龍 安 祝洪川 吳青松

(武漢鋼鐵(集團(tuán))公司研究院 湖北 武漢：430080)

網(wǎng)格實(shí)驗(yàn)在冷沖壓模具驗(yàn)收中的應(yīng)用

龍 安 祝洪川 吳青松

(武漢鋼鐵(集團(tuán))公司研究院 湖北 武漢：430080)

網(wǎng)格實(shí)驗(yàn)可以準(zhǔn)確的反映材料在冷沖壓成形中的應(yīng)變狀況，提示出成形中的危險(xiǎn)區(qū)域，因此可以在冷沖壓模具驗(yàn)收中發(fā)揮關(guān)鍵作用。以某款轎車側(cè)圍內(nèi)板零件為例，通過網(wǎng)格實(shí)驗(yàn)明確了該零件在拉延成形中的開裂隱患位置，并從模具和材料兩個(gè)方面提出了優(yōu)化方案，取得了理想效果。

網(wǎng)格實(shí)驗(yàn)；冷沖壓；模具驗(yàn)收；應(yīng)變

隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，各家汽車廠都推出新車型，而車身零件作為車身重要組成部分，主要由冷沖壓擔(dān)當(dāng)，沖壓模具作為冷沖壓的重要載體，其設(shè)計(jì)的合理性、制造質(zhì)量對于沖壓生產(chǎn)過程和零件質(zhì)量有決定性的影響。目前汽車主機(jī)廠一般將其沖壓模具外包給專業(yè)的模具公司進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造，到期由驗(yàn)收人員對模具進(jìn)行驗(yàn)收，主要包括以下內(nèi)容：(1)模具的工藝合理性；(2)模具的結(jié)構(gòu)和安裝定位精確性；(3)進(jìn)行零件試沖，進(jìn)行質(zhì)量評估。在以上三個(gè)方面中，(1)(2)項(xiàng)由模具廠負(fù)責(zé)保證，而第(3)項(xiàng)需要由模具廠和鋼廠協(xié)助進(jìn)行，汽車廠進(jìn)行最終確認(rèn)。從2011年至今，武鋼作為車身用鋼供應(yīng)商，利用ARGUS網(wǎng)格實(shí)驗(yàn)設(shè)備，先后協(xié)助國內(nèi)多家汽車主機(jī)廠進(jìn)行了沖壓模具驗(yàn)收工作，對沖壓材料選材和模具型面改進(jìn)提出建議，本文將以某款轎車左側(cè)圍內(nèi)板零件拉延模具為例進(jìn)行說明。

1 網(wǎng)格實(shí)驗(yàn)方法簡介

網(wǎng)格實(shí)驗(yàn)分析方法的本質(zhì)是將材料離散化，通過每個(gè)離散點(diǎn)的主、次應(yīng)變狀況來顯示整個(gè)零件沖壓成形中的應(yīng)變狀態(tài)，主要表現(xiàn)為以下3種：(1)點(diǎn)處于單向拉伸(圖1①)，此時(shí)主應(yīng)變?yōu)檎?，次?yīng)變?yōu)樨?fù)；(2)點(diǎn)處于平面應(yīng)變(圖1②)，此時(shí)主應(yīng)變?yōu)檎?，而次?yīng)變在0附近；(3)點(diǎn)處于等雙向拉伸(圖1③)，此時(shí)主、次應(yīng)變均為正值。

