網(wǎng)格實(shí)驗(yàn)法在汽車(chē)側(cè)圍模具驗(yàn)收中的應(yīng)用研究

吳海波

（馬鞍山職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程系，安徽 馬鞍山 243041）

在汽車(chē)制造過(guò)程中，先進(jìn)的覆蓋件沖壓工藝是反映企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的重要因素之一。汽車(chē)外覆蓋件材料薄、尺寸大、變形復(fù)雜，成形過(guò)程影響因素多，涉及到平面應(yīng)變、軸向拉伸、軸向壓縮、脹形等應(yīng)變狀態(tài)且每個(gè)應(yīng)變狀態(tài)的開(kāi)裂條件并不相同，板材變形情況很難進(jìn)行準(zhǔn)確判定。

現(xiàn)今主機(jī)廠對(duì)汽車(chē)零件沖壓成形質(zhì)量的要求也越來(lái)越高，從而對(duì)沖壓模具的設(shè)計(jì)和質(zhì)量提出更高的要求。汽車(chē)?yán)錄_壓模具開(kāi)發(fā)制作過(guò)程需要對(duì)模具的狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別及調(diào)整，以便制作出符合客戶(hù)需求的模具。在模具進(jìn)入相應(yīng)的主機(jī)廠或沖壓件配套廠之前都需要對(duì)其進(jìn)行預(yù)驗(yàn)收，通過(guò)模擬生產(chǎn)過(guò)程，對(duì)沖壓件進(jìn)行網(wǎng)格應(yīng)變分析，對(duì)模具狀態(tài)進(jìn)行分階段評(píng)估，調(diào)整改善模具使其達(dá)到滿(mǎn)足工業(yè)生產(chǎn)的狀態(tài)。

側(cè)圍外板作為車(chē)身典型覆蓋件，是連接整個(gè)車(chē)體的重要零件，其形狀復(fù)雜且拉延深度大，沖壓過(guò)程中門(mén)洞等部位容易出現(xiàn)開(kāi)裂、暗傷。本文根據(jù)某車(chē)企在模具驗(yàn)收過(guò)程中遇到的右側(cè)圍零件沖壓質(zhì)量問(wèn)題，采用ARGUS 成形分析系統(tǒng)，對(duì)沖壓零件進(jìn)行了詳細(xì)分析并提出了相應(yīng)對(duì)策。

1 基于ARGUS系統(tǒng)的網(wǎng)格實(shí)驗(yàn)原理

目前應(yīng)用較多的網(wǎng)格應(yīng)變分析方法是通過(guò)采用光學(xué)圖像處理技術(shù)，相較于傳統(tǒng)人工測(cè)量判讀，其測(cè)量?jī)?yōu)點(diǎn)是：簡(jiǎn)單易用、高效率、自動(dòng)化、高測(cè)量精度。

網(wǎng)格應(yīng)變測(cè)量分析實(shí)驗(yàn)針對(duì)材料在沖壓過(guò)程中的流動(dòng)情況，統(tǒng)計(jì)網(wǎng)格點(diǎn)在沖壓后的變形大小及方向，計(jì)算出每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的主、次應(yīng)變。在成形極限圖中可以直觀地看到材料成形的應(yīng)變路徑和安全裕度等信息。光學(xué)網(wǎng)格應(yīng)變測(cè)量分析系統(tǒng)可以將測(cè)得的應(yīng)變數(shù)據(jù)結(jié)果用等值線(xiàn)、云圖等方式進(jìn)行可視化描述，工件各處的最大、最小和厚度方向主應(yīng)變以及等效應(yīng)變可以同時(shí)顯示出來(lái)，供分析評(píng)價(jià)。此外，可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)獲得成形極限圖和厚度減薄圖等定量結(jié)果，對(duì)覆蓋件沖壓成形存在的質(zhì)量缺陷進(jìn)行分析，便于快速找到解決方案。

ARGUS 系統(tǒng)，即薄板成形網(wǎng)格應(yīng)變分析系統(tǒng)，主要由ARGUS操作軟件、圖像處理系統(tǒng)、高分辨率CCD相機(jī)、ARGUS實(shí)驗(yàn)標(biāo)尺四部分構(gòu)成。網(wǎng)格應(yīng)變測(cè)量實(shí)驗(yàn)樣件表面一般是采用激光法、印刷法或電解法在原材料上制作規(guī)則的實(shí)心圓點(diǎn)圖案，將一些數(shù)碼標(biāo)記點(diǎn)和比例尺放在被測(cè)零件周?chē)?，?shí)驗(yàn)人員從多個(gè)角度對(duì)沖壓成形的零件進(jìn)行原始的圖像數(shù)據(jù)采集，導(dǎo)入系統(tǒng)后對(duì)圖像進(jìn)行分析，定義每一個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的圓心。借助坐標(biāo)標(biāo)記點(diǎn)，將所有影像信息進(jìn)行整合，建立每張照片之間的空間關(guān)聯(lián)，從而獲得零件表面每個(gè)圓點(diǎn)圓心的空間坐標(biāo)值。綜合分析相臨的4 個(gè)圓點(diǎn)數(shù)據(jù)可以計(jì)算出該位置的局部應(yīng)變，由此可以得到整個(gè)零件的應(yīng)變分布情況。

2 右側(cè)圍網(wǎng)格實(shí)驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果

2.1 零件沖壓前的實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

零件沖壓前需要在汽車(chē)板材料表面印制網(wǎng)格：該側(cè)圍零件使用的鍍鋅汽車(chē)板，需要對(duì)原坯料進(jìn)行電化學(xué)刻蝕，得到幾何形狀規(guī)則的“圓點(diǎn)”網(wǎng)格。網(wǎng)格模板的點(diǎn)間距越小、點(diǎn)直徑越小，計(jì)算精度越高。兼顧工業(yè)應(yīng)用的實(shí)際情況及計(jì)算精度，實(shí)驗(yàn)中采用點(diǎn)間距3mm、點(diǎn)直徑1.5mm 的網(wǎng)格形狀。

