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        基于Argus網(wǎng)格應(yīng)變分析的汽車覆蓋件成形質(zhì)量研究

        2022-08-29 08:25:44韋榮發(fā)王子裕
        模具制造 2022年7期
        關(guān)鍵詞:薄率制件板料

        陽 學(xué),韋榮發(fā),王子裕,符 周

        (上汽通用五菱汽車股份有限公司,廣西柳州 545005)

        1 引言

        汽車覆蓋件作為整車的關(guān)鍵零部件,對整車的綜合性能具有重要影響。汽車覆蓋件通常由形狀及特征復(fù)雜的空間曲面構(gòu)成,復(fù)雜的造型使板料在成形過程中易因各區(qū)域受力不均勻、進料速度不一致等原因,產(chǎn)生起皺、開裂、癟塘、滑移線等質(zhì)量缺陷[1~2]。隨著汽車工業(yè)及沖壓技術(shù)的不斷發(fā)展,汽車覆蓋件造型愈發(fā)激進,對沖壓工藝及鈑金成形技術(shù)提出了更高的要求。在模具開發(fā)前期,通常借助Autoform等鈑金成形軟件進行CAE分析,確認制件的成形性,但CAE分析在模擬過程中進行了大量簡化,且CAE分析中設(shè)置的參數(shù)與實際條件存在一定差異,難以精確模擬沖壓件成形過程的所有缺陷。因此,對沖壓件應(yīng)變進行精確檢測,定量評價制件應(yīng)力應(yīng)變分布及潛在失效區(qū)域與模式,對優(yōu)化沖壓工藝以及指導(dǎo)現(xiàn)場模具調(diào)試具有重要意義。網(wǎng)格試驗可以快速準(zhǔn)確的判定鈑金制件成形過程中板材的應(yīng)變數(shù)值,并據(jù)此客觀評價成形質(zhì)量。通常,網(wǎng)格測量系統(tǒng)有軟尺手工測量系統(tǒng)、AutoGrid?網(wǎng)格應(yīng)變測量系統(tǒng)及Argus網(wǎng)格應(yīng)變測量系統(tǒng)等[3]。

        國內(nèi)外專家學(xué)者利用網(wǎng)格試驗對汽車鈑金的制件成形質(zhì)量進行了大量的理論研究與試驗論證。李雙義等將坐標(biāo)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)變技術(shù)應(yīng)用于夏利變形車翼子板材質(zhì)的國產(chǎn)化研究[4],通過對危險部位貼網(wǎng)格膜進行應(yīng)變分布的定量測量和計算,確定生產(chǎn)穩(wěn)定性和安全裕度,探討了材質(zhì)國產(chǎn)化的可行性。吳青松等利用網(wǎng)格應(yīng)變分析技術(shù)[5],對頂蓋制件沖壓后應(yīng)變分布狀態(tài)進行了分析,結(jié)果表明頂部R 角成形裕度不足,放大模具R 角1.5mm 后缺陷消除。楊西鵬等利用網(wǎng)格應(yīng)變技術(shù)對汽車門內(nèi)板潛在開裂位置進行了分析[6],并將測量數(shù)據(jù)與成形極限圖FLD進行對比分析,計算出制件的成形安全裕度,基于計算結(jié)果制定優(yōu)化壓延筋位置和結(jié)構(gòu)、降低壓邊力的措施并取得顯著改善。上述研究在理論研究與工程實踐上均取得了很大的進展,為提升汽車鈑金的成形質(zhì)量提供了借鑒,但上述研究較少使用精度較高的Argus 網(wǎng)格應(yīng)變測量系統(tǒng)。本文采用高精度的Argus測量系統(tǒng)對某車型側(cè)圍外板進行網(wǎng)格試驗分析,以提升其成形質(zhì)量與量產(chǎn)過程的穩(wěn)定性。

