千志科，吳文明，田曉光

（黃河交通學院機電工程學院，河南 焦作 454950）

1 引言

材料性能對零件成形性之間的對應關系是開展零件設計的重要參考，也是汽車設計和材料廠商的共同追尋的目標，目前還缺乏系統(tǒng)的評價體系。零件設計過程的依據(jù)主要是材料的各種基本性能，缺乏系統(tǒng)的評價，往往需要多輪次的優(yōu)化設計，才能達到最后的設計目標[1]。因此，通過對材料基本性能和零件加工過程影響因素的研究，建立系統(tǒng)的材料性能對成形性能影響評價體系，對于指導零件選材和新材料研發(fā)具有重要意義。

國內(nèi)外學者進行了一定的研究：文獻[2]分析材料的強度指標對加工過程的影響，通過多輪次優(yōu)化設計，獲得與零件的對應關系用以指導選材；文獻[3]以汽車零件不同的性能需求為目標，對不同的材料性能需求進行對比分析，以獲取對應的選擇依據(jù)；文獻[4]基于成形分析模型，分析不同的材料參數(shù)單獨變化對成形性能的影響，以此獲取最優(yōu)設計；文獻[5]分析材料性能的變化對零件性能的影響，尤其是成形性能的影響，以獲取最優(yōu)的性能設計結果。

對影響汽車零件成形性能的因素進行分析，對性能指標進行無量綱處理，建立定量和定性兩種處理方案；基于模糊分析方法，確定權重、建立備擇集、建立綜合評價函數(shù)，最終建立成形性綜合評價模型；選取車門內(nèi)板作為研究對象，選用St12材料，進行成形性綜合評價；基于此對實際沖壓開裂車門進行材料成形性評價，對部分指標進行優(yōu)化，再次進行評價，并對比優(yōu)化前后的沖壓結果，以檢驗綜合評價模型的可靠性。

2 材料成形性能評價模型

影響材料成形性能的因素可歸為外部因素和內(nèi)部因素，外部因素主要是與制造過程相關的因素，如沖模速度、模具外形和潤滑摩擦等；內(nèi)部因素主要是材料性能參數(shù)[6]。在工藝條件等外部因素相對穩(wěn)定的情況下，成形在較大程度上取決于內(nèi)部因素，即材料參數(shù)。

指標可分為基本值和模擬值，前者是對材料本身特性的反映，它取決于材料產(chǎn)生過程的冶金因素；后者是對材料在某種變形條件下成形性能的反映，與具體的變形工藝相關[7]。在能夠表征板材成形性能的諸多指標中，可以實測的性能指標許用值有：硬化指數(shù)n值，塑性應變比r值，屈強比σs/σb和延伸率δ等。汽車覆蓋件用鋼板的成形性能評價指標，如圖1所示。

圖1 汽車鋼板成形性能評價指標Fig.1 Formability Evaluation Index of Automobile Steel Sheet

2.1 評價指標無量綱化

評價指標量綱不統(tǒng)一，無法直接進行對比，因此，需要首先進行無量綱化處理[8]。

2.1.1 定性指標處理

主要涉及一些無法進行量化的指標，如組織、織構等，可以根據(jù)測試標準進行等級劃分，分別予以賦值，如表1所示。

表1 等級與分值對應結果Tab.1 Corresponding Results of Grade and Score

2.1.2 定量指標處理

已經(jīng)量化的指標，由于相互之間的計算方法和測試標準的不同，差異較大，對此需要進行無量綱化處理[9]，方法如下：

假設指標為xj（j=1，2，……，m），數(shù)量較大，與其對應的量化值可寫作{xij|i=1，2，Λ，n；j=1，2，Λm}。

標準化的處理為：

上述定性分等和無量綱化的處理方式都很好地消除了指標的具體數(shù)值對于評價結果的影響，將所有指標數(shù)值鎖定在（0～1）的范圍內(nèi)，使指標間具有了可比性。

2.2 模糊綜合評價模型

2.2.1 建立備擇集

對于不同的汽車覆蓋件，其所選材料的種類也不同，所以對于不同材料其備擇集的意義也不盡相同。這里針對駕駛室覆蓋件選材的規(guī)律性，將對牌號為St12～St15 的材料進行評價，為簡化模糊綜合評價工作，在評價時，把模糊的備擇集V劃分為五個評價等級，即V={v1，v2，v3，v4，v5}={[0.95，1]、[0.8，0.95]、[0.6，0.8]、[0.4，0.6]、[0，0.4]}。其對應的備擇集的意義，如表2所示。

表2 不同牌號材料對應備擇集意義Tab.2 Significance of Alternative Sets for Different Brands of Materials

2.2.2 綜合評價函數(shù)建立

根據(jù)不同的實際問題，綜合評價對應不用的模型，這里選用加權平均型，其適用于兼顧考慮整體因素的綜合評價[10]，模型寫作：

所建立的模型精確度比較高，對指標進行加權平均，則可得綜合評價函數(shù)的總值：

利用式（10）即可對零件的成形結果可靠性進行評價分析。

3 車門用材成形性評價

所研究的車門選取的材料為St12，基本材料性能結果，如表3所示。

表3 試驗鋼的力學性能Tab.3 Mechanical Properties of Test Steel

3.1 指標無量綱處理

非金屬夾雜物有降低鋼板韌性的作用，其嚴重性視夾雜物的大小和數(shù)量而定，而不是看其化物成分如何，因為所有夾雜物都是硬而脆的物質，韌性差，不能傳力，受力時首先產(chǎn)生裂紋。非金屬夾雜物實驗結果，如圖2所示。

