商用車側(cè)圍外板沖壓開裂應(yīng)變分析

郝志強(qiáng)，林利，徐鑫，丁庶煒，李春林

（鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009）

隨著汽車工業(yè)的高速發(fā)展，汽車企業(yè)生產(chǎn)節(jié)奏日益加快，各大主機(jī)廠對汽車零部件沖壓質(zhì)量的要求越來越高，針對沖壓時出現(xiàn)的開裂、起皺、暗紋、回彈等缺陷問題[1-3]，很難確定其產(chǎn)生的原因。傳統(tǒng)的判斷方式是根據(jù)相關(guān)技術(shù)人員的生產(chǎn)經(jīng)驗，經(jīng)過多次嘗試來調(diào)整沖壓模具結(jié)構(gòu)，判定沖壓材料，調(diào)整現(xiàn)場沖壓工藝。受工作經(jīng)驗限制，缺少詳細(xì)的數(shù)據(jù)支持，耗費(fèi)大量的時間和精力。網(wǎng)格應(yīng)變分析技術(shù)能夠快速、準(zhǔn)確地反映汽車鋼板在實(shí)際沖壓成形后的變形特征。測量結(jié)果以色溫圖形式顯示，同時，根據(jù)對比軟件計算的應(yīng)變值與材料成形極限圖[4]的相對位置關(guān)系，判定材料是否達(dá)到成形極限以及安全裕度的大小。因此，它可以快速指導(dǎo)沖壓模具和沖壓材料做出相關(guān)調(diào)整，提高沖壓件質(zhì)量，減少沖壓缺陷[5-7]。

以某款國產(chǎn)商用車側(cè)圍零件為例，利用網(wǎng)格應(yīng)變分析技術(shù)，明確沖壓開裂原因，并從沖壓模具和沖壓材料兩個方面提出了相應(yīng)的改進(jìn)方案，在實(shí)際生產(chǎn)中得到了驗證與應(yīng)用。

1 試驗材料及方法

某汽車主機(jī)廠的商用車側(cè)圍外板的沖壓材料為DC06，厚度為0.8 mm，依據(jù)GB/T 228.1-2010金屬材料室溫拉伸試驗方法，利用Instron 100 kN電子拉伸試驗機(jī)測試其力學(xué)性能，結(jié)果見表1。在實(shí)驗室條件下，使用ITC萬能板材試驗機(jī)及AutoGrid網(wǎng)格分析測試系統(tǒng)，參照GB/T 15825.8-2008金屬薄板成形性能與試驗方法中第8部分成形極限圖測定指南，測定材料的成形極限，如圖1所示，其中，曲線M為厚度0.8 mm的DC06成形極限曲線，曲線N為成形極限相對安全裕度向下移動10%的曲線。

表1 DC06單向拉伸力學(xué)性能指標(biāo)

圖1 DC06成形極限圖

2 網(wǎng)格應(yīng)變分析試驗

網(wǎng)格應(yīng)變分析試驗是一種將網(wǎng)格應(yīng)變測量技術(shù)與材料的成形極限圖相結(jié)合的應(yīng)變分析方法。通過試驗方法測得被研究沖壓件所用材料的成形極限圖；在板料沖壓前，利用電化學(xué)腐蝕的方式，在板料表面需要分析的區(qū)域印制網(wǎng)格；板料沖壓成形后，印制的網(wǎng)格也隨之發(fā)生改變，對每個區(qū)域的網(wǎng)格變化情況進(jìn)行測量，用軟件計算出相應(yīng)的應(yīng)變值并將其與所選材料的成形極限圖相對比，可以獲得板料成形時的應(yīng)變分布，進(jìn)而判斷板料成形過程中材料的塑性變形是否合理，沖壓材料的選擇是否合適。同時還可確定板料的安全裕度、可能產(chǎn)生的沖壓缺陷以及所在的位置。

某國產(chǎn)商用車側(cè)圍外板零件外觀及易開裂的位置如圖2所示，在原始的板料中，對A、B、C、D、E、F共6個區(qū)域印制網(wǎng)格后進(jìn)行沖壓，再對沖壓變形后的板料進(jìn)行網(wǎng)格應(yīng)變分析。