        2 Argus網(wǎng)格應(yīng)變測量系統(tǒng)的組成及其原理

        2.1 Argus測量系統(tǒng)的組成

        圖1a 所示為Argus 測量系統(tǒng)的硬件設(shè)備組成,其包括一套Argus 打標(biāo)材料(2 張電化學(xué)刻蝕用蠟版,配有金屬固定框)、德國原裝電化學(xué)打標(biāo)機EU Classic 500(打標(biāo)頭和電纜以及電解液),用于板料刻印精確度更高的圓點網(wǎng)格圖。圖1b 所示為Argus 測量系統(tǒng)的軟件設(shè)備組成,其包括一套薄板成形網(wǎng)格應(yīng)變測試分析系統(tǒng)(最大測量范圍:12,000×12,000×12,000mm)、一套Argus測量頭(彩色單反數(shù)碼相機,LCD顯示屏以及測量鏡頭)、2 套1.5mm 的Argus 數(shù)碼參考記號點及一臺裝有Argus 軟件便攜式工作站,用于測量分析網(wǎng)格計算結(jié)果,實現(xiàn)全場的實測應(yīng)變結(jié)果與FEA應(yīng)變分布數(shù)據(jù)對比,繪制多種數(shù)據(jù)曲線如成形極限曲線FLD,對CAE 分析結(jié)果進行驗證,并用于指導(dǎo)沖壓工藝優(yōu)化、模具校驗與調(diào)整。

        圖1 Argus網(wǎng)格應(yīng)變測量系統(tǒng)的組成

        2.2 Argus的技術(shù)規(guī)格與優(yōu)勢

        Argus網(wǎng)格應(yīng)變測量系統(tǒng)的技術(shù)規(guī)格如表1所示,其測量精度最大可達到0.1%,測量范圍為0.5%~300%,廣泛的范圍和精密的準(zhǔn)確度,讓制件高風(fēng)險區(qū)的應(yīng)變?nèi)采w測量,能夠讓工程團隊更全面的分析制件缺陷產(chǎn)生機理。

        表1 Argus網(wǎng)格應(yīng)變系統(tǒng)技術(shù)規(guī)格

        Argus 設(shè)備精密和輕巧,此外,Argus 還具有以下技術(shù)優(yōu)勢:

        (1)采用圓點圖案,提高了圖案的識別能力和測量精度。

        (2)可根據(jù)需要,采用不同大小和間距的圓點模板(1~10mm)。

        (3)自動識別圓點的空間位置,同時樣件應(yīng)變計算也由系統(tǒng)自動完成。

        (4)根據(jù)拓撲關(guān)系,由軟件分布應(yīng)變面片,進而計算應(yīng)變結(jié)果,避免了直接刻蝕網(wǎng)格,在沖壓過程中網(wǎng)格變形和丟失,造成數(shù)據(jù)丟失和精度降低的現(xiàn)象。

