基于數(shù)字化網(wǎng)格應(yīng)變法在汽車用鋼沖壓成形中的探索與應(yīng)用

郝志強(qiáng) ，劉仁東 ，徐鑫 ，蘇洪英 ，李蕭彤

（1.海洋裝備用金屬材料及其應(yīng)用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 鞍山 114009；2.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009）

隨著中國(guó)汽車工業(yè)的蓬勃發(fā)展，新能源汽車勢(shì)力的崛起，大眾群體對(duì)汽車的外在質(zhì)量和形狀要求越來越高，因此汽車不僅要具有設(shè)計(jì)所規(guī)定的使用功能，而且在很大程度上要滿足當(dāng)下的消費(fèi)環(huán)境，要體現(xiàn)出整車的藝術(shù)性、個(gè)性風(fēng)格，所以汽車零部件的沖壓成形越來越復(fù)雜，對(duì)汽車用鋼的沖壓性能要求也越來越高。使沖壓成形之后的汽車零部件獲得良好的尺寸精度、足夠的成形剛度、安全的成形裕度等，是確保汽車用鋼沖壓成形質(zhì)量的關(guān)鍵［1-3］。

汽車用鋼在沖壓成形過程中失效方式主要是應(yīng)變失效，數(shù)字化網(wǎng)格應(yīng)變法是測(cè)定工件表面區(qū)域應(yīng)變分布的一種有效方法［4-5］，可以將測(cè)得的應(yīng)變結(jié)果用等值線、云圖等進(jìn)行可視化描述，通過與材料自身的成形極限圖［6］進(jìn)行比較，評(píng)價(jià)材料在實(shí)際沖壓過程中的成形裕度值，為模具優(yōu)化提供技術(shù)支持，從而降低沖壓車間生產(chǎn)的廢品率。此外，可以結(jié)合金屬塑性成形體積不變?cè)?，獲得測(cè)量區(qū)域內(nèi)的材料變形后厚度減薄率的最大值；進(jìn)而對(duì)汽車用鋼沖壓成形過程中所產(chǎn)生的沖壓缺陷進(jìn)行分析、評(píng)價(jià)，并提出相應(yīng)的解決方案。

1 數(shù)字化網(wǎng)格應(yīng)變法

1.1 數(shù)字化網(wǎng)格應(yīng)變法原理

網(wǎng)格應(yīng)變法主要是采用網(wǎng)格測(cè)量技術(shù)，沖壓成形前，在汽車用鋼表面印制方形網(wǎng)格；沖壓成形后，對(duì)初始印制在鋼板表面的方形網(wǎng)格進(jìn)行三維測(cè)量，通過計(jì)算獲得鋼板成形后的主應(yīng)變、次應(yīng)變和厚度減薄率等參數(shù)。數(shù)字化網(wǎng)格應(yīng)變法是在傳統(tǒng)網(wǎng)格應(yīng)變法的基礎(chǔ)上，基于計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)的強(qiáng)大圖像處理能力來進(jìn)行自動(dòng)應(yīng)變測(cè)量。

在眾多相關(guān)數(shù)字化網(wǎng)格應(yīng)變法設(shè)備中，德國(guó)VIALUX公司的AutoGrid應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)是一套基于四鏡頭投影儀的便攜式網(wǎng)格應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)，靈活應(yīng)用于實(shí)際沖壓現(xiàn)場(chǎng)。AutoGrid應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)由四鏡頭投影儀組成，采用從四個(gè)不同方向來同時(shí)確認(rèn)測(cè)量點(diǎn)的方法（見圖1），能夠更精確、穩(wěn)定的測(cè)量板料沖壓變形后的3D幾何尺寸，與板料沖壓變形前的方形網(wǎng)格進(jìn)行對(duì)比，從而能更精確的計(jì)算出汽車用鋼沖壓變形所產(chǎn)生的主應(yīng)變及次應(yīng)變。同時(shí)，四鏡頭可以確保測(cè)量角度急劇變化的區(qū)域，至少能從兩個(gè)不同的方向進(jìn)行測(cè)量，從而保證測(cè)量范圍［7-8］。

圖1 從四個(gè)不同方向來同時(shí)確認(rèn)測(cè)量點(diǎn)Fig.1 Simultaneous Confirmation of Measurement Points from Four Different Directions