圖1 點(diǎn)應(yīng)變狀態(tài)及FLC曲線

圖2 用于實(shí)驗(yàn)的各種網(wǎng)格

在實(shí)驗(yàn)室通過杯凸實(shí)驗(yàn)等實(shí)驗(yàn)方法，在線性應(yīng)變路徑下，將主、次應(yīng)變平面上一系列不同應(yīng)變路徑下材料開始發(fā)生縮頸時(shí)的極限主/次應(yīng)變點(diǎn)連接，得到圖1所示的FLC曲線，反映的是材料的本構(gòu)特性。實(shí)驗(yàn)室測得的材料FLC曲線是進(jìn)行網(wǎng)格實(shí)驗(yàn)的基本依據(jù)，網(wǎng)格實(shí)驗(yàn)的目的就是將零件上實(shí)驗(yàn)位置的應(yīng)變情況離散化，得到這一系列離散點(diǎn)的應(yīng)變狀況，然后比較這些離散點(diǎn)與FLC曲線的相對位置關(guān)系，當(dāng)離散點(diǎn)全部位于FLC曲線下方(圖1中“安全區(qū)域”)時(shí)，材料沖壓成形是相對安全的，且距離FLC曲線越遠(yuǎn)，安全裕度越高；當(dāng)離散點(diǎn)部分越過FLC曲線到達(dá)其上方(圖1中“危險(xiǎn)區(qū)域”)時(shí)，材料有沖壓開裂風(fēng)險(xiǎn)。此時(shí)對照危險(xiǎn)區(qū)域中離散點(diǎn)在沖壓零件中的對應(yīng)位置，可以明確得出零件上的開裂風(fēng)險(xiǎn)位置。

在網(wǎng)格實(shí)驗(yàn)中，通常用圖2中的各種不同形狀的網(wǎng)格來代表離散的點(diǎn)，應(yīng)變的測量和計(jì)算基于網(wǎng)格，包括圓形網(wǎng)格、隨即散斑圖樣、方形網(wǎng)格和點(diǎn)陣網(wǎng)格等形式。

武鋼目前在汽車廠或模具廠現(xiàn)場利用網(wǎng)格分析方法協(xié)助進(jìn)行模具驗(yàn)收的一般流程為：

(1)獲取沖壓零件清單和材料牌號、鋼卷號、厚度等信息，在內(nèi)部系統(tǒng)中調(diào)閱材料的力學(xué)性能信息，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行該牌號和厚度材料的FLC實(shí)驗(yàn)以獲得典型FLC曲線；

(2)到達(dá)用戶現(xiàn)場，選取表面無污漬、銹跡、平整無劃痕的原料，并與用戶討論，找出用戶最關(guān)心的位置，并將這些位置作為印制網(wǎng)格的區(qū)域；

(3)印制網(wǎng)格，根據(jù)鋼板表面是否有鋅層選擇相應(yīng)的打標(biāo)液，利用電化學(xué)腐蝕方法，在鋼板表面需要分析的區(qū)域印制黑白對比清晰無缺失的黑色網(wǎng)格，直徑為3mm的圓形；

(4)零件沖壓，待沖壓工藝穩(wěn)定后將印制網(wǎng)格的鋼板進(jìn)行沖壓，或者試沖幾張后進(jìn)行；

(5)應(yīng)變測量，用ARGUS網(wǎng)格應(yīng)變系統(tǒng)的CCD數(shù)碼相機(jī)對變形的網(wǎng)格區(qū)域進(jìn)行多角度拍攝，軟件自動計(jì)算出每個(gè)網(wǎng)格的主、次應(yīng)變，合成色溫圖，和材料的FLC本構(gòu)曲線進(jìn)行比對，判定材料是否達(dá)到成形極限，減薄率是否超標(biāo)；

(6)分析報(bào)告，由武鋼網(wǎng)格實(shí)驗(yàn)人員根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行判定，指出沖壓開裂、起皺等NG的位置，分析原因，并向模具廠和汽車廠提出模具修改方案或材料變更方案；

(7)模具廠、汽車廠共同解讀分析報(bào)告，對模具或沖壓材料進(jìn)行調(diào)整；

(8)模具調(diào)整結(jié)束后，再次邀請武鋼來做網(wǎng)格實(shí)驗(yàn)，如果仍有破裂、起皺等沖壓不良現(xiàn)象，重復(fù)1～7的步驟，直到所有零件所有區(qū)域沖壓OK，流程結(jié)束。

