基于Argus網(wǎng)格應(yīng)變分析的汽車覆蓋件成形質(zhì)量研究

陽 學(xué)，韋榮發(fā)，王子裕，符 周

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545005）

1 引言

汽車覆蓋件作為整車的關(guān)鍵零部件，對(duì)整車的綜合性能具有重要影響。汽車覆蓋件通常由形狀及特征復(fù)雜的空間曲面構(gòu)成，復(fù)雜的造型使板料在成形過程中易因各區(qū)域受力不均勻、進(jìn)料速度不一致等原因，產(chǎn)生起皺、開裂、癟塘、滑移線等質(zhì)量缺陷[1～2]。隨著汽車工業(yè)及沖壓技術(shù)的不斷發(fā)展，汽車覆蓋件造型愈發(fā)激進(jìn)，對(duì)沖壓工藝及鈑金成形技術(shù)提出了更高的要求。在模具開發(fā)前期，通常借助Autoform等鈑金成形軟件進(jìn)行CAE分析，確認(rèn)制件的成形性，但CAE分析在模擬過程中進(jìn)行了大量簡(jiǎn)化，且CAE分析中設(shè)置的參數(shù)與實(shí)際條件存在一定差異，難以精確模擬沖壓件成形過程的所有缺陷。因此，對(duì)沖壓件應(yīng)變進(jìn)行精確檢測(cè)，定量評(píng)價(jià)制件應(yīng)力應(yīng)變分布及潛在失效區(qū)域與模式，對(duì)優(yōu)化沖壓工藝以及指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)模具調(diào)試具有重要意義。網(wǎng)格試驗(yàn)可以快速準(zhǔn)確的判定鈑金制件成形過程中板材的應(yīng)變數(shù)值，并據(jù)此客觀評(píng)價(jià)成形質(zhì)量。通常，網(wǎng)格測(cè)量系統(tǒng)有軟尺手工測(cè)量系統(tǒng)、AutoGrid?網(wǎng)格應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)及Argus網(wǎng)格應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)等[3]。

國內(nèi)外專家學(xué)者利用網(wǎng)格試驗(yàn)對(duì)汽車鈑金的制件成形質(zhì)量進(jìn)行了大量的理論研究與試驗(yàn)論證。李雙義等將坐標(biāo)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)變技術(shù)應(yīng)用于夏利變形車翼子板材質(zhì)的國產(chǎn)化研究[4]，通過對(duì)危險(xiǎn)部位貼網(wǎng)格膜進(jìn)行應(yīng)變分布的定量測(cè)量和計(jì)算，確定生產(chǎn)穩(wěn)定性和安全裕度，探討了材質(zhì)國產(chǎn)化的可行性。吳青松等利用網(wǎng)格應(yīng)變分析技術(shù)[5]，對(duì)頂蓋制件沖壓后應(yīng)變分布狀態(tài)進(jìn)行了分析，結(jié)果表明頂部R 角成形裕度不足，放大模具R 角1.5mm 后缺陷消除。楊西鵬等利用網(wǎng)格應(yīng)變技術(shù)對(duì)汽車門內(nèi)板潛在開裂位置進(jìn)行了分析[6]，并將測(cè)量數(shù)據(jù)與成形極限圖FLD進(jìn)行對(duì)比分析，計(jì)算出制件的成形安全裕度，基于計(jì)算結(jié)果制定優(yōu)化壓延筋位置和結(jié)構(gòu)、降低壓邊力的措施并取得顯著改善。上述研究在理論研究與工程實(shí)踐上均取得了很大的進(jìn)展，為提升汽車鈑金的成形質(zhì)量提供了借鑒，但上述研究較少使用精度較高的Argus 網(wǎng)格應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)。本文采用高精度的Argus測(cè)量系統(tǒng)對(duì)某車型側(cè)圍外板進(jìn)行網(wǎng)格試驗(yàn)分析，以提升其成形質(zhì)量與量產(chǎn)過程的穩(wěn)定性。

