发展的最高水 平,是今后冲压用钢的发展方向。
为了弥补IF钢强度的不足，提高车身外表零件抗
图2 590 MPa级以上钢板应用部位 得到高延展性，但却和DP钢板同样具有伸长翻边 性差的缺点。随着其用途的扩大亦要求加工性进 一步提高。于是在TRIP钢基础上，又开发出延展 性和伸长翻边性两者同时提高的980 MPa级贝氏铁 素体（BF: Banitic Ferrite）基相变诱发塑性变形钢 （Transformation Induced Plasticity Aided Banitic Ferrite Steel，以下称TBF钢）。TBF钢是以微细板条 状BF为母相，微细残留奥氏体散布在板条BF间。这 种钢板因其综合性能良好被认为是继DP钢、TRIP钢 之后又一种汽车车身结构主要用钢，具有极大的应用 前景。
（1）高强度钢板的冲压成形性 成形极限被认为是材料的成形性能指标。图4 显示了普通低碳钢、780 MPa级DP钢、980 MPa级 TRIP钢的成形极限曲线。由图4可见，与普通低碳钢 相比，两种高强度钢的成形极限相对较低，可其绝对 值仍然较高。由于在实际运用中，大部分成形复杂的 拉伸件、胀形件一般采用IF钢或BH钢。所以，这样 的成形极限足可保证其具有良好的成形性。
众所周知，汽车车身零件绝大部分是冲压成形 件。因此，为保证较复杂零件的冲制，需进一步提高 汽车车身用高强度钢的延展性。在这种情况下，成功 开发了相变诱发塑性变形钢(Transformation Induced Plasticity Steel，以下称TRIP钢)。TRIP钢室温组织 主要由铁素体、贝氏体及残余奥氏体三相构成。与 DP钢相似,作为基体的铁素体主要对塑性做贡献,作 为主要第二相的贝氏体则主要提高材料的强度。但 与DP钢不同的是,TRIP钢的组织中还存在一定含量 (5%~15%)的残余奥氏体。TRIP钢也就是通过相变诱 发塑性效应使钢板中这些残余奥氏体在塑性变形作用 下诱发马氏体的生核及形成,并产生局部硬化,继而变
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汽车车身用高强度钢及其加工性能的探讨
介绍高强度钢在汽车车身中的运用及发展状况，并就其冲压成形性、焊接性等加工性能进行探 讨和分析。
一拖（洛阳）福莱格车身有限公司 李建军 河南科技大学 邱然锋
1 高强度钢板的应用现状和发展动向
强度钢板冲压成形时，进行900 ℃加热，等材料完全 奥氏体化后再冲压成形，然后在冲模中冷却、淬火使 其产生马氏体。利用温间冲制工艺可获得1 500 MPa 以上强度的尺寸合格的零件。当然，随着1 000 t以上 超大型压力机的使用，超高强度钢的冲压加工将会更 加容易。