1.2 數(shù)字化網(wǎng)格應(yīng)變法優(yōu)缺點(diǎn)

傳統(tǒng)的成形應(yīng)變分析方法采用的是手工測(cè)量法，如圖2所示。通過電化學(xué)腐蝕的方法在汽車用鋼表面印制直徑5 mm的圓形格子，汽車用鋼沖壓成形以后在沖壓區(qū)域進(jìn)行測(cè)量，沖壓區(qū)域選取原則為實(shí)際沖壓中用戶反映出現(xiàn)缺陷的區(qū)域、拉延深度較大的區(qū)域；測(cè)量方法為在沖壓成形后的圓形格子進(jìn)行劃線，比照應(yīng)變測(cè)量尺進(jìn)行測(cè)量網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)的主、次應(yīng)變值，進(jìn)而獲得網(wǎng)格范圍內(nèi)的應(yīng)變分布。這種手工測(cè)量存在效率低、分析精度低，受人為主觀因素影響較大，以及分析的應(yīng)變區(qū)域小等缺點(diǎn)。

圖2 傳統(tǒng)的手工測(cè)量應(yīng)變法示意圖Fig.2 Diagram for Traditional Manual Measurement Strain Method

數(shù)字化網(wǎng)格應(yīng)變法相比傳統(tǒng)的手工測(cè)量法具有以下優(yōu)點(diǎn)：第一，印制網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)的主應(yīng)變、次應(yīng)變、主應(yīng)力、次應(yīng)力等都可以獲得，避免漏選關(guān)鍵區(qū)域所需的不同參數(shù)值，便于后續(xù)計(jì)算；并且所得測(cè)量結(jié)果以云圖效果呈現(xiàn)，可以方便地與Autoform的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。第二，測(cè)量時(shí)間短，可以進(jìn)行大面積的印制網(wǎng)格，以及大面積的應(yīng)變分析，覆蓋面較廣；并且所有處理過程自動(dòng)完成，減少了人為誤差，結(jié)果更為精確。第三，印制的網(wǎng)格尺寸范圍從0.1～5 mm，網(wǎng)格尺寸越小，測(cè)量精度越高。并且采用四個(gè)攝像頭，視野寬廣，即使汽車用鋼沖壓成形以后表面的部分區(qū)域彎曲大于90°也能測(cè)量。

數(shù)字化網(wǎng)格應(yīng)變法缺點(diǎn)主要在汽車用鋼沖壓成形過程中，由于板料與模具的接觸，造成部分區(qū)域網(wǎng)格尺寸被刮花，導(dǎo)致軟件分析時(shí)該刮花區(qū)域無法識(shí)別，出現(xiàn)無法分析的結(jié)果。

1.3 數(shù)字化網(wǎng)格應(yīng)變法步驟

（1）獲取待沖壓成形的汽車用鋼信息，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行該汽車用鋼的成形極限實(shí)驗(yàn)，獲得該汽車用鋼的FLC曲線；

（2）到?jīng)_壓現(xiàn)場(chǎng)，結(jié)合汽車零部件重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域以及易產(chǎn)生沖壓缺陷的區(qū)域，利用電化學(xué)腐蝕的方法，在待沖壓成形的汽車用鋼的表面印制方形網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸為0.1～5 mm。電化學(xué)腐蝕完成后要使用清洗液清洗網(wǎng)格表面，去除殘留的電解液藥水。如果網(wǎng)格印制完成后不馬上進(jìn)行沖壓成形，要在網(wǎng)格表面涂防銹油；

（3）將已經(jīng)印制好方形網(wǎng)格的汽車用鋼部分酌情涂抹沖壓潤(rùn)滑油后進(jìn)行沖壓成形。對(duì)沖壓成形之后的汽車零部件進(jìn)行應(yīng)變測(cè)量，利用AutoGrid應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)的鏡頭采集沖壓成形之后的方形網(wǎng)格形狀，并將圖像信息實(shí)時(shí)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，與沖壓成形之前的方形網(wǎng)格信息進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)而獲得方形網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)的應(yīng)變分布以及厚度變化等信息。

（4）將成形之后的應(yīng)變信息與汽車用鋼的FLC曲線進(jìn)行對(duì)比分析，分析此汽車用鋼在沖壓汽車零部件時(shí)主應(yīng)變、次應(yīng)變和厚度應(yīng)變分布情況，可對(duì)沖壓成形工藝或者沖壓用材料進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。

