網(wǎng)格實(shí)驗(yàn)在沖壓失效分析中的應(yīng)用

供稿|楊天一，趙廣東 /

作者單位：本鋼板材技術(shù)研究院，遼寧 本溪 117000

內(nèi)容導(dǎo)讀

文章簡單介紹了網(wǎng)格分析實(shí)驗(yàn)方法的基本流程，同時結(jié)合具體案例，介紹了如何采用網(wǎng)格實(shí)驗(yàn)分析方法對沖壓失效的零件進(jìn)行應(yīng)變分析，以及根據(jù)材料的變形行為、流動分布結(jié)合現(xiàn)場零件沖壓的實(shí)際情況探討了零件沖壓失效開裂的原因，提出了降低產(chǎn)品開裂率的措施。

隨著汽車工業(yè)飛速發(fā)展，汽車廠不斷推出各種新車型，車身覆蓋零件作為車身主要組成部分，對沖壓工藝和材料的要求也越來越高。車身零部件的沖壓工藝大多包括拉深、脹形、沖孔和剪邊等[1]。由于現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，沖壓失效的原因也復(fù)雜多樣，如何準(zhǔn)確有效的找出沖壓失效的原因，便成為解決失效問題的關(guān)鍵。

奇瑞汽車某配套廠一直使用本鋼生產(chǎn)的某鍍鋅產(chǎn)品來沖壓生產(chǎn)轎車車身側(cè)圍零部件。2016年12月使用本鋼供應(yīng)的板料在進(jìn)行沖壓生產(chǎn)時，產(chǎn)品的開裂率很高(10%～20%)。本鋼質(zhì)量部門對所供原料進(jìn)行查詢，原料基本力學(xué)性能沒有太大的變化，原料的各項指標(biāo)都在正常范圍內(nèi)，但后續(xù)生產(chǎn)沖壓開裂率仍在20%左右。零件沖壓開裂時，掌握材料在沖壓過程中的變形行為和材料的狀況，對開裂的原因分析至關(guān)重要[2]。鑒于此，本鋼對現(xiàn)場材料進(jìn)行了網(wǎng)格分析實(shí)驗(yàn)，分析了零件成形后的應(yīng)變狀態(tài)，并找出破裂的原因，尋求解決辦法。

網(wǎng)格分析實(shí)驗(yàn)方法

網(wǎng)格分析法的原理是采用光學(xué)測量技術(shù)，通過數(shù)碼相機(jī)采集零件表面圓點(diǎn)坐標(biāo)信息，再由軟件計算，得出零件的圖像形貌的一種實(shí)驗(yàn)方法。通過計算還可以獲取實(shí)驗(yàn)區(qū)域的主應(yīng)變、次應(yīng)變、厚度減薄等變形信息。

實(shí)驗(yàn)的一般步驟可分為：(1)獲取沖壓零件和材料的信息，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行該材料的成形極限實(shí)驗(yàn)，獲得材料的FLC曲線；(2)到用戶現(xiàn)場，選用表面干凈平整的板料，對關(guān)注的位置利用電化學(xué)腐蝕方法，在板料表面印制圓點(diǎn)網(wǎng)格；(3)零件沖壓，對沖壓成形的零件進(jìn)行圖像采集，并傳送到電腦工作站；(4)軟件系統(tǒng)對采集的圖像進(jìn)行分析處理，得到零件的變形分布，厚度變化等信息，配合材料的FLC曲線進(jìn)行分析；(5)生成分析報告，與汽車廠共同分析零件失效原因，對沖壓工藝或者材料進(jìn)行調(diào)整。

現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)材料的性能和現(xiàn)場沖壓情況

分批次取樣，測試不同供貨卷號的現(xiàn)場沖壓料片，得到其基本力學(xué)性能數(shù)據(jù)，如表1所示。由表格中性能數(shù)據(jù)可以看到，材料性能都滿足鋼種供貨的要求，基本力學(xué)性能方面沒有問題。

表1 沖壓料的基本力學(xué)性能及交貨條件

選擇在卷2的料片上做網(wǎng)格分析實(shí)驗(yàn)，對卷2原材料取樣并進(jìn)行成形極限測試，得到材料的FLC曲線，如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)料的FLC曲線

