沖壓件網(wǎng)格試驗(yàn)相關(guān)技術(shù)及原理

趙飛 劉益成 曲政 陸飛雪

（一汽-大眾汽車(chē)有限公司，長(zhǎng)春 130011）

1 前言

在沖壓件大批量生產(chǎn)過(guò)程中，部分模具仍然存在縮頸、拉裂問(wèn)題，從模具方面分析可以理解為模具對(duì)其它因素的“安全裕度”較低，正常生產(chǎn)時(shí)板料已經(jīng)處于臨界危險(xiǎn)范圍區(qū)內(nèi)，生產(chǎn)過(guò)程中，板料、設(shè)備、環(huán)境等因素發(fā)生變化，制件易發(fā)生拉裂、縮頸等現(xiàn)象。

網(wǎng)格試驗(yàn)對(duì)于非邊緣制件拉裂具有較好的分析指導(dǎo)作用。目前大多數(shù)生產(chǎn)廠對(duì)網(wǎng)格件的使用過(guò)程中只是觀看板料的走勢(shì)及變形的劇烈程度，憑經(jīng)驗(yàn)對(duì)模具進(jìn)行優(yōu)化，并未完全發(fā)揮網(wǎng)格試驗(yàn)的作用，對(duì)網(wǎng)格試驗(yàn)所得到的大部分信息數(shù)據(jù)無(wú)法采集及使用，進(jìn)而未能更加科學(xué)地指導(dǎo)模具改進(jìn)。本研究對(duì)“板料FLC的獲取”、“成形件成形數(shù)據(jù)的獲取”以及“成形極限圖的使用與分析”三個(gè)方面進(jìn)行介紹，旨在對(duì)網(wǎng)格試驗(yàn)的基本原理及具體的應(yīng)用進(jìn)行闡述，進(jìn)一步說(shuō)明網(wǎng)格試驗(yàn)的實(shí)際指導(dǎo)功能，以便指導(dǎo)網(wǎng)格試驗(yàn)在模具改進(jìn)及新項(xiàng)目驗(yàn)收過(guò)程中發(fā)揮更多的作用。

2 板料FLC的獲取

成形極限曲線(xiàn)（Forming Limit Curve，F(xiàn)LC）每個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的二維坐標(biāo)值是板材主、次應(yīng)變組合所能達(dá)到的極限值，是衡量板材是否發(fā)生縮頸、破裂的定量標(biāo)準(zhǔn)，即理論上處于FLC以上的點(diǎn)代表板料必然發(fā)生破裂，處于其以下的點(diǎn)相對(duì)為安全點(diǎn)。所謂的成形裕度實(shí)際就是以該曲線(xiàn)為標(biāo)準(zhǔn)線(xiàn)，將沖壓件的實(shí)際應(yīng)變狀態(tài)與該曲線(xiàn)進(jìn)行對(duì)比而得出的裕度值，F(xiàn)LC曲線(xiàn)通常可以通過(guò)以下2種方式獲得。

2.1 經(jīng)驗(yàn)公式獲得

通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式直接算出FLC曲線(xiàn)是適合試驗(yàn)研究的首選方法，獲得數(shù)據(jù)相對(duì)準(zhǔn)確且簡(jiǎn)單方便，只需要確定板料的硬化指數(shù)（n值）以及板材厚度（t值）即可，極大方便了FLC曲線(xiàn)建立及繪制[1]。n值及t值可以直接引用板料技術(shù)任務(wù)書(shū)中的最低要求值；如果需要當(dāng)前生產(chǎn)使用板料更為準(zhǔn)確的參數(shù)數(shù)據(jù)，也可以將實(shí)際使用的板料按國(guó)標(biāo)GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分:室溫試驗(yàn)方法》制成標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，通過(guò)單向拉伸試驗(yàn)進(jìn)行檢驗(yàn)得出。

當(dāng)然，在Comsmart應(yīng)變分析軟件、AutoForm等模擬軟件中，可以直接在計(jì)算機(jī)軟件相應(yīng)的參數(shù)位置中輸入n、t的具體數(shù)值自動(dòng)生成FLC曲線(xiàn)，生成FLC的基本原理及公式是相同的。

2.2 試驗(yàn)法獲得

該方法是獲得FLC曲線(xiàn)最準(zhǔn)確，同時(shí)也是最麻煩的方法。其過(guò)程是將板料通過(guò)線(xiàn)切割的方式加工成一組不同尺寸比例的試驗(yàn)樣片，并通過(guò)專(zhuān)業(yè)設(shè)備（圖1是用于測(cè)量FLC曲線(xiàn)的ARAMIS-FLC設(shè)備）進(jìn)行剛性成形試驗(yàn)（圖2、圖3），進(jìn)而得到縮頸或破裂前的臨界變形量，每一個(gè)樣片試驗(yàn)得到一組二維坐標(biāo)點(diǎn)，將每組二維坐標(biāo)點(diǎn)的最高點(diǎn)進(jìn)行連接成線(xiàn)后就獲得了材料的成形極限曲線(xiàn)（圖4），不同尺寸試樣的試驗(yàn)做得越多，所得到的FLC便越準(zhǔn)確。