2 汽車用鋼沖壓成形分析

以厚度為0.65 mm的汽車用鋼H220YD為例，沖壓某車型前門外板汽車零部件，此前門外板汽車零部件采用一模兩件，左/右前門外板同時(shí)進(jìn)行沖壓。

2.1 H220YD-0.65 mm材料成形極限圖的獲取

將220BD-0.65 mm材料制作三組長(zhǎng)度均為180 mm，寬度依次為 30、60、80、100、120、140、160、180 mm的24個(gè)試樣，按照GB/T 4156-2007《金屬材料薄板和薄帶埃里克森杯突試驗(yàn)》進(jìn)行埃里克森試驗(yàn)，采用破裂線回歸的方法確定每個(gè)試樣的成形極限點(diǎn)，將成形極限點(diǎn)采用數(shù)學(xué)擬合的方法連線成FLC曲線，即得到H220YD-0.65 mm材料的FLC曲線，如圖3所示。

圖3 H220YD-0.65mm材料的FLC曲線Fig.3 FLC Curves of H220YD-0.65 mm Material

2.2 印制網(wǎng)格和沖壓成形

將汽車用鋼H220YD-0.65 mm的重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域表面采用電化學(xué)腐蝕方式印制2.5 mm×2.5 mm的方形網(wǎng)格，并將重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域定義為A、B、C、D、E、F、G、H。

印制好網(wǎng)格的板料進(jìn)行沖壓成形，送沖壓生產(chǎn)線上進(jìn)行沖壓成形，為了最大程度的保留失效區(qū)域的變形情況，只進(jìn)行第一道拉延工序，沖壓成形后取下沖壓件，如圖4所示。

圖4 第一道拉延工序后的沖壓件Fig.4 Stamping Parts after First Drawing Process

2.3 數(shù)字化網(wǎng)格應(yīng)變法分析結(jié)果

對(duì)沖壓成形之后的汽車零部件進(jìn)行應(yīng)變測(cè)量，利用AutoGrid應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)的鏡頭采集沖壓成形之后的 A、B、C、D、E、F、G、H 八個(gè)區(qū)域的方形網(wǎng)格形狀，與沖壓成形之前的方形網(wǎng)格信息進(jìn)行對(duì)比，獲得八個(gè)網(wǎng)格區(qū)域的成形極限值云圖及最大厚度減薄率云圖分別如圖5、圖6所示。

在板料成形中，當(dāng)主應(yīng)變和次應(yīng)變超過由這兩個(gè)應(yīng)變聯(lián)合構(gòu)成的應(yīng)變極限范圍時(shí)，板料將會(huì)產(chǎn)生變薄、斷裂。板料面內(nèi)主應(yīng)變和次應(yīng)變的交點(diǎn)落在材料的FLC曲線以下是允許的，主應(yīng)變和次應(yīng)變的交點(diǎn)在材料的FLC曲線以上則會(huì)產(chǎn)生成形加工破壞。而沖壓過程中成形極限值的最小值定義為板料應(yīng)變值的最大值與材料FLC曲線上同一變形路徑的破裂點(diǎn)之間的差值，這個(gè)差值按照主機(jī)廠的實(shí)際沖壓要求需要大于8%，即要求板料在沖壓成形過程中不出現(xiàn)明顯的局部變薄或頸縮，而不是最終的斷裂。這是因?yàn)橛芯植款i縮的板金零件，已經(jīng)不能滿足沖壓成形質(zhì)量的要求［9-10］。從圖 5 中可以看出， 區(qū)域 A、B、C、D、E、F、G、H 成形極限值的最小值分別為 6.6%、16.1%、15.9%、14.2%、22.8%、20.4%、18.7%、22.1%。 可知，區(qū)域A的成形極限值的最小值小于8%，不滿足沖壓成形質(zhì)量的要求；其他區(qū)域成形極限值均大于8%，滿足沖壓成形質(zhì)量的要求。

圖5 八個(gè)網(wǎng)格區(qū)域的成形極限值云圖Fig.5 Forming Limit Nephogram for Eight Grid Regions