從現(xiàn)場沖壓的情況來看，沖壓開裂的位置大致集中在車門來料沖孔部位的下方，開裂位置為左右兩邊隨機(jī)出現(xiàn)。開裂情況如圖2所示。

圖2 零件開裂情況

失效位置的網(wǎng)格應(yīng)變分析

開裂位置在沖孔的邊緣，為排除前部落料工序可能存在的外部影響因素，在進(jìn)行網(wǎng)格實(shí)驗(yàn)前先對料片的落料部位進(jìn)行了檢查，切口處光滑無缺陷，具體如圖3所示。

圖3 落料后料片的狀態(tài)

依據(jù)沖壓破裂的位置，在板料相對應(yīng)的位置及四周印制網(wǎng)格，網(wǎng)格印制完成后，送沖壓生產(chǎn)線上進(jìn)行沖壓，為了最大程度的保留失效區(qū)域的變形情況，只進(jìn)行第一道沖壓工序。沖壓完成后取下沖壓件，可以看到裂紋在車門落料區(qū)域的下邊緣產(chǎn)生，并向內(nèi)擴(kuò)展，如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)料沖壓開裂情況

在網(wǎng)格區(qū)域擺放數(shù)碼點(diǎn)，拍照計算，獲得網(wǎng)格變形區(qū)域的主應(yīng)變分布圖，如圖5所示。在裂紋附近根據(jù)變形云圖的分布，選取三個階段點(diǎn)分別獲得主應(yīng)變值。階段點(diǎn)0：72.020%；階段點(diǎn)1：33.003%；階段點(diǎn)2：13.958%?？梢钥闯觯弘S變形距離裂紋失效位置的遠(yuǎn)近，應(yīng)變成倍數(shù)關(guān)系變化。從主應(yīng)變分布圖也可以看到，在此區(qū)域，變形存在著集中和明顯的分層，變形分布非常不均勻。

圖5 網(wǎng)格主應(yīng)變云圖

由軟件計算得到零件網(wǎng)格應(yīng)變的分布云圖，將材料的FLC曲線導(dǎo)入，材料的安全裕度為10%，得到圖6。從圖6可以看出，位置A區(qū)變形已經(jīng)超出了材料的變形極限，所以會出現(xiàn)破裂缺陷，這與實(shí)際情況是吻合的。位置B區(qū)是主應(yīng)變最大的位置，從圖上可以看到已經(jīng)超出了安全裕度，屬于處于破裂邊緣的危險區(qū)域。

圖6 網(wǎng)格應(yīng)變的FLD圖

討論

通過現(xiàn)場情況的了解，以及網(wǎng)格實(shí)驗(yàn)獲得零件的應(yīng)變分布來看，零件的開裂是變形超出了材料的變形極限造成的。此零件在模具調(diào)試階段，應(yīng)客戶的要求做過正常沖壓情況下的網(wǎng)格分析實(shí)驗(yàn)。結(jié)合之前的應(yīng)變分析報告進(jìn)行比對，兩者差異在于：零件破裂失效的區(qū)域存在著變形不均而導(dǎo)致的應(yīng)變集中。如圖5中所顯示的，相鄰的3個階段點(diǎn)，主應(yīng)變高的可達(dá)60%以上，低的只有15%左右。所以材料在變形過程中，階段點(diǎn)2附近的材料容易流動，而階段點(diǎn)0附近的不易流動，造成階段點(diǎn)2位置變形得不到補(bǔ)充，應(yīng)變集中增大到突破材料極限值而發(fā)生開裂。

結(jié)束語

(1) 板料在沖壓過程中，局部應(yīng)變分布不均，使材料流動不暢，造成應(yīng)變集中，是產(chǎn)生開裂的主要原因。在模具的調(diào)整中，可以通過增強(qiáng)圖5中1區(qū)的材料流動變形，減少應(yīng)變集中，從而降低開裂幾率。

(2) 從材料的角度，可以在產(chǎn)品技術(shù)允許范圍內(nèi)，適當(dāng)提高材料的性能，增大材料變形的破裂極限，從而降低廢品率。

攝影 賈大庸