圖1 ARAMIS-FLC設(shè)備

圖2 FLC剛性成形試驗(yàn)級(jí)樣片

圖3 FLC剛性成形試驗(yàn)級(jí)樣片

圖4 FLC曲線(xiàn)

3 成形件成形數(shù)據(jù)的獲取

3.1 使用軟尺獲取

如圖5所示，在使用軟尺進(jìn)行應(yīng)變測(cè)量時(shí)，要求所印網(wǎng)格必須是圓網(wǎng)格。印制在板料上的圓形網(wǎng)格經(jīng)過(guò)塑性變形變?yōu)闄E圓形網(wǎng)格，通過(guò)軟尺測(cè)量橢圓的長(zhǎng)軸及短軸的尺寸變化，得出長(zhǎng)、短軸的應(yīng)變狀態(tài)。軟尺上有零刻度線(xiàn)，負(fù)刻度線(xiàn)及正刻度線(xiàn)，測(cè)量橢圓時(shí)，例如測(cè)量橢圓長(zhǎng)軸，只需要看哪個(gè)刻度線(xiàn)對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度可以與橢圓的長(zhǎng)軸重合，重合后記下讀數(shù)即可。

圖5 應(yīng)變測(cè)量軟尺

軟尺測(cè)量的原理為零刻線(xiàn)對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度是未變形圓的直徑，左側(cè)標(biāo)記-60對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度是0.6倍直徑的長(zhǎng)度，右側(cè)標(biāo)記100的刻度表示直徑伸長(zhǎng)一倍的長(zhǎng)度，標(biāo)記200的刻度表示直徑伸長(zhǎng)二倍的長(zhǎng)度，所標(biāo)記的數(shù)值即為工程應(yīng)變的大小[2]。

軟尺測(cè)量是網(wǎng)格試驗(yàn)早期使用的測(cè)量工具，其缺點(diǎn)一是測(cè)量工作量大，手工對(duì)成百上千個(gè)網(wǎng)格依次進(jìn)行長(zhǎng)短軸比對(duì)測(cè)量，耗費(fèi)大量時(shí)間；二是測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確，橢圓的長(zhǎng)短軸方向需要人眼判斷；另一方面印制的網(wǎng)格刻線(xiàn)本身就有一定的寬度，在對(duì)比過(guò)程中網(wǎng)格的刻線(xiàn)與軟尺的刻線(xiàn)如何重合以及數(shù)據(jù)的獲得中，人為主觀因素?fù)诫s較多，極有可能同樣的網(wǎng)格不同人測(cè)量的結(jié)果卻有差異。

3.2 專(zhuān)業(yè)設(shè)備獲取

以Comsmart網(wǎng)格應(yīng)變分析設(shè)備為例，通過(guò)手持?jǐn)z像頭拍照的方式獲取網(wǎng)格應(yīng)變的具體情況，從拍照到計(jì)算機(jī)計(jì)算結(jié)束約1個(gè)小時(shí)即可完成，具有操作方便、快捷、易標(biāo)定等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)比軟尺測(cè)量的方式，在準(zhǔn)確度及實(shí)用性上有了極大的提高。圖6為Comsmart手持?jǐn)z像頭測(cè)量，圖7為截取的圖片。

圖6 Comsmart手持?jǐn)z像頭測(cè)量

圖7 Comsmart報(bào)告

4 成形極限圖的使用與分析

將板料的實(shí)際應(yīng)變狀態(tài)與板料的FLC曲線(xiàn)相結(jié)合，便得到了成形極限曲圖（Forming Limit Diagram，F(xiàn)LD），表示板材在不同的應(yīng)變狀態(tài)下的變形極限。FLC作為破裂的標(biāo)準(zhǔn)，用以考察板料的成形區(qū)域是否有拉裂、縮頸的風(fēng)險(xiǎn)性。此時(shí)還可設(shè)定安全裕度如8%、10%等進(jìn)一步降低FLC形成安全余裕度線(xiàn)，用以更加嚴(yán)格的要求板料的成形能力。

對(duì)于不合格的處于安全余裕度之上的點(diǎn)，主要目的是將該點(diǎn)移動(dòng)至曲線(xiàn)之下，如圖8所示，可通過(guò)以下3種情況分別對(duì)模具進(jìn)行改進(jìn)。