圖2 零件外觀及易開裂的位置

3 網(wǎng)格應(yīng)變分析結(jié)果

按照上述方式共進(jìn)行兩次網(wǎng)格應(yīng)變分析試驗，第一次網(wǎng)格應(yīng)變試驗分析結(jié)果如圖3所示。

圖3 第一次網(wǎng)格應(yīng)變試驗分析結(jié)果

從圖中可以看出，C、D區(qū)域存在很大的開裂風(fēng)險，區(qū)域C最小成形極限值為7.8%，小于10%的成形安全裕度，同時最大減薄率達(dá)到了25.6%，很容易發(fā)生開裂或者頸縮的現(xiàn)象；區(qū)域D同樣，最小成形極限值9.2%，小于10%的成形安全裕度，最大減薄率達(dá)到了29.8%，極易在沖壓過程中開裂。

針對C區(qū)域，其最小成形極限值集中在車窗附近的圓角位置上，由于圓角半徑過小，導(dǎo)致成形過程中材料流動不順暢。針對D區(qū)域，模具設(shè)計梯度過大，導(dǎo)致B柱附近板料流動十分困難，極易發(fā)生開裂情況；同時D區(qū)域最大減薄率達(dá)到29.8%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于車廠要求最大減薄率小于25%的要求，因此應(yīng)降低沖壓材料的變形阻力，增加材料在變形過程中的流動性能，從而提高材料的成形性能。

4 改進(jìn)措施與效果

根據(jù)網(wǎng)格應(yīng)變分析結(jié)果，對沖壓模具以及沖壓材料進(jìn)行優(yōu)化，提出如下優(yōu)化方案：

（1）增大C區(qū)域的圓角半徑，適當(dāng)增加模具間隙，調(diào)整拉延筋參數(shù)，從而增加材料在沖壓過程中的流動性。

（2）調(diào)整D區(qū)域的拉延筋位置，適當(dāng)減小壓邊力；增加沖壓材料的塑性應(yīng)變比r值及均勻延伸率Agt，提高材料沖壓性能。

根據(jù)優(yōu)化后方案進(jìn)行第二次網(wǎng)格應(yīng)變分析試驗，主要分析區(qū)域C和區(qū)域D，得到成形極限以及厚度減薄率應(yīng)變云圖如圖4所示。從圖4可以看出，區(qū)域C的最小成形極限為15.4%，大于10%的成形安全裕度，區(qū)域C的最大厚度減薄率為23.3%，小于主機(jī)廠要求的25%最大厚度減薄率；區(qū)域D的最小成形極限值達(dá)到21.6%，大于10%的成形安全裕度，同時最大厚度減薄率為21.4%。

經(jīng)過對比兩次試驗可以看出，通過優(yōu)化沖壓模具以及沖壓材料，危險區(qū)域C和D的最小成形極限值均大于10%的安全裕度，同時最大厚度減薄率均小于25%，成形處于安全范圍。

圖4 第二次網(wǎng)格應(yīng)變試驗分析結(jié)果

5 結(jié)論

（1）通過第一次網(wǎng)格應(yīng)變分析試驗，明確了沖壓材料開裂是由于材料性能不足，以及材料在模具沖壓過程中減薄率過大造成的。

（2）提出沖壓模具及沖壓材料優(yōu)化方案：調(diào)整沖壓模具圓角半徑、模具間隙以及拉延筋位置，提高沖壓材料的塑性應(yīng)變比r值以及均勻延伸率Agt。

（3）第二次網(wǎng)格應(yīng)變試驗表明：優(yōu)化方案實(shí)施后，危險區(qū)域的最小成形極限值及最大厚度減薄率均處于安全范圍。

（4）實(shí)驗表明：網(wǎng)格應(yīng)變分析技術(shù)能夠?qū)_壓模具的調(diào)整以及沖壓材料的優(yōu)化提供具體的數(shù)據(jù)支持，為控制沖壓零部件質(zhì)量提供了有效方法。