2 Argus網(wǎng)格應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)的組成及其原理

2.1 Argus測(cè)量系統(tǒng)的組成

圖1a 所示為Argus 測(cè)量系統(tǒng)的硬件設(shè)備組成，其包括一套Argus 打標(biāo)材料（2 張電化學(xué)刻蝕用蠟版，配有金屬固定框）、德國原裝電化學(xué)打標(biāo)機(jī)EU Classic 500（打標(biāo)頭和電纜以及電解液），用于板料刻印精確度更高的圓點(diǎn)網(wǎng)格圖。圖1b 所示為Argus 測(cè)量系統(tǒng)的軟件設(shè)備組成，其包括一套薄板成形網(wǎng)格應(yīng)變測(cè)試分析系統(tǒng)（最大測(cè)量范圍：12,000×12,000×12,000mm）、一套Argus測(cè)量頭（彩色單反數(shù)碼相機(jī)，LCD顯示屏以及測(cè)量鏡頭）、2 套1.5mm 的Argus 數(shù)碼參考記號(hào)點(diǎn)及一臺(tái)裝有Argus 軟件便攜式工作站，用于測(cè)量分析網(wǎng)格計(jì)算結(jié)果，實(shí)現(xiàn)全場(chǎng)的實(shí)測(cè)應(yīng)變結(jié)果與FEA應(yīng)變分布數(shù)據(jù)對(duì)比，繪制多種數(shù)據(jù)曲線如成形極限曲線FLD，對(duì)CAE 分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，并用于指導(dǎo)沖壓工藝優(yōu)化、模具校驗(yàn)與調(diào)整。

圖1 Argus網(wǎng)格應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)的組成

2.2 Argus的技術(shù)規(guī)格與優(yōu)勢(shì)

Argus網(wǎng)格應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)的技術(shù)規(guī)格如表1所示，其測(cè)量精度最大可達(dá)到0.1%，測(cè)量范圍為0.5%～300%，廣泛的范圍和精密的準(zhǔn)確度，讓制件高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的應(yīng)變?nèi)采w測(cè)量，能夠讓工程團(tuán)隊(duì)更全面的分析制件缺陷產(chǎn)生機(jī)理。

表1 Argus網(wǎng)格應(yīng)變系統(tǒng)技術(shù)規(guī)格

Argus 設(shè)備精密和輕巧，此外，Argus 還具有以下技術(shù)優(yōu)勢(shì)：

（1）采用圓點(diǎn)圖案，提高了圖案的識(shí)別能力和測(cè)量精度。

（2）可根據(jù)需要，采用不同大小和間距的圓點(diǎn)模板（1～10mm）。

（3）自動(dòng)識(shí)別圓點(diǎn)的空間位置，同時(shí)樣件應(yīng)變計(jì)算也由系統(tǒng)自動(dòng)完成。

（4）根據(jù)拓?fù)潢P(guān)系，由軟件分布應(yīng)變面片，進(jìn)而計(jì)算應(yīng)變結(jié)果，避免了直接刻蝕網(wǎng)格，在沖壓過程中網(wǎng)格變形和丟失，造成數(shù)據(jù)丟失和精度降低的現(xiàn)象。

（5）無需標(biāo)定，直接進(jìn)行測(cè)量，無需人工干預(yù)，提高了工作效率和測(cè)量精度，可針對(duì)多個(gè)局部區(qū)域進(jìn)行測(cè)量，而計(jì)算的時(shí)間僅需幾分鐘。

（6）強(qiáng)大的軟件功能，可讀取FEA 有限元計(jì)算結(jié)果，并與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較。