在開(kāi)展側(cè)圍網(wǎng)格印制之前，首先使用酒精或其他清潔劑將鋼板上的油及灰塵清理干凈，然后在鍍鋅板上使用電腐蝕打標(biāo)機(jī)、專(zhuān)用打標(biāo)電解液和打標(biāo)網(wǎng)格模板，印制等間距的網(wǎng)格圖案。網(wǎng)格印制結(jié)束必須將電解液擦干凈。對(duì)印制完網(wǎng)格的鋼板進(jìn)行刷油操作以防銹蝕。對(duì)于單動(dòng)拉延模，印有網(wǎng)格面朝上，即：凸模不與網(wǎng)格面接觸。

ARGUS 系統(tǒng)主要測(cè)量沖壓OP10 工序拉延后的零件，由于是首次對(duì)側(cè)圍模具進(jìn)行驗(yàn)收故將側(cè)圍零件成形復(fù)雜、拉延深度大的區(qū)域都印制網(wǎng)格，圖1為一序拉延后的現(xiàn)場(chǎng)零件。

圖1 一序拉延后的側(cè)圍外板零件

從圖1 可知，沖壓后的側(cè)圍外板零件表面并未出現(xiàn)開(kāi)裂和起皺等缺陷。在待測(cè)區(qū)域布置測(cè)量標(biāo)尺，通過(guò)定制的高分辨率CCD 數(shù)碼相機(jī)從多角度采集圖像，獲取完整的零件表面形貌。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理與分析

開(kāi)展網(wǎng)格應(yīng)變分析實(shí)驗(yàn)的側(cè)圍沖壓模具參數(shù)如表1所示。

表1 模具信息

根據(jù)GB 228-87金屬拉伸試驗(yàn)方法測(cè)得開(kāi)展網(wǎng)格應(yīng)變分析實(shí)驗(yàn)的側(cè)圍材料DC56D+Z（0.7mm）的相關(guān)力學(xué)性能如表2 所示，由此可確定該汽車(chē)薄板材料極限減薄率為23.5%，超過(guò)此指標(biāo)后，沖壓零件極易發(fā)生破裂現(xiàn)象。

表2 DC56D+Z-0.7mm力學(xué)性能

對(duì)沖壓成形后的20 個(gè)區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格數(shù)據(jù)采集，并導(dǎo)入ARGUS 系統(tǒng)后進(jìn)行處理，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 各區(qū)域安全裕度和最大減薄率

從表3 可知，側(cè)圍外板零件的門(mén)洞位置B 最大減薄率與安全裕度分別為28.2%、-4.6%；位置F 最大減薄率與安全裕度分別為29.2%、-2.6%，不符合驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)極大。B 與F 區(qū)域的FLD結(jié)果如圖2所示。

從圖2 中清晰的看到B 區(qū)域與F 區(qū)域問(wèn)題基本一致：零件側(cè)壁下部外凸R 角處減薄率超出設(shè)定的極限值23.5%，安全裕度亦不滿(mǎn)足主機(jī)廠大于8%的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，側(cè)圍外板零件質(zhì)量判定為不合格。

圖2 側(cè)圍外板零件FLD分析

由FLD 曲線(xiàn)圖可知：高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域分布較為集中，高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域金屬薄板的成形方式主要為拉延成形，且部分點(diǎn)處于成形極限圖的臨界區(qū)域、破裂區(qū)域，說(shuō)明此零件在沖壓時(shí)廢品率很高，需要調(diào)整B區(qū)域、F區(qū)域的對(duì)應(yīng)位置沖壓模具。

為了降低B 與F 區(qū)域沖壓成形過(guò)程的開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)使該區(qū)域在FLD 上的不安全應(yīng)變點(diǎn)向下或向左移動(dòng)到FLC 曲線(xiàn)之下。為達(dá)到這一目的，對(duì)模具及沖壓設(shè)備參數(shù)以下的調(diào)整措施：（1）優(yōu)化拉延筋，調(diào)整門(mén)洞B、F 位置內(nèi)拉延筋高度；（2）調(diào)整平衡塊，在模具相應(yīng)平衡塊位置增加墊片；（3）適當(dāng)減小模具的壓邊力；（4）對(duì)相應(yīng)部位模具型面R角打磨拋光。

調(diào)整模具，并對(duì)該零件再次開(kāi)展網(wǎng)格應(yīng)變分析，得出最大減薄率和安全裕度值如表4 所示?？芍藭r(shí)零件上B、F 兩個(gè)區(qū)域厚度減薄率降低，板材沖壓成形的安全裕度得到提升，側(cè)圍外板拉延模具滿(mǎn)足汽車(chē)主機(jī)廠驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

表4 調(diào)整模具后B、F區(qū)域的安全裕度和最大減薄率

3 結(jié)語(yǔ)

基于ARGUS系統(tǒng)，在原板料多個(gè)成形復(fù)雜區(qū)域刻蝕相應(yīng)的網(wǎng)格，計(jì)算獲得各區(qū)域的成形零件實(shí)際的應(yīng)變分析云圖、厚度減薄率與安全裕度云圖、FLD曲線(xiàn)，由此科學(xué)有效地分析零件的成形狀態(tài)，快速的識(shí)別問(wèn)題區(qū)域，通過(guò)調(diào)模的方式快速解決側(cè)圍外板零件開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)，使其滿(mǎn)足批量生產(chǎn)的技術(shù)要求。