2 覆蓋件網(wǎng)格實(shí)驗(yàn)實(shí)例

某款轎車左側(cè)圍內(nèi)板零件坯料采用梯形輪廓，其沖壓工藝流程為落料-拉延-修邊沖孔-翻邊整形-修邊沖孔。網(wǎng)格實(shí)驗(yàn)關(guān)注的是第二步的拉延過程，拉延后零件照片如圖3所示，坯料的機(jī)械性能如表1所示。

表1 材料力學(xué)性能

圖3 拉延后左側(cè)圍內(nèi)板零件

因?yàn)樵摿慵娣e較大，現(xiàn)有的網(wǎng)格面積無法全部覆蓋，因此將表面分為8塊，命名為A～H，然后在自動化沖壓生產(chǎn)線上進(jìn)行拉延，壓力機(jī)采用單動，噸位為2000噸，印制完網(wǎng)格后用空氣噴槍在鋼板表面噴覆一層很薄的油膜，氣墊壓力暫定為700kN。

模具廠家預(yù)沖壓20余片板料，其中有5片出現(xiàn)縮頸或開裂現(xiàn)象，隨后將印有網(wǎng)格的武鋼材料放入壓力機(jī)進(jìn)行拉延，隨后對拉延成形后零件進(jìn)行了現(xiàn)場分析。表2綜合反映了每個(gè)區(qū)域的成形狀況，并分別給出了相應(yīng)的判定。

表2中的判定根據(jù)的是汽車廠模具驗(yàn)收的一般標(biāo)準(zhǔn)：汽車廠最關(guān)注的材料厚度減薄率方面，對于本次用的深沖壓級別鋼(屈服強(qiáng)度<270MPa)，要求零件部分<25%，圓角部分<30%，工藝補(bǔ)充部分<30%。 零件成形到底前3mm，要求無起皺，在網(wǎng)格實(shí)驗(yàn)云圖上顯示全部為安全的綠色。成形到底后，要求安全裕度≥20%。

由試驗(yàn)結(jié)果看出，區(qū)域E在零件的拉延凸臺位置的厚度減薄率超過了25%，如圖4(b)所示；一部分離散點(diǎn)已經(jīng)越過了材料的FLC曲線，安全裕度為0，如圖4(c)所示，其他七處區(qū)域都沒有問題。

表2 各區(qū)域成形狀況與判定

圖4

3 試驗(yàn)結(jié)果對模具驗(yàn)收的指導(dǎo)

由圖4(c)可以看到，用DX54D+Z材料生產(chǎn)該側(cè)圍內(nèi)板零件時(shí)，在E區(qū)域的變形狀態(tài)主要是平面應(yīng)變，材料、模具工況有任何波動都有造成沖壓開裂的風(fēng)險(xiǎn)。要想使得這一區(qū)域的變形變得安全，必須將FLC曲線附近的離散點(diǎn)向下方移動，即減少主應(yīng)變，適當(dāng)增加次應(yīng)變。為此對現(xiàn)場模具調(diào)整提出如下建議：

(1)因?yàn)閼?yīng)變較大位置接近拉延筋位置，可適當(dāng)減小壓邊力，對拉延筋(圖4(a)中①處)進(jìn)行拋光，從而適當(dāng)減小凸臺處材料的受力；

(2)改善凸臺位置形狀，適當(dāng)增大圓角半徑(圖4(a)中②處)，減小應(yīng)力集中。

經(jīng)過模具廠家現(xiàn)場調(diào)整，再度沖壓20片，仍有3片出現(xiàn)縮頸和開裂，再印制一片網(wǎng)格進(jìn)行拉延，網(wǎng)格試驗(yàn)FLD圖如圖5(a)所示。對比圖5(a)和圖4(a)可以看到，在模具調(diào)整后，位于FLC曲線附近的離散點(diǎn)數(shù)量有所減少，最大應(yīng)力已經(jīng)從38.4%降到31%左右，但總體上成形安全裕度仍然低于15%，說明在現(xiàn)有條件下，DX54D+Z無法滿足成形需要。為提高零件的塑性成形能力，建議汽車廠選用較高牌號材料DX56D+Z，該材料相較DX54D+Z材料，具有較低的屈服強(qiáng)度，較高的抗拉強(qiáng)度和n,r值。