圖2 夾雜物圖像及等級Fig.2 Inclusion Image and Grade

由圖可知，非金屬夾雜物等級同屬于D1級，在A（硫化物）、C（硅酸鹽）、D（球類氧化物）類夾雜物等級相同為0.5，Ds（單顆粒球狀）類夾雜物等級為1。

厚度分別為1mm、2mm 兩種鋼板沿α和γ取向線密度分布對比，如圖3所示。

圖3 鋼板織構沿α及γ取向線密度分布Fig.3 Texture of Steel Plate α and γ Orientation Linear Density Distribution

由圖可知，1mm材料有很強的γ織構，但γ線中{111}<011>織構明顯強于{111}<211>織構，且α線中{110}<110>織構相對較強。2mm 材料有較明顯的γ織構，{112}<110>織構相對較強，γ線中{111}<011>織構強度高于{111}<211>織構。總之，各規(guī)格冷軋薄板的有利織構{111}<110>均為最強。

3.1.1 定性指標處理

（1）非金屬夾雜物

根據(jù)標準進行測試，測試結果無量化處理，而后獲得凈度級別，可寫作：

式中：fi—權重因數(shù)；n—i級別的視場數(shù)；S—試樣的總檢驗面積，mm2。

試驗得出材料的純凈度級別進行無量綱化處理，利用式（2）采用極值法處理得：

（2）織構

從織構試驗結果圖2（b）可以看出，γ纖維織構特征明顯，取向函數(shù)值均約在8以上，有利織構｛111｝取向函數(shù)值，如表4所示。

表4 γ取向線函數(shù)值Tab.4 γ Orientation Line Function Value

利用式（2）采用極值法處理得：

3.1.2 定量指標處理

采用極值法，結合表3的試驗結果，利用式（2）進行計算，結果，如表5所示。

表5 定量指標計算結果Tab.5 Calculation Results of Quantitative Indexes

最終得到各個指標的計算分值為：

u=（0.8696，0.8000，0.8571，0.8400，0.7800，0.9405，0.6596，0.7468，0.8889，0.8702，0.8235，0.7734）

3.2 模糊綜合評價模型

3.2.1 權重的確定

（1）建立模糊判斷矩陣

對各指標間重要度進行比較，按照式（9）進行評分，從而建立各因素的模糊判斷矩陣為：

（2）建立模糊一致矩陣

根據(jù)式（11）、（12）建立一致矩陣：

（3）權重計算

根據(jù)式（13）進行歸一化，得到權重為：

W=[0.0859，0.0859，0.0912，0.0859，0.0912，0.0912，0.0702，0.0807，0.0754，0.0811，0.0702，0.0912]

3.2.2 綜合評價函數(shù)建立根據(jù)式（16）獲得評價的總值為：

所以，對于汽車門板的沖壓成形，牌號為St12 的材料經(jīng)過本方法計算，根據(jù)表2中的判定依據(jù)，沖壓結果評判為“安全”。

4 門板開裂材料性能優(yōu)化

根據(jù)評價模型，針對車門內(nèi)板，分析成形安全裕度與其影響因素的關系曲面云圖，對材料性能做了相應地調(diào)整。原材料判斷結果為危險，實際沖壓中出現(xiàn)了開裂問題。此類零件的應變對r值更為敏感，適當調(diào)高材料的r值，重新進行判定結果為安全。材料性能優(yōu)化后，對零件進行有限元仿真分析，獲得零件的減薄云圖，如圖4所示。

圖4 門內(nèi)板仿真減薄云圖Fig.4 The Simulated Thinning Cloud Map of the Door Inner Panel

由圖可知，門內(nèi)板整體成形性能良好，未出現(xiàn)開裂等問題，最大減薄率控制在了23%以下，滿足主機廠要求。進行沖壓生產(chǎn)，前后對比，如圖5（a）所示。利用Argus網(wǎng)格應變測量分析系統(tǒng)，對危險區(qū)域的成形極限圖進行測試結果，如圖5（b）所示。

圖5 門內(nèi)板零件沖壓分析Fig.5 Stamping Analysis of Door Inner Plate Parts

由沖壓結果可知，原來的開裂問題得到了有效解決；對原沖壓開裂位置的安全裕度進行測試可知，危險區(qū)域的安全裕度也遠在10%以上，滿足在當前工藝下的生產(chǎn)要求。同時，表明材料評價模型的可靠性，為此類問題解決提供參考。

5 結論

（1）對成形性評價指標體系進行分析，采用極值法進行無量綱化處理，所有指標數(shù)值鎖定在（0～1）的范圍內(nèi)，使指標間具有可比性；（2）對于所研究的車門內(nèi)板沖壓成形，選用St12的材料，經(jīng)過綜合評價分析，沖壓結果評判為“安全”；（3）經(jīng)過優(yōu)化，門內(nèi)板整體成形性能良好，原來的開裂問題得到了有效解決，最大減薄率控制在了23%以下，滿足主機廠要求；危險區(qū)域的安全裕度也遠在10%以上，滿足在當前工藝下的生產(chǎn)要求；（4）分析結果表明材料評價模型的可靠性，為此類問題解決提供參考；使用模糊層次分析法來求取各指標值的權重，并且使用模糊綜合評價獲得材料的成形性能決策參數(shù)，可以作為汽車用鋼新產(chǎn)品開發(fā)和性能評價的依據(jù)。