为了满足汽车行业严格的油耗法规、增强行人保护和提高车辆性能，抗拉强度大于（1GPa）的高等级钢材如先进高强度钢（AHSS）、超高强度钢（UHSS）在汽车行业得到迅速应用。先进高强度钢因其优异的强度和延展性而表现出最佳性能。但从冲压模具性能的角度来看，这些先进高强度钢与传统模具材料和表面处理技术结合使用时仍然具有挑战性。其中，模具维护和生产中断往往导致成本大幅增加。
图 1. 2011 年世界汽车钢铁组织 (WAAS) 未来钢制汽车 (FSV) 项目使用的先进高强度钢等级分类。许多钢种的抗拉强度都超过。
为了帮助金属零部件加工企业解决这些问题，美国汽车/钢铁协会（A/SP）冲压模具优化（STO）项目组开始研究先进高强度钢和超高强度钢对模具设计和维护的影响，其研究成果将在项目各阶段结束后应用到其成员单位（通用和福特）的冲压模具设计标准中。
图2 2016款本田Pilot采用焊接热冲压门框，抗拉强度为1。
国际钢铁行业开展了多项合作项目，从1998年启动的超轻钢车身（ULSAB）项目，到2011年世界汽车钢联盟的未来钢制汽车（FSV）项目。这些项目均采用了新型先进高强度钢和创新制造技术，在大幅减轻重量、提高燃油经济性方面取得了显著成果。事实上，FSV研究项目几乎使汽车设计和制造工程师目前可用的先进高强度钢种和创新制造技术的数量增加了一倍。
图 3 2015 款克莱斯勒和 GMC 车型采用连续可变横截面（连续可变厚度）、抗拉强度热冲压 B 柱。
北美汽车行业已经采纳了FSV项目的研究成果——许多先进高强度钢和创新制造技术的快速应用就是一个很好的例子。图2和图3列出了目前在北美市场生产的车型中使用的一些材料和制造创新。这些应用实例强调了抗拉强度在1GPa以上的先进高强度钢的可加工性的重要性。随着这些钢种逐渐获得认可，A/SP冲压和冲压模具优化项目团队开始在现有的汽车制造体系内开发针对这些钢种的成形技术。
双相钢加工模具耐用度研究
不久前，A/SP STO研究团队在真实生产条件下完成了对级钢的试验。该研究的目标是评估冲压模具在裸钢卷边过程中的耐用性，并根据结果更新汽车模具的标准。
图4 研究分两个阶段在实际生产条件下的级进模（New, Miami, FL）上进行。根据设计，14 工位冲压模具将生产一个测试样品（如图所示），其中包含 12 个形状复杂的法兰。
本研究是在 Tool & Die (New, Miami) 公司的实际生产条件下在级进模上进行的，分两个阶段完成。根据设计，14 个工作站冲压模具将生产一个测试样品（如图 4 所示），其中包含 12 个形状复杂的折叠边。所选的冲压材料为 1.2mm 厚的裸钢板，是目前冷冲压工艺中使用的最具挑战性的代表性材料。图 5 显示了 14 个级进模在条状材料布局上的操作情况，图 6 显示了冲压过程中模具在压力机中的情况。
试验所用的级进模由31块镶件组成，采用了11种模具材料和9种表面处理技术（涂层）的组合。研究的第一阶段于2015年进行，采用了18种模具材料与涂层组合，适用于加工抗拉强度小于的先进高强度钢。研究的第二阶段于2016年进行，在第一阶段的结果基础上，采用了13种模具材料与涂层组合，对抗拉强度大于的部件材料进行了试验。试验的模具材料包括TD2、D2、T44、CC1、D6510、DC53、S2333、、SLD-I、44和模具钢，涂层包括PVD CrN、CrN和Most、CR Plate、Cool Sheet、和Most、铬板、离子氮化铬板和（）。
图 5 中的条带布局显示了用于生产测试样本的 14 个渐进式模具冲压操作。
实验前高强度钢材有哪些，研究人员利用LS-Dyna等软件进行仿真计算，确保预操作设置不存在加工可行性问题。
图 6 正在工具和模具工厂测试的级进模、测试冲头和带料。
新的模具材料和涂层组合
冲压模具的磨损情况根据以下标准进行判断：安全（无磨损）、轻微划痕、冲压件表面划痕非常粗糙（见图7）。每冲压100次对冲压板料进行一次评估。2015年进行的试验采用了成功使用的冲压模具和涂层材料的组合高强度钢材有哪些，其抗拉强度低于钢。试验结果表明，只要冲压35次，性能就会出现问题，大多数镶件在冲压20000次后就出现了问题。唯一经受住20000次冲压考验的组合是：带涂层的TD2材料。
图 7：该测试样本因冲头磨损而出现粗糙的划痕。
2016年，研究团队再次对新型模具材料和涂层组合的耐久性进行了研究，以确定采用该组合的冲压模具是否可用于加工下一代抗拉强度大于100%的先进高强度钢。总体而言，模具镶块的性能与2015年相比有了很大的提高。虽然在本次研究中，在冲压4000次后出现了故障，但大多数镶块的冲压次数都超过了10000次，四种组合的总冲压次数已达到65800次。事实上，在2015年测试中表现最好的镶块（采用TD2材料和涂层组合）在2016年的测试中仍然表现良好，没有出现重大问题，总冲压次数超过了80000次。
研究团队进一步分析了两次试验的结果，试图找出模具磨损与刀片硬度和表面粗糙度之间的关系。结果表明，与模具磨损程度没有直接的关系。然而，先前的研究表明，硬度超过 60 洛氏 C 的刀片更容易崩刃，而硬度超过 54 洛氏 C 的刀片将会出现早期磨损。刀片表面粗糙度的分析比硬度更不规则，但它表明中等粗糙度可能是最好的结果。
第二阶段的结果是重复第一阶段的试验而得到的。与第一阶段相比，研究团队发现模具性能与测量结果之间没有直接的关系。作为第二阶段试验分析的一部分，研究团队测量了钢板在初始状态和最终加工后的表面粗糙度。在模具磨损的情况下，最终加工零件的表面粗糙度根据卷边材料和涂层显示出差异。在某些情况下，粗糙度如预期的那样增加。但在其他情况下，表面粗糙度降低，表明模具在卷边操作过程中开始磨损工件表面的突出部分。
此外，研究团队还用扫描电子显微镜仔细观察了每一块磨损的模具镶块，并用图像处理软件对磨损区域进行了测量和分析。将这些结果与工件表面评估结果进行了对比，结果验证了之前的推测，即目前大规模生产中使用的模具和涂层材料无法承受钢材的冲压，会造成冲压工具过早损坏，并在冲压件表面造成严重的划痕。
刀具/涂层组合是加工延展性钢的关键
A/SP 冲压模具优化项目团队最近进行的研究表明，需要改进模具材料和涂层的组合来加工抗拉强度超过 1 GPa 的钢材。一些模具材料和涂层组合在耐磨性方面的表现优于以前用于加工抗拉强度低于 1 GPa 的冲压钢的模具设计。
此外，研究团队计划继续研究模具硬度和粗糙度之间的关系，以提高超高强度钢加工模具的性能。随着汽车行业对先进高强度钢的接受和应用加速，以及钢铁行业不断开发更高强度和更高延展性的钢种，不断改进模具技术以跟上步伐变得越来越重要。