用DX56D+Z材料印制網(wǎng)格后進(jìn)行拉延，網(wǎng)格試驗(yàn)FLD圖如圖5(b)所示，可見離散點(diǎn)整體下降并遠(yuǎn)離FLC曲線，安全裕度達(dá)到30%，說明該材料可以滿足成形需求。除了延伸率提高帶來塑性增強(qiáng)以外，r值的增大使得在平面應(yīng)變狀態(tài)下，抵抗減薄的能力大大增強(qiáng)，最大減薄率降低到24%以下，再拉延20片全部合格。

圖5

4 小結(jié)

網(wǎng)格實(shí)驗(yàn)是鋼廠協(xié)助汽車廠進(jìn)行冷沖壓模具驗(yàn)收的有效工具。通過網(wǎng)格實(shí)驗(yàn)，可以直觀地指出沖壓變形中的風(fēng)險(xiǎn)位置，在本文實(shí)例中，網(wǎng)格實(shí)驗(yàn)顯示零件的減薄率和安全裕度都超出了允許范圍，據(jù)此對現(xiàn)場模具調(diào)整提出了建議，取得了較為積極的效果，但安全裕度仍小于15%，從而建議汽車廠換用具有較低的屈服強(qiáng)度，較高的抗拉強(qiáng)度和n,r值的材料，經(jīng)過網(wǎng)格實(shí)驗(yàn)得到了驗(yàn)證，解決了沖壓中出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)。

[1] 謝文才，邰偉彬，等.網(wǎng)格試驗(yàn)法在沖壓質(zhì)量控制中的應(yīng)用[J].汽車工藝與材料,2011,(8):61-64.

[2] 郭宇翔,呂榮佳，等.冷沖壓模具驗(yàn)收要點(diǎn)淺析[J].模具制造,2014,(1):15-19.

[3] 解增會,陸威崑.沖壓模具的維修與保養(yǎng)[J].裝備制造技術(shù),2013,(12):189-190.

[4] 王同領(lǐng),陳峰，等.沖壓件開裂問題的解決方法[J].汽車工程師,2013,(9): 56-58.

[5] 張潤樂,孫華艷，等.側(cè)圍外蓋板沖壓工藝分析及模具優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].模具技術(shù)，2013,(4):28-34.

[6] 李玉強(qiáng),田華，等.車門外覆蓋件沖壓與CAE分析關(guān)鍵技術(shù)[J].鍛造與沖壓,2012,2(3):25-28.

[7] 徐虹,張眸睿,王海濤,等.前擋板支架彎曲翻邊成形模擬及模具設(shè)計(jì)[J].模具制造,2014,(1):19-22.

(責(zé)任編輯：李文英)

Guiding Importance of Grid Experiment for Acceptance of Cold Stamping Die

LONG An ZHU Hongchuan WU Qingsong

(Research and Development Center of WISCO，Wuhan 430080，Hubei)

Strain distribution of material in cold stamping forming could be detected accurately by means of grid string analyzing experiment so that crack-risk zone could be determined, thus playing a key role in acceptance of cold stamping die. Taking the side panel part in one bond of car as an example, this article specifies cracking potential locations in drawing process through the grid string analyzing experiment, offering optimization schemes from two aspects such as mold and material, achieving desired effect.

grid string analyzing experiment; cold stamping; acceptance of die

2015-01-06

2015-05-06

龍 安(1981～)，男，碩士，工程師.E-mail:longan@wisco.com.cn

TG386.1

A

1671-3524(2015)02-0017-04