        (5)無需標(biāo)定,直接進行測量,無需人工干預(yù),提高了工作效率和測量精度,可針對多個局部區(qū)域進行測量,而計算的時間僅需幾分鐘。

        (6)強大的軟件功能,可讀取FEA 有限元計算結(jié)果,并與實測結(jié)果進行比較。

        (7)對樣件的大小和復(fù)雜程度沒有限制。

        (8)具有計算和確定材料成形極限FLC 的功能,計算方法符合ISO12004最新的標(biāo)準(zhǔn)。

        (9)適合任意環(huán)境,具備穩(wěn)定的工作性能,極高的測量精度和點陣密度,高效的計算速度、以及良好的操作性。

        (10)便攜式設(shè)計,可在車間現(xiàn)場工作。

        2.3 Argus網(wǎng)格測量流程及其原理

        檢測流程如圖2所示,在板料成形前,利用電化學(xué)蝕刻的方法在金屬板材表面刻印規(guī)格的網(wǎng)格圓。板材成形過程中,這些網(wǎng)格圓會隨著板材的變形在徑向與切向出現(xiàn)拉伸或壓縮,且這些網(wǎng)格圓不會因成形過程中板材與模具的摩擦被擦除。板材成形后利用一高分辨率的CCD相機從不同的角度對制件進行拍照,利用“照相測量”的原理,獲得這些網(wǎng)格圓中心的空間三維坐標(biāo)。Argus 軟件根據(jù)相臨4 個圓點的坐標(biāo)進行拓撲運算,分布網(wǎng)格面片,根據(jù)這些網(wǎng)格面片的變形計算出每個局部范圍內(nèi)的面內(nèi)應(yīng)變值(主應(yīng)變和次應(yīng)變及厚度縮減),從而獲得整個制件的應(yīng)變分布(色溫圖),再根據(jù)材料成形極限性能(FLC)獲得制件成形極限圖FLD,由此可以分析和評估制件的成形質(zhì)量[7]。

        圖2 Argus網(wǎng)格應(yīng)變測量流程

        3 典型沖壓件成形缺陷分析

        某市場暢銷車型側(cè)圍外板結(jié)構(gòu)如圖3a所示,復(fù)雜的產(chǎn)品造型決定了沖壓工藝及成形過程中板材應(yīng)力應(yīng)變的復(fù)雜性,CAE 分析的制件減薄分布如圖3b 所示。板材性能等級為BUFD-FD-D,尺寸為3,420×1,660×0.7mm。沖壓成形時,壓邊圈行程為200mm,壓邊力為240t。該制件在批量沖壓生產(chǎn)中A、B、C 和D區(qū)頻繁出現(xiàn)局部縮頸、開裂等缺陷,如圖4所示。

        圖3 某車型側(cè)圍外板結(jié)構(gòu)與減薄率分布

        圖4 某車型側(cè)圍外板制件缺陷分布

        為了深入研究該側(cè)圍外板沖壓成形中板材的應(yīng)力應(yīng)變分布、成形極限FLD 及潛在失效模式,掌握其缺陷的產(chǎn)生機理,并制定模具優(yōu)化方案,本文應(yīng)用網(wǎng)格應(yīng)變分析方法對其制件成形質(zhì)量進行研究。

        3.1 網(wǎng)格應(yīng)變分析結(jié)果

        通過Argus 應(yīng)變測量系統(tǒng),檢測高風(fēng)險區(qū)域的主應(yīng)變和次應(yīng)變之比,再由體積守恒定律通過工作站計算出各點減薄率,繪制出各高風(fēng)險區(qū)域材料減薄分布圖,如圖5所示。

        圖5 高風(fēng)險區(qū)域材料減薄分布圖

        由圖5 可知,各高風(fēng)險區(qū)域減薄率超過20%甚至達到30%(CAE 分析的減薄率標(biāo)準(zhǔn):≤25%),當(dāng)制件受到的拉應(yīng)力較大并產(chǎn)生超過板料塑形應(yīng)變極限的應(yīng)變時,便出現(xiàn)縮頸或開裂缺陷,與調(diào)試或量產(chǎn)過程中出現(xiàn)的失效模式相吻合。此外,減薄率大于標(biāo)準(zhǔn)的高風(fēng)險點多處于深翻邊區(qū),其中A 區(qū)和C 區(qū)的高風(fēng)險點較密集。各區(qū)域最大主應(yīng)變及減薄率如表2 所示。

        表2 各高風(fēng)險區(qū)域最大減薄率

        3.2 成形極限圖FLD

        成形極限圖是由板料在不同應(yīng)變路徑下的局部失穩(wěn)極限工程應(yīng)變e1和e2或極限真實應(yīng)變ε1和ε2構(gòu)成的條帶形區(qū)域或曲線。它反映了板料在單向和雙向拉應(yīng)力作用下抵抗縮頸或開裂的能力,常用于分析解決成形時出現(xiàn)的縮頸或開裂等問題[8]。FLD能夠反映板料在單向和雙向拉應(yīng)力作用下的局部成形極限,為定量研究與評估鈑金的成形質(zhì)量提供依據(jù)[9]。由Argus 網(wǎng)格應(yīng)變測量系統(tǒng)自動生成的FLD 圖如圖6所示。

