數(shù)字化網(wǎng)格分析技術(shù)在汽車覆蓋件沖壓中的應(yīng)用

文/彭周，陳寅，張占國，魏星·寶武集團(tuán)中央研究院汽車用鋼所

針對(duì)某一汽車覆蓋件，通過對(duì)其進(jìn)行數(shù)字化網(wǎng)格分析，根據(jù)相關(guān)圖形化軟件模擬出零件的應(yīng)變分布和厚度減薄率，分析出零件沖壓后出現(xiàn)局部成形性不足的原因，并提出改進(jìn)措施，還能在此基礎(chǔ)上有效完成覆蓋件沖壓成形分析并指導(dǎo)模具工藝優(yōu)化。

汽車覆蓋件是汽車車身制造的重要組成部分，具有嚴(yán)格的尺寸精度和表面質(zhì)量要求。其沖壓成形成功與否，很大程度上取決于對(duì)特定加載條件下薄板材料變形行為。在板料加工過程中，因應(yīng)變分布的差異會(huì)造成板料表面破裂、起皺等缺陷。因此精確計(jì)算出成形不同區(qū)域的應(yīng)變值對(duì)于研究各種板料沖壓缺陷有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。

針對(duì)覆蓋件在沖壓生產(chǎn)中出現(xiàn)的局部成形性不足，采用網(wǎng)格圖像分析法對(duì)缺陷區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行分析和計(jì)算，量化該區(qū)域的材料變形行為；并結(jié)合具體的材料性能和沖壓工藝，對(duì)沖壓缺陷產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析與討論。

網(wǎng)格分析法

網(wǎng)格技術(shù)是金屬薄板成形分析的主要工具，通過在金屬板料表面印制坐標(biāo)網(wǎng)格，分析變形前后網(wǎng)格尺寸的變化，從而得到板料的應(yīng)變大小與分布范圍。數(shù)字化網(wǎng)格分析技術(shù)是在傳統(tǒng)網(wǎng)格技術(shù)的基礎(chǔ)上，基于計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)的強(qiáng)大圖像處理能力來進(jìn)行自動(dòng)應(yīng)變測量。在眾多相關(guān)產(chǎn)品中，德國VIALUX 公司的AutoGrid? Strain Analysis System 是一套基于四鏡頭數(shù)碼相機(jī)的便攜式網(wǎng)格應(yīng)變測量系統(tǒng)，在現(xiàn)場應(yīng)用中有獨(dú)到優(yōu)勢。

在汽車覆蓋件沖壓前，將板料表面印制上方形網(wǎng)格。經(jīng)過沖壓成形后，獲得有方形網(wǎng)格的完整零件，如圖1 所示。利用四鏡頭的數(shù)碼相機(jī)拍攝照片，然后系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)拍攝得到的四張圖像進(jìn)行分析計(jì)算，獲得空間相機(jī)的坐標(biāo)位置，建立每張照片之間的空間關(guān)聯(lián)，從而獲得每個(gè)零件表面方形網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的空間坐標(biāo)值，相臨的3 個(gè)節(jié)點(diǎn)可以計(jì)算該位置的局部應(yīng)變，如圖2所示，由此可以得到整個(gè)零件范圍內(nèi)的應(yīng)變分布。利用所采集到的數(shù)據(jù)能完成成形過程優(yōu)化、數(shù)字仿真板料成形等系列分析。

圖1 零件表面方形網(wǎng)格

圖2 選取相臨的3 個(gè)節(jié)點(diǎn)

圖3 背門上部零件成形性不足區(qū)域

覆蓋件沖壓缺陷問題分析

圖3 為國產(chǎn)某車型背門上部零件，沖壓成形后零件表面產(chǎn)生了局部明顯的成形性不足缺陷。該零件選用牌號(hào)DC04、厚度規(guī)格為0.7mm 的冷軋板，材料屈服強(qiáng)度為154MPa，抗拉強(qiáng)度為300MPa，材料延伸率為41%，硬化指數(shù)為0.218。由圖3 可以看出，該覆蓋件為中心線對(duì)稱的零件，但是網(wǎng)格分析后發(fā)現(xiàn)A、B 區(qū)域的成形不足面積明顯要小于C、D 區(qū)域，而此零件沖壓的模具為單動(dòng)模具，模具壓邊力應(yīng)該均勻分布，這說明該零件模具在AB、CD 兩端的模具間隙有差異。在后繼試生產(chǎn)中，需將模具兩端的模具間隙調(diào)整一致。

采用AutoGrid? Strain Analysis System 數(shù)字化網(wǎng)格分析系統(tǒng)，對(duì)A、B、C、D 四個(gè)成形性不足的區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格應(yīng)力應(yīng)變分析。圖4 所示為四個(gè)區(qū)域的厚度減薄率分布，按照該汽車廠零件生產(chǎn)技術(shù)要求，將減薄率分布云圖標(biāo)示為紅色區(qū)域、漸變色區(qū)域和紫色區(qū)域，零件表面正常區(qū)域?yàn)榧t色區(qū)域和漸變色區(qū)域，紫色區(qū)域則為零件表面成形性不足區(qū)域。

圖4 四個(gè)區(qū)域的厚度減薄率分布

圖5 調(diào)整后四個(gè)區(qū)域的厚度減薄率分布

結(jié)合圖3 和圖4 可以看出： A、D 兩個(gè)區(qū)域都位于零件較邊緣部位，出現(xiàn)集中的成形不足區(qū)域。這說明由于零件邊緣的壓邊力不夠，沒有將板料邊緣的板料壓住，所以不能有效控制材料的流動(dòng)方向。要改善這一情況，沖壓時(shí)需加大壓機(jī)的壓邊力。B、C 兩個(gè)區(qū)域主要是在零件中間部位，出現(xiàn)成形不足區(qū)域，這說明該區(qū)域中間部位的板料流動(dòng)性不足。

通過圖3 中零件的外形可以看出，B、C 區(qū)域均包含有兩個(gè)階梯臺(tái)面，可以判斷出是由于階梯臺(tái)面的邊緣R 角過小，導(dǎo)致階梯臺(tái)面的板料被R 角限制了流動(dòng)性。改善這一情況的建議是，需將階梯臺(tái)面R角調(diào)大。

討論

模具廠根據(jù)網(wǎng)格實(shí)驗(yàn)所給出的建議進(jìn)行調(diào)整后，再次對(duì)調(diào)整后的沖壓成形零件進(jìn)行數(shù)字化網(wǎng)格應(yīng)力應(yīng)變系統(tǒng)分析，如圖5 所示，得到調(diào)整后的A、B、C、D 四個(gè)成形不足區(qū)域厚度減薄率分布。

比較圖5 和圖4 中A、B、C、D 四個(gè)成形不足區(qū)域厚度減薄率分布，可以發(fā)現(xiàn)零件表面成形性不足的區(qū)域明顯減少，說明數(shù)字化網(wǎng)格分析不僅可直接反映測量區(qū)域應(yīng)變分布和厚度減薄率，而且能有效指導(dǎo)覆蓋件沖壓成形工藝的改進(jìn)。

結(jié)束語

本文通過對(duì)汽車覆蓋件進(jìn)行數(shù)字化網(wǎng)格分析可直接反映測量區(qū)域的應(yīng)變分布情況和板料的厚度減薄率分布。而數(shù)字化網(wǎng)格分析的結(jié)果可以有效完成覆蓋件沖壓成形分析并指導(dǎo)模具工藝優(yōu)化。因此，通過對(duì)汽車覆蓋件進(jìn)行數(shù)字化網(wǎng)格分析對(duì)于研究各種板料沖壓缺陷有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。