最大厚度減薄率的值對(duì)于薄板材成形加工領(lǐng)域的斷裂失效分析是非常重要的，在工程上可作為材料制造過程中設(shè)計(jì)控制依據(jù)、結(jié)構(gòu)失效分析的判據(jù)［11-13］；在實(shí)際生產(chǎn)上控制最大厚度減薄率的值，使其小于25%，也可以有效避免縮頸、隱裂等沖壓缺陷的產(chǎn)生，降低沖壓報(bào)廢率，提高沖壓成品率。從圖 6 中可以看出，區(qū)域 A、B、C、D、E、F、G、H最大厚度減薄率的值分別為25.752%、17.936% 、20.152% 、20.456%、14.212% 、14.869%、15.539%、13.652%。可知，區(qū)域A的最大厚度減薄率的值大于25%，不滿足沖壓成形質(zhì)量的要求；其他區(qū)域最大厚度減薄率的值均小于25%，滿足沖壓成形質(zhì)量的要求。

圖6 八個(gè)網(wǎng)格區(qū)域的最大厚度減薄率云圖Fig.6 Maximum Thickness Thinning Rate Nephogram for Eight Grid Regions

綜上所述，區(qū)域A的成形極限值的最小值與最大厚度減薄率的值均不滿足沖壓成形質(zhì)量要求，定義為沖壓成形風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，極易產(chǎn)生沖壓缺陷。

2.4 基于數(shù)字化網(wǎng)格應(yīng)變法分析結(jié)果的改進(jìn)措施

若想使區(qū)域A變成沖壓成形安全區(qū)域，從成形極限值角度來看，必須使區(qū)域A應(yīng)變值的最大值向下或向左移動(dòng)，或使得材料的FLC曲線向上移動(dòng)，以達(dá)到成形極限值的最小值大于8%。為此，需要對(duì)模具進(jìn)行調(diào)整或?qū)Σ牧线M(jìn)行優(yōu)化，由于此汽車零部件為一模兩件，且區(qū)域A相對(duì)應(yīng)的區(qū)域D并無沖壓風(fēng)險(xiǎn)。因此，考慮不更換材料，進(jìn)行模具調(diào)整處理，將區(qū)域A模具型面圓角進(jìn)行打磨，放大圓角，促進(jìn)板料流動(dòng)。從最大厚度減薄率角度來看，也需要對(duì)區(qū)域A進(jìn)行模具調(diào)整處理，采取的措施是減小局部壓邊力，增大局部模具間隙，同時(shí)調(diào)整相應(yīng)部位拉延筋，以達(dá)到降低區(qū)域A沖壓變形的最大厚度減薄率。

實(shí)施改進(jìn)措施之后，再對(duì)沖壓成形之后的汽車零部件進(jìn)行數(shù)字化網(wǎng)格應(yīng)變法測(cè)量，著重觀察區(qū)域A，結(jié)果如圖7所示。從圖7中可以看出，區(qū)域A的成形極限值的最小值為9.6%，大于8%；且區(qū)域A的最大厚度減薄率的值為21.061%，小于25%；均已滿足沖壓成形質(zhì)量的要求。

圖7 改進(jìn)措施之后區(qū)域A的成形極限值云圖與最大厚度減薄率云圖Fig.7 Nephogram for Forming Limit Value and Nephogram for Maximum Thickness Thinning Rate in Region A after Taking Improvement Measures

3 結(jié)語

通過對(duì)數(shù)字化網(wǎng)格應(yīng)變法在汽車用鋼沖壓成形中的應(yīng)用進(jìn)行探究，對(duì)比了傳統(tǒng)手工測(cè)量和數(shù)字化網(wǎng)格應(yīng)變法的優(yōu)缺點(diǎn)。以某車型前門外板汽車零部件實(shí)際沖壓為例，獲得了沖壓成形風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域。并分析與評(píng)定沖壓成形風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域產(chǎn)生原因，提出模具調(diào)整方案，成功將風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的成形極限值的最小值由6.6%提升至9.6%、最大厚度減薄率的值由25.752%降低至21.061%，使得該區(qū)域滿足沖壓成形質(zhì)量要求。該數(shù)字化網(wǎng)格應(yīng)變法對(duì)于汽車用鋼沖壓成形過程中的模具開模、零件試沖、模具調(diào)試等評(píng)價(jià)具有較為積極、實(shí)用的指導(dǎo)意義，同時(shí)對(duì)于研究各種汽車用鋼沖壓成形缺陷有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。