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        基于網(wǎng)格分析技術(shù)的汽車板選材應(yīng)用

        2015-11-05 03:37:26供稿郭晶趙廣東GUOJingZHAOGuangdong
        金屬世界 2015年2期
        關(guān)鍵詞:裕度板材沖壓

        供稿|郭晶,趙廣東 / GUO Jing,ZHAO Guang-dong

        隨著我國鋼鐵企業(yè)對汽車板的自主研發(fā)能力的不斷增強,不同的汽車覆蓋件如何選取合適的板材已經(jīng)成為鋼鐵企業(yè)和汽車企業(yè)的共同研究熱點[1-2]。對汽車覆蓋件合理選材的研究,可以提高汽車用鋼的利用率,縮短了汽車從設(shè)計到投產(chǎn)的周期,降低了企業(yè)的生產(chǎn)成本。

        網(wǎng)格分析技術(shù)是解決車身選材問題的行之有效的方法。本試驗以汽車覆蓋件右后側(cè)圍后連接板為例,利用網(wǎng)格分析技術(shù),定量地評價材料的成形效果,分析后側(cè)圍后連接板各部分的應(yīng)變分布,通過對比三種汽車板材,DC03、DC04和DC06,分析了零件的成形安全裕度,預(yù)測其能否沖壓出合格的零件,并提供了合理的選材方案。

        試驗原理

        首先測定三種材料的力學(xué)性能指標及成形極限曲線,再測量右后側(cè)圍后連接板的變形區(qū)域的應(yīng)變值,獲得相應(yīng)的應(yīng)變云圖,通過將測得的應(yīng)變值與成形極限曲線和相關(guān)的安全裕度曲線相比較,分析材料變形是否合理,預(yù)測選材方案。

        試驗方法

        材料力學(xué)性能指標的測試

        力學(xué)性能是評價板材成形性能的基本性能指標。本試驗依據(jù)GB/T 228.1-2010金屬材料室溫拉伸試驗方法規(guī)定,利用Zwick 100 kN電子拉伸試驗機,測定三種材料的單向拉伸力學(xué)性能,結(jié)果見表1。

        材料成形極限圖的測試

        成形極限圖表示金屬板材在各種應(yīng)變路徑時所能承受的極限應(yīng)變。成形極限是判斷和評定材料成形性的最簡單直觀的方法,是解決板材沖壓成形問題的有效工具[3]。

        在實驗室條件下,依據(jù)GB/T 15825.8-2008標準,利用BUP600板材成形試驗機及ARMIS在線測量系統(tǒng),測定材料的成形極限圖。

        表1 三種材料單向拉伸力學(xué)性能指標測試值

        圖1為三種汽車板在沖壓成形中的應(yīng)變狀態(tài)和成形極限曲線,其中DC06、DC04和DC03的真應(yīng)變的FLD0分別為0.36、0.34和0.28,對應(yīng)的工程應(yīng)變成形極限圖的FLD0為43%、40%和32%。

        圖1 三種板材的成形極限曲線

        網(wǎng)格分析

        首先在板料上印制網(wǎng)格,然后對板料進行了沖壓成形,圖2為右后側(cè)圍后連接板的實物圖。從部件表面上看,坯料沖壓后部件內(nèi)部沒有發(fā)現(xiàn)起皺或者破裂的情況。

        最后用ARGUS光學(xué)應(yīng)變測量系統(tǒng)測量得出右后側(cè)圍后連接板沖壓后的主應(yīng)變云圖。

        圖2 印制網(wǎng)格后的右后側(cè)圍后連接板的實物圖

        試驗結(jié)果與討論

        圖3為右后側(cè)圍后連接板的主應(yīng)變云圖,主應(yīng)變主要分布在4%~26.7%之間,其最大值為30.9%,主要集中在零件的凹凸的圓角部位。

        圖3 右后側(cè)圍后連接板的主應(yīng)變云圖

        圖4為右后側(cè)圍后連接板的主應(yīng)變狀態(tài)和材料DC04的成形極限對比圖,凹凸圓角A和B區(qū)域應(yīng)變較大,應(yīng)變云圖分別落十字交叉點附近。

