轎車側(cè)圍外板沖壓安全裕度探究

一汽-大眾汽車有限公司 吉林長春 130011

1 序言

沖壓作為汽車制造的第一道工藝，其沖壓件的好壞不僅直接影響汽車的性能，還影響汽車的質(zhì)量、成本和使用壽命，因此，各車企對沖壓工藝的要求也越來越高。在汽車制造中，沖壓是一種高自動(dòng)化，低成本，能夠成形復(fù)雜形狀的先進(jìn)加工方式。沖壓包含落料、拉延、翻邊沖孔和整形等工序，其壓機(jī)質(zhì)量大、產(chǎn)品產(chǎn)量大，成形過程受力復(fù)雜，因此，沖壓生產(chǎn)中會(huì)產(chǎn)生不同形式的失效行為，包括拉裂、縮頸及起皺等。針對這些缺陷，傳統(tǒng)的預(yù)測及控制方式大多依賴于沖壓相關(guān)人員的經(jīng)驗(yàn)，缺乏方向性，容易造成資源浪費(fèi)，降低效率；沖壓成形有限元仿真難以兼顧沖壓生產(chǎn)中的多種影響因素，造成仿真結(jié)果與生產(chǎn)實(shí)際存在差距，且有限元仿真過程復(fù)雜，不能作為沖壓批量監(jiān)控的手段；而網(wǎng)格應(yīng)變分析技術(shù)能夠直觀地觀察成形區(qū)域板料的流動(dòng)方向，通過計(jì)算，能夠給出網(wǎng)格區(qū)域每個(gè)位置的主、次應(yīng)變值，通過成形極限圖可以獲得材料的安全裕度值，操作簡單，結(jié)果準(zhǔn)確，對沖壓質(zhì)量控制及缺陷預(yù)防具有指導(dǎo)性作用。

2 網(wǎng)格應(yīng)變分析技術(shù)

2.1 成形極限圖

板料經(jīng)外力作用發(fā)生形變，其破裂前的最大變形稱為成形極限，成形極限是表征板料變形能力的指標(biāo)。在沖壓生產(chǎn)中，板料的受力復(fù)雜，多數(shù)為兩向及三向應(yīng)力狀態(tài)，其應(yīng)變可以用ε1、ε2和ε3這3個(gè)應(yīng)變指標(biāo)來表示，根據(jù)體積不變原則可知：ε1＋ε2＋ε3＝0。已知2個(gè)應(yīng)變，第3個(gè)應(yīng)變即可由體積不變原則得出，因此，板料的實(shí)際應(yīng)變只需主應(yīng)變?chǔ)?和次應(yīng)變?chǔ)?即可表示。以主應(yīng)變和次應(yīng)變?yōu)樽鴺?biāo)軸，將板料成形極限狀態(tài)下的應(yīng)變值繪在1個(gè)坐標(biāo)系內(nèi)，即可得到該板料的成形極限圖，如圖1所示。

圖1 成形極限圖

理論上，當(dāng)變形區(qū)域位于成形極限曲線（FLC）下方時(shí)，代表這些區(qū)域不會(huì)發(fā)生破裂，如果板料的某些變形區(qū)域位于成形極限曲線的上方，則代表該區(qū)域發(fā)生破裂。成形極限圖在沖壓生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，是評價(jià)沖壓件成形性能的重要依據(jù)。目前大部分的成形極限圖都是在試驗(yàn)條件下通過不同的加載路徑進(jìn)行大量的測試而得到的。沖壓所用材料種類繁多，近年來，大批新型輕量化材料也被越來越廣泛地采用，通過試驗(yàn)法獲得所有材料的成形極限圖所需人力物力及時(shí)間成本巨大，對于沖壓鋼件，可以考慮利用Keeler公式計(jì)算理論成形極限圖。

2.2 成形極限圖的理論預(yù)測

Keeler最早提出了成形極限圖的概念，其對鋼件的理論預(yù)測結(jié)果與實(shí)際較為接近，在汽車行業(yè)得到了較多的應(yīng)用。Keeler公式表達(dá)式如下：