（7）對(duì)樣件的大小和復(fù)雜程度沒有限制。

（8）具有計(jì)算和確定材料成形極限FLC 的功能，計(jì)算方法符合ISO12004最新的標(biāo)準(zhǔn)。

（9）適合任意環(huán)境，具備穩(wěn)定的工作性能，極高的測(cè)量精度和點(diǎn)陣密度，高效的計(jì)算速度、以及良好的操作性。

（10）便攜式設(shè)計(jì)，可在車間現(xiàn)場(chǎng)工作。

2.3 Argus網(wǎng)格測(cè)量流程及其原理

檢測(cè)流程如圖2所示，在板料成形前，利用電化學(xué)蝕刻的方法在金屬板材表面刻印規(guī)格的網(wǎng)格圓。板材成形過程中，這些網(wǎng)格圓會(huì)隨著板材的變形在徑向與切向出現(xiàn)拉伸或壓縮，且這些網(wǎng)格圓不會(huì)因成形過程中板材與模具的摩擦被擦除。板材成形后利用一高分辨率的CCD相機(jī)從不同的角度對(duì)制件進(jìn)行拍照，利用“照相測(cè)量”的原理，獲得這些網(wǎng)格圓中心的空間三維坐標(biāo)。Argus 軟件根據(jù)相臨4 個(gè)圓點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行拓?fù)溥\(yùn)算，分布網(wǎng)格面片，根據(jù)這些網(wǎng)格面片的變形計(jì)算出每個(gè)局部范圍內(nèi)的面內(nèi)應(yīng)變值（主應(yīng)變和次應(yīng)變及厚度縮減），從而獲得整個(gè)制件的應(yīng)變分布（色溫圖），再根據(jù)材料成形極限性能（FLC）獲得制件成形極限圖FLD，由此可以分析和評(píng)估制件的成形質(zhì)量[7]。

圖2 Argus網(wǎng)格應(yīng)變測(cè)量流程

3 典型沖壓件成形缺陷分析

某市場(chǎng)暢銷車型側(cè)圍外板結(jié)構(gòu)如圖3a所示，復(fù)雜的產(chǎn)品造型決定了沖壓工藝及成形過程中板材應(yīng)力應(yīng)變的復(fù)雜性，CAE 分析的制件減薄分布如圖3b 所示。板材性能等級(jí)為BUFD-FD-D，尺寸為3,420×1,660×0.7mm。沖壓成形時(shí)，壓邊圈行程為200mm，壓邊力為240t。該制件在批量沖壓生產(chǎn)中A、B、C 和D區(qū)頻繁出現(xiàn)局部縮頸、開裂等缺陷，如圖4所示。

圖3 某車型側(cè)圍外板結(jié)構(gòu)與減薄率分布

圖4 某車型側(cè)圍外板制件缺陷分布

為了深入研究該側(cè)圍外板沖壓成形中板材的應(yīng)力應(yīng)變分布、成形極限FLD 及潛在失效模式，掌握其缺陷的產(chǎn)生機(jī)理，并制定模具優(yōu)化方案，本文應(yīng)用網(wǎng)格應(yīng)變分析方法對(duì)其制件成形質(zhì)量進(jìn)行研究。

3.1 網(wǎng)格應(yīng)變分析結(jié)果

通過Argus 應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)，檢測(cè)高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的主應(yīng)變和次應(yīng)變之比，再由體積守恒定律通過工作站計(jì)算出各點(diǎn)減薄率，繪制出各高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域材料減薄分布圖，如圖5所示。

圖5 高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域材料減薄分布圖

由圖5 可知，各高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域減薄率超過20%甚至達(dá)到30%（CAE 分析的減薄率標(biāo)準(zhǔn)：≤25%），當(dāng)制件受到的拉應(yīng)力較大并產(chǎn)生超過板料塑形應(yīng)變極限的應(yīng)變時(shí)，便出現(xiàn)縮頸或開裂缺陷，與調(diào)試或量產(chǎn)過程中出現(xiàn)的失效模式相吻合。此外，減薄率大于標(biāo)準(zhǔn)的高風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)多處于深翻邊區(qū)，其中A 區(qū)和C 區(qū)的高風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)較密集。各區(qū)域最大主應(yīng)變及減薄率如表2 所示。

表2 各高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域最大減薄率

3.2 成形極限圖FLD

成形極限圖是由板料在不同應(yīng)變路徑下的局部失穩(wěn)極限工程應(yīng)變e1和e2或極限真實(shí)應(yīng)變?chǔ)?和ε2構(gòu)成的條帶形區(qū)域或曲線。它反映了板料在單向和雙向拉應(yīng)力作用下抵抗縮頸或開裂的能力，常用于分析解決成形時(shí)出現(xiàn)的縮頸或開裂等問題[8]。FLD能夠反映板料在單向和雙向拉應(yīng)力作用下的局部成形極限，為定量研究與評(píng)估鈑金的成形質(zhì)量提供依據(jù)[9]。由Argus 網(wǎng)格應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)自動(dòng)生成的FLD 圖如圖6所示。