        如圖4所示,經(jīng)成形工序后,較大變形區(qū)域A的應(yīng)變落在成形極限圖最低點值的左側(cè),主要變形方式為拉深成形,區(qū)域A的應(yīng)變遠遠低于成形極限曲線,所以沖壓時A區(qū)域非常安全,不會破裂。

        區(qū)域B位于成形極限最低點的下方,其主要變形方式為平面應(yīng)變拉伸,由于距離成形極限曲線最低點位置較近,區(qū)域B是變形最危險的地方,可以通過增大模具圓角半徑、改善潤滑條件的方式降低主應(yīng)變值,達到增加沖壓安全性的目的。

        從圖4中可以看出,整個應(yīng)變云圖都落在成形極限曲線的下方,危險區(qū)域B的安全裕度是11.4%,低于10%的安全裕度成形曲線,考慮到材料性能和沖壓工藝存在不可避免的波動因素,一般認為,Δδmin(安全裕度)≥10%時,沖壓生產(chǎn)的穩(wěn)定性可以得到保證。因此右后側(cè)圍后連接板用DC04沖壓是安全的。

        圖5是右后側(cè)圍后連接板測量區(qū)域的主應(yīng)變狀態(tài)和三種板材的成形極限對比圖,其中a,b,c分別代表了DC03,DC04,DC06鋼種,厚度均為0.7 mm。

        圖5(a)中,零件在DC03的成形極限圖中的安全成形裕度Δδmin為5.1%,危險部位B區(qū)域的最大應(yīng)變值小于10%的安全裕度成形曲線,落在臨界區(qū)內(nèi),具有很大波動性,因此無法滿足零件的沖壓成形需要。

        圖4 右后側(cè)圍后連接板的主應(yīng)變狀態(tài)和成形極限對比圖

        圖5 右后側(cè)圍后連接板的主應(yīng)變狀態(tài)和各種材料的成形極限對比圖(其中a:DC03,b:DC04,c:DC06)

        圖5(c)中,零件沖壓的Δδmin為15.8%,遠低于成形極限曲線,說明材料性能過剩。對于這個零件而言,材料DC06能夠沖壓出合格的產(chǎn)品,但是從生產(chǎn)降低成本的角度考慮,可以選擇圖5(b)的Δδmin為11.4%的DC04,在生產(chǎn)過程中提高潤滑條件,嚴格控制工序和精細操作,能夠生產(chǎn)出合格產(chǎn)品的概率很高。因此,在保證良好的模具及沖壓工序等外在因素的前提下,右后側(cè)圍后連接板的最佳沖壓材料為DC04。

        綜上所述,根據(jù)所測區(qū)域的應(yīng)變分布狀態(tài)與成形極限對比,獲得安全裕度的大小,即可判斷出在該成形條件下,所選用的材料是否合理,從而預(yù)測最佳使用材料。

        結(jié)論

        (1)試驗得出,三種汽車用鋼的力學(xué)性能及成形極限性能有很顯著的差異,DC06的FLD0為43%、而DC04和DC03的FLD0分別為40%和32%。

        (2)用DC06,DC04和DC03等三種汽車用鋼沖壓右后側(cè)圍后連接板的安全裕度分別為15.8%,11.4%,5.1%,從降低生產(chǎn)成本,提高產(chǎn)品合格率角度考慮,右后側(cè)圍后連接板的最佳沖壓材料為DC04。

        (3)通過試驗發(fā)現(xiàn),網(wǎng)格分析法與成形極限曲線相結(jié)合,可以了解零件變形方式及難易程度,評價材料成形性能,預(yù)測材料的最佳選材方案。

        [1] 汪承璞, 馮蘇寧, 陸匠心. 轎車零件應(yīng)變分析與FLD選材預(yù)測. 鋼鐵,1999, 34(2): 43

        [2] 琚建文. 汽車沖壓減選材專家系統(tǒng)的研究. 南京: 南京航空航天大學(xué)材料系, 2008

        [3] 康永林. 現(xiàn)代汽車板工藝及成形理論及與技術(shù). 北京:冶金工業(yè)出版社, 2009

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