        圖6 高風(fēng)險區(qū)域成形極限圖

        觀察圖6可知,高風(fēng)險區(qū)有較多測點處于臨界區(qū),存在開裂的潛在風(fēng)險,沖壓成形時容易出現(xiàn)縮頸或開裂缺陷,必須控制工藝因素及生產(chǎn)條件如模具圓角、板料毛坯尺寸、潤滑狀態(tài)及壓邊力的大小等,對其進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整優(yōu)化,改善沖壓成形條件以防止開裂,提升制件成形質(zhì)量。

        3.3 解決措施

        在識別各區(qū)域主副應(yīng)變及成形極限的基礎(chǔ)上,摒棄調(diào)整平衡塊墊片以補充走料的常規(guī)方案,以CAE分析材料流入量為導(dǎo)向,放大高風(fēng)險區(qū)域凹模筋條R角,減少壓邊力和進料阻力,使材料流入量匹配制件成形特性與需求。材料流入量測點分布及測量結(jié)果如圖7所示。同時,拋光高風(fēng)險區(qū)域模具型面R角,保證走料順暢,采用全噴油方式,降低模具與板料表面摩擦系數(shù),減小縮頸開裂風(fēng)險。

        圖7 某側(cè)圍外板材料流入量測點分布與測量結(jié)果

        4 優(yōu)化方案實施與工程實踐

        為進一步驗證缺陷成因分析及整改方案的有效性,在實施上述措施后對側(cè)圍外板進行批量生產(chǎn)驗證,跟蹤并記錄整改前后的減薄率與運行數(shù)據(jù),如表3所示,沖壓件質(zhì)量狀態(tài)如圖8所示。生產(chǎn)結(jié)果表明,整改后制件高風(fēng)險區(qū)域縮頸開裂缺陷改善顯著,A區(qū)域最大減薄率由36.67%降低至20.4%。制件的質(zhì)量符合汽車覆蓋件質(zhì)量控制要求,F(xiàn)TQ由77.2%提升至100%。

        表3 整改前后試驗結(jié)果

        整改后制件質(zhì)量狀態(tài)如圖8所示。

        圖8 整改后制件狀態(tài)

        5 結(jié)束語

        為深入研究鈑金成形過程材料的流動趨勢、應(yīng)力應(yīng)變分布及缺陷成形機理,并指導(dǎo)沖壓工藝優(yōu)化及模具校驗與調(diào)整。本文以某車型側(cè)圍外板為載體,利用Argus 網(wǎng)格應(yīng)變測量系統(tǒng)對板材成形質(zhì)量進行分析,通過精確檢測板材的應(yīng)力和變形量,并根據(jù)材料成形極限性能獲得制件成形極限圖FLD,分析和評估板材成形質(zhì)量,在此基礎(chǔ)上進行沖壓工藝的優(yōu)化和沖壓模具的校驗,為解決問題提供參考,同時,結(jié)合工程實踐驗證得出如下結(jié)論:

        (1)網(wǎng)格試驗法為研究汽車覆蓋件沖壓成形缺陷、優(yōu)化沖壓工藝、板材選型及提高制件質(zhì)量提供了一種有效的輔助手段。

        (2)Argus網(wǎng)格試驗具有較高的精確度與效率,結(jié)合檢測結(jié)果進行可精確識別制件成形過程應(yīng)力應(yīng)變數(shù)值與成形極限圖FLD。

        (3)將材料流入量作為評價成形質(zhì)量與穩(wěn)定性的重要監(jiān)測指標(biāo),并結(jié)合網(wǎng)格試驗觀測制件在不同應(yīng)變路徑下的的成形極限與安全裕度,在此基礎(chǔ)上優(yōu)化工藝和改進方案及指導(dǎo)模具調(diào)試。

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