韓文峰，揭招財(cái)，HANDISO Selamu Yisihak，袁斌先

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院汽車模具智能制造技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，天津 300222）

隨著汽車沖壓模具設(shè)計(jì)、制造工藝日趨復(fù)雜，在模具開發(fā)前對成形過程進(jìn)行精確的模擬、分析和論證是非常有必要的[1-2]。利用試沖件驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果，對生產(chǎn)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，可提高零件的成形裕度，有效保證大規(guī)模生產(chǎn)條件下的零件質(zhì)量[3]。胡義華等[4]以汽車后橋殼為研究對象，進(jìn)行了拉延工藝的有限元模擬，以壓邊力與沖壓速度為影響因素，設(shè)計(jì)了正交實(shí)驗(yàn)，獲得了最優(yōu)拉延工藝成形參數(shù)。談順強(qiáng)等[5]以汽車發(fā)動(dòng)機(jī)罩為研究對象，建立了響應(yīng)面模型分析成形參數(shù)，通過遺傳算法求取了拉延筋最優(yōu)成形參數(shù)，控制了零件的減薄與回彈。湯云翔[6]將汽車門外板的沖壓工藝參數(shù)與成形指標(biāo)關(guān)聯(lián)分析，實(shí)現(xiàn)了工藝參數(shù)的多目標(biāo)優(yōu)化。Wang 等[7]用DYNAFORM 軟件對汽車前地板零件的沖壓成形過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，獲得了成形極限圖（Forming Limit Diagram，F(xiàn)LD）、減薄率及材料流動(dòng)情況，通過調(diào)整壓邊力和拉延筋等參數(shù)，得到了最佳成形參數(shù)方案。全場網(wǎng)格應(yīng)變測量技術(shù)可通過零件上印制的網(wǎng)格點(diǎn)在拉延前后的變化表征材料的應(yīng)變行為。Xue 等[8]基于網(wǎng)格應(yīng)變測量技術(shù)獲取了脹形件的應(yīng)變、厚度分布及成形極限圖，通過交替脹形工藝獲得了等壁厚的球形零件。陽學(xué)等[9]基于網(wǎng)格應(yīng)變測量技術(shù)對汽車側(cè)圍外板成形過程中出現(xiàn)的縮頸開裂問題進(jìn)行了分析，并利用測量結(jié)果指導(dǎo)了修模及拉延筋與壓邊力的設(shè)置。利用數(shù)值模擬結(jié)合全場網(wǎng)格應(yīng)變測量技術(shù)，可有效提高拉延件成形裕度，優(yōu)化成形參數(shù)[10-12]。

本文以某汽車后地板為例，首先利用有限元分析軟件Autoform 對零件拉延工藝進(jìn)行模擬分析，獲得后地板拉延件的全場減薄云圖、成形極限圖以及潛在風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域位置。其次，通過全場網(wǎng)格應(yīng)變測量技術(shù)獲得試沖件的全場應(yīng)變、壁厚分布和成形裕度，驗(yàn)證模擬分析結(jié)果并準(zhǔn)確定位需要修模的位置，通過對模具局部圓角拋光來提升風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的成形裕度。最后，針對成形過程中零件局部位置成形裕度仍然偏低的問題，通過調(diào)整壓邊力及拉延筋參數(shù)，提出解決方案，優(yōu)化拉延工藝參數(shù)。

1 汽車后地板零件

1.1 零件特點(diǎn)

后地板作為汽車受力系統(tǒng)的重要組成部分之一，具有構(gòu)型復(fù)雜、尺寸精度和表面質(zhì)量要求高等特點(diǎn)。某汽車后地板拉延件三維模型如圖1 所示，該零件成形工序包括落料、拉延、修邊、沖孔、整形等。其中，拉延為最重要的工序，可將其視為復(fù)雜化的筒形拉深，具體可分為4 個(gè)區(qū)域：區(qū)域Ⅰ為平臺(tái)凸緣區(qū)，以少量的變形為主；區(qū)域Ⅱ?yàn)橥脖趨^(qū)，在拉延過程中因受凸模拉力影響而表現(xiàn)為徑向受拉，存在少量的縱向伸長和壁厚減薄現(xiàn)象；區(qū)域Ⅲ為筒底區(qū)，在拉延過程中徑向受拉、切向受拉，存在一定壁厚減薄現(xiàn)象；區(qū)域Ⅳ為區(qū)域Ⅱ與區(qū)域Ⅲ的過渡圓角區(qū)域，不但承受凸模對板料厚度方向的壓應(yīng)力，且板料在徑、切雙向均受到拉應(yīng)力作用。所以從理論分析可知，區(qū)域Ⅳ內(nèi)局部筋狀特征區(qū)域具有拉深與脹形復(fù)合成形的特點(diǎn)，為拉延過程中零件減薄程度最大、全場最危險(xiǎn)的區(qū)域。

圖1 后地板拉延件Fig.1 Rear floor drawing part

1.2 材料特性

材料為冷軋深沖鋼DC05，其化學(xué)成分如表1 所示，料厚為0.7 mm。通過拉伸試驗(yàn)獲得板料0°、45°、90° 3 個(gè)方向上的工程應(yīng)力-工程應(yīