轎車側(cè)圍外板沖壓安全裕度探究

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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，沖壓是一種高自動化，低成本，能夠成形復(fù)雜形狀的先進加工方式。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，缺乏方向性，容易造成資源浪費，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)域板料的流動方向，通過計算，能夠給出網(wǎng)格區(qū)域每個位置的主、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。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個應(yīng)變指標來表示，根據(jù)體積不變原則可知：ε1＋ε2＋ε3＝0。已知2個應(yīng)變，第3個應(yīng)變即可由體積不變原則得出，因此，板料的實際應(yīng)變只需主應(yīng)變ε1和次應(yīng)變ε2即可表示。以主應(yīng)變和次應(yīng)變?yōu)樽鴺溯S，將板料成形極限狀態(tài)下的應(yīng)變值繪在1個坐標系內(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，當變形區(qū)域位于成形極限曲線（FLC）下方時，代表這些區(qū)域不會發(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條件下通過不同的加載路徑進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，通過試驗法獲得所有材料的成形極限圖所需人力物力及時間成本巨大，對于沖壓鋼件，可以考慮利用Keeler公式計算理論成形極限圖。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)。為了驗證Keeler成形極限圖的準確性，對寶鋼DC06鋼板進行試驗測量得出成形極限圖，其材料性能參數(shù)見表1。表1DC06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板料的實測結(jié)果進行對比（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ε2＜0），Keeler理論預(yù)測結(jié)果整體略低于實測結(jié)果，在脹形變形區(qū)（次應(yīng)變ε2>0），Keeler理論預(yù)測結(jié)果與實測結(jié)果比較接近?？傮w來看，Keeler理論預(yù)測結(jié)果與實測結(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)測代替試驗測量。圖2理論與實測成形極限圖對比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)為工具來進行網(wǎng)格應(yīng)變試驗。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：電化學腐蝕網(wǎng)格印制設(shè)備、用于識別網(wǎng)格的光學圖像測量設(shè)備以及用于計算形變數(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腐蝕印制圓形網(wǎng)格，沖壓后利用光學設(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際較為接近，因此，在生成成形極限圖時，采用Keeler公式替代軟件默認的公式。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)中的風險程度，當安全裕度值≤0時，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)的準確性及可靠性，網(wǎng)格試驗多以拉延工序件為基礎(chǔ)進行應(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，材料力學性能數(shù)據(jù)見表1。利用電化學腐蝕在右側(cè)圍外板板料對應(yīng)的A、B、C3個位置印制網(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處進行測量，得到成形后2個區(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。

a）拉延工序件b）成品件圖4A區(qū)域成形極限圖和應(yīng)變云圖a）拉延工序件b）成品件圖5B區(qū)域成形極限圖和應(yīng)變云圖a）拉延工序件b）成品件圖6C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)域為B，裕度差達到了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，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)果準確的