圖8 FLD成型極限圖

a.A點(diǎn)情況，主應(yīng)變?yōu)檎?、次?yīng)變?yōu)檎?，處于FLC與10%安全余裕度線(xiàn)之間，不滿(mǎn)足規(guī)定要求，為使該點(diǎn)移動(dòng)至10%線(xiàn)之下，我們可以讓該點(diǎn)向右下方移動(dòng)，即降低主應(yīng)變e1，或增大次應(yīng)變e2，或同時(shí)既降低主應(yīng)變e1，又增大次應(yīng)變e2。繼續(xù)分析主次應(yīng)變?cè)趯?shí)際板料上的變形方向，同時(shí)確定模具結(jié)構(gòu)對(duì)主次應(yīng)變成形的影響部位，為了降低主應(yīng)變e1，將對(duì)應(yīng)模具上e1的筋或具體結(jié)構(gòu)或設(shè)備參數(shù)調(diào)整至降低板料流動(dòng)阻力的狀態(tài)，為了增大次應(yīng)變e2，將對(duì)應(yīng)模具上的筋或具體結(jié)構(gòu)或設(shè)備參數(shù)調(diào)整至增大板料流動(dòng)阻力的狀態(tài)；

b.B點(diǎn)情況，主應(yīng)變?yōu)檎螒?yīng)變?yōu)樨?fù)，不滿(mǎn)足規(guī)定要求，需要將B點(diǎn)向左下方移動(dòng)，對(duì)應(yīng)降低主應(yīng)變e1，并進(jìn)一步降低次應(yīng)變e2，確定模具結(jié)構(gòu)對(duì)e1、e2的影響，調(diào)整對(duì)應(yīng)模具上的筋或具體結(jié)構(gòu)或設(shè)備參數(shù)；

c.C點(diǎn)情況，主應(yīng)變?yōu)檎?，次?yīng)變?yōu)榱?，不滿(mǎn)足規(guī)定要求，需要將C點(diǎn)向下方移動(dòng)，對(duì)應(yīng)需降低主應(yīng)變e1，確定模具結(jié)構(gòu)對(duì)e1的影響，調(diào)整對(duì)應(yīng)模具上的筋或具體結(jié)構(gòu)或設(shè)備參數(shù)，減輕模具對(duì)板料的流動(dòng)阻力。

具體的應(yīng)變狀態(tài)應(yīng)該結(jié)合具體情況進(jìn)行分析，總體上降低主應(yīng)變是解決拉裂問(wèn)題的常用手段，分析控制次應(yīng)變的大小對(duì)縮頸拉裂問(wèn)題也有極大的幫助。

5 案例說(shuō)明

在實(shí)際生產(chǎn)中常見(jiàn)主應(yīng)變起主要影響。圖9為某側(cè)圍A柱位置偶發(fā)縮頸缺陷，經(jīng)網(wǎng)格試驗(yàn)測(cè)定，圖示整體區(qū)域中最小安全裕度僅為8.91%，小于10%安全裕度線(xiàn)，危險(xiǎn)點(diǎn)在FLD中基本處于FLC曲線(xiàn)Y軸正下方（圖10a），根據(jù)網(wǎng)格拉伸狀態(tài)，分析圖示紅區(qū)板料流動(dòng)對(duì)危險(xiǎn)點(diǎn)起主應(yīng)力拉伸作用，然后進(jìn)行2方面模具優(yōu)化工作.

圖9 某側(cè)圍實(shí)際網(wǎng)格試驗(yàn)結(jié)果及分析

a.研修放大位置1的拉延筋槽R角；

b.研修門(mén)洞2位置壓料面硬點(diǎn)，并減少整體主應(yīng)力的拉延程度。模具經(jīng)多次優(yōu)化并兼顧面品質(zhì)量后，再次進(jìn)行網(wǎng)格試驗(yàn)，成形裕度提升至14.1%，滿(mǎn)足最低10%的安全線(xiàn)（圖10b）。

圖10 改進(jìn)前、后裕度對(duì)比

6 結(jié)束語(yǔ)

沖壓件網(wǎng)格試驗(yàn)可以指導(dǎo)模具調(diào)試人員快速分析沖壓件質(zhì)量問(wèn)題，特別針對(duì)縮頸、拉裂問(wèn)題的解決上有明顯效果。本文對(duì)于成形極限曲線(xiàn)的獲取、沖壓件成形應(yīng)變數(shù)據(jù)的獲取，以及二者組合后如何使用上進(jìn)行了闡述，模具調(diào)試人員可以從定性、定量2個(gè)方面完成缺陷的分析與解決。