式中，n是應(yīng)變硬化指數(shù)；t是板料厚度，單位為mm。

整個(gè)成形極限曲線可以由以下公式獲得：

由式1及式2可以看出，Keeler成形極限圖主要跟板料的n值及t值有關(guān)。為了驗(yàn)證Keeler成形極限圖的準(zhǔn)確性，對寶鋼DC06鋼板進(jìn)行試驗(yàn)測量得出成形極限圖，其材料性能參數(shù)見表1。

表1 DC06鋼板性能參數(shù)

將Keeler理論預(yù)測的成形極限圖與Argus軟件理論預(yù)測圖、Comsmart軟件理論預(yù)測圖及DC06板料的實(shí)測結(jié)果進(jìn)行對比（見圖2），可以看出，Argus軟件理論及Comsmart軟件理論預(yù)測結(jié)果與實(shí)測結(jié)果相差較大，且Argus軟件理論預(yù)測的主應(yīng)變最小。在拉伸變形區(qū)（次應(yīng)變?chǔ)?＜0），Keeler理論預(yù)測結(jié)果整體略低于實(shí)測結(jié)果，在脹形變形區(qū)（次應(yīng)變?chǔ)?>0），Keeler理論預(yù)測結(jié)果與實(shí)測結(jié)果比較接近?？傮w來看，Keeler理論預(yù)測結(jié)果與實(shí)測結(jié)果整體保持一致，因此，對于DC06材料來說，可以用Keeler成形極限圖的理論預(yù)測代替試驗(yàn)測量。

圖2 理論與實(shí)測成形極限圖對比

2.3 網(wǎng)格應(yīng)變分析原理

本文以Argus網(wǎng)格應(yīng)變分析系統(tǒng)為工具來進(jìn)行網(wǎng)格應(yīng)變試驗(yàn)。Argus網(wǎng)格應(yīng)變分析是GOM公司開發(fā)的板料成形應(yīng)變測量系統(tǒng)，主要由三部分組成：電化學(xué)腐蝕網(wǎng)格印制設(shè)備、用于識(shí)別網(wǎng)格的光學(xué)圖像測量設(shè)備以及用于計(jì)算形變數(shù)據(jù)的高性能后處理設(shè)備。其測量原理為在成形前的板料上通過電化學(xué)腐蝕印制圓形網(wǎng)格，沖壓后利用光學(xué)設(shè)備測量變形后的網(wǎng)格數(shù)據(jù)，根據(jù)體積恒定原則，通過后處理模塊得出主應(yīng)變、次應(yīng)變等數(shù)據(jù)，并生成成形極限圖。根據(jù)2.2節(jié)的結(jié)論，Keeler公式預(yù)測的成形極限圖與實(shí)際較為接近，因此，在生成成形極限圖時(shí)，采用Keeler公式替代軟件默認(rèn)的公式。

安全裕度值是指板料最大形變與成形極限的接近程度，通過安全裕度值能夠直觀地判斷沖壓件生產(chǎn)中的風(fēng)險(xiǎn)程度，當(dāng)安全裕度值≤0時(shí)，意味著零件發(fā)生破裂。Argus網(wǎng)格應(yīng)變系統(tǒng)能夠直觀地讀出主應(yīng)變、次應(yīng)變值，并且通過將沖壓件應(yīng)變云圖與板料成形極限圖進(jìn)行對比，從而得到?jīng)_壓件各位置的安全裕度值。

3 側(cè)圍外板沖壓安全裕度探究

3.1 網(wǎng)格試驗(yàn)