圖6 高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域成形極限圖

觀察圖6可知，高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)有較多測(cè)點(diǎn)處于臨界區(qū)，存在開裂的潛在風(fēng)險(xiǎn)，沖壓成形時(shí)容易出現(xiàn)縮頸或開裂缺陷，必須控制工藝因素及生產(chǎn)條件如模具圓角、板料毛坯尺寸、潤(rùn)滑狀態(tài)及壓邊力的大小等，對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整優(yōu)化，改善沖壓成形條件以防止開裂，提升制件成形質(zhì)量。

3.3 解決措施

在識(shí)別各區(qū)域主副應(yīng)變及成形極限的基礎(chǔ)上，摒棄調(diào)整平衡塊墊片以補(bǔ)充走料的常規(guī)方案，以CAE分析材料流入量為導(dǎo)向，放大高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域凹模筋條R角，減少壓邊力和進(jìn)料阻力，使材料流入量匹配制件成形特性與需求。材料流入量測(cè)點(diǎn)分布及測(cè)量結(jié)果如圖7所示。同時(shí)，拋光高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域模具型面R角，保證走料順暢，采用全噴油方式，降低模具與板料表面摩擦系數(shù)，減小縮頸開裂風(fēng)險(xiǎn)。

圖7 某側(cè)圍外板材料流入量測(cè)點(diǎn)分布與測(cè)量結(jié)果

4 優(yōu)化方案實(shí)施與工程實(shí)踐

為進(jìn)一步驗(yàn)證缺陷成因分析及整改方案的有效性，在實(shí)施上述措施后對(duì)側(cè)圍外板進(jìn)行批量生產(chǎn)驗(yàn)證，跟蹤并記錄整改前后的減薄率與運(yùn)行數(shù)據(jù)，如表3所示，沖壓件質(zhì)量狀態(tài)如圖8所示。生產(chǎn)結(jié)果表明，整改后制件高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域縮頸開裂缺陷改善顯著，A區(qū)域最大減薄率由36.67%降低至20.4%。制件的質(zhì)量符合汽車覆蓋件質(zhì)量控制要求，F(xiàn)TQ由77.2%提升至100%。

表3 整改前后試驗(yàn)結(jié)果

整改后制件質(zhì)量狀態(tài)如圖8所示。

圖8 整改后制件狀態(tài)

5 結(jié)束語

為深入研究鈑金成形過程材料的流動(dòng)趨勢(shì)、應(yīng)力應(yīng)變分布及缺陷成形機(jī)理，并指導(dǎo)沖壓工藝優(yōu)化及模具校驗(yàn)與調(diào)整。本文以某車型側(cè)圍外板為載體，利用Argus 網(wǎng)格應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)對(duì)板材成形質(zhì)量進(jìn)行分析，通過精確檢測(cè)板材的應(yīng)力和變形量，并根據(jù)材料成形極限性能獲得制件成形極限圖FLD，分析和評(píng)估板材成形質(zhì)量，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行沖壓工藝的優(yōu)化和沖壓模具的校驗(yàn)，為解決問題提供參考，同時(shí)，結(jié)合工程實(shí)踐驗(yàn)證得出如下結(jié)論：

（1）網(wǎng)格試驗(yàn)法為研究汽車覆蓋件沖壓成形缺陷、優(yōu)化沖壓工藝、板材選型及提高制件質(zhì)量提供了一種有效的輔助手段。

（2）Argus網(wǎng)格試驗(yàn)具有較高的精確度與效率，結(jié)合檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行可精確識(shí)別制件成形過程應(yīng)力應(yīng)變數(shù)值與成形極限圖FLD。

（3）將材料流入量作為評(píng)價(jià)成形質(zhì)量與穩(wěn)定性的重要監(jiān)測(cè)指標(biāo)，并結(jié)合網(wǎng)格試驗(yàn)觀測(cè)制件在不同應(yīng)變路徑下的的成形極限與安全裕度，在此基礎(chǔ)上優(yōu)化工藝和改進(jìn)方案及指導(dǎo)模具調(diào)試。