在沖壓生產(chǎn)中，印制后的網(wǎng)格板料需要經(jīng)過拉延、翻邊、沖孔及整形等工序才能成為成品網(wǎng)格件，其中，拉延是主成形工序。成品件經(jīng)過多工序沖壓，網(wǎng)格模糊，識(shí)別困難，而拉延工序件網(wǎng)格較為清晰，因此，為了保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及可靠性，網(wǎng)格試驗(yàn)多以拉延工序件為基礎(chǔ)進(jìn)行應(yīng)變分析。本節(jié)以某轎車右側(cè)圍外板為例，探究拉延工序件及成品件的安全裕度。該側(cè)圍外板所用板料為寶鋼生產(chǎn)的DC06鋼板，材料力學(xué)性能數(shù)據(jù)見表1。利用電化學(xué)腐蝕在右側(cè)圍外板板料對應(yīng)的A、B、C3個(gè)位置印制網(wǎng)格，印制位置如圖3所示，并將印制好網(wǎng)格的板料分別在沖壓生產(chǎn)線上壓成拉延工序件及成品件。

圖3 網(wǎng)格區(qū)域位置

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

利用Argus網(wǎng)格應(yīng)變系統(tǒng)對右側(cè)圍外板拉延工序件及成品件的A、B、C3處進(jìn)行測量，得到成形后2個(gè)區(qū)域的成形極限圖和應(yīng)變云圖，如圖4～圖6所示。從圖中可以看出，拉延工序件及成品件A、B、C3個(gè)區(qū)域的應(yīng)變云圖均位于成形極限曲線下方，說明這3個(gè)區(qū)域較為安全，未發(fā)生破裂。通過對比同一區(qū)域拉延工序件與成品件可以看出，成品件的應(yīng)變云圖整體更靠近成形極限曲線，說明經(jīng)過后續(xù)沖壓工藝，成品件比拉延工序件整體變形程度更大，更容易發(fā)生破裂。

圖4 A區(qū)域成形極限圖和應(yīng)變云圖

圖5 B區(qū)域成形極限圖和應(yīng)變云圖

圖6 C區(qū)域成形極限圖和應(yīng)變云圖

通過讀取成形極限圖中主、次應(yīng)變及成形裕度數(shù)據(jù)，可以得出拉延工序件及成品件A、B、C3個(gè)區(qū)域成形性能的具體數(shù)據(jù)，見表2。

表2 各區(qū)域成形性能數(shù)據(jù) （%）

由表2可知，A、B、C3個(gè)區(qū)域成品工序的安全裕度值均比拉延工序低，差值最大區(qū)域?yàn)锽，裕度差達(dá)到了8.39%。綜上所述，轎車側(cè)圍外板成品工序的裕度值小于拉延工序，更易發(fā)生破裂，裕度差在10%以內(nèi)，在以拉延工序件為基礎(chǔ)的網(wǎng)格試驗(yàn)中，應(yīng)考慮拉延工序與成品工序的安全裕度差。

4 結(jié)束語

本文以成形極限圖為切入點(diǎn)，介紹了網(wǎng)格應(yīng)變分析技術(shù)在汽車行業(yè)沖壓質(zhì)量控制及缺陷預(yù)防中的應(yīng)用，并通過試驗(yàn)得出以下結(jié)論。

1）網(wǎng)格應(yīng)變分析技術(shù)以其操作便捷、結(jié)果準(zhǔn)確的特點(diǎn)，適合在汽車沖壓行業(yè)進(jìn)行缺陷風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控及輔助模具優(yōu)化。

2）對于DC06材料，可以用Keeler公式預(yù)測成形極限圖，理論預(yù)測結(jié)果與實(shí)測結(jié)果整體保持一致。

3）轎車側(cè)圍外板成品工序的裕度值小于拉延工序，裕度差在10%以內(nèi)，在以拉延工序件為基礎(chǔ)的網(wǎng)格試驗(yàn)中，應(yīng)考慮拉延工序與成品工序的安全裕度差。

專家點(diǎn)評

在汽車制造行業(yè)中，沖壓成形是一種高自動(dòng)化、低成本的先進(jìn)加工方法，本文介紹了網(wǎng)格應(yīng)變分析技術(shù)在沖壓質(zhì)量控制及缺陷預(yù)防中的應(yīng)用，并通過工藝試驗(yàn)得出正確的結(jié)論。

文章的專業(yè)性很強(qiáng)，思路清晰，論證有力，基于轎車側(cè)圍外板的沖壓安全裕度研究和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，具有很好的理論研究方法和指導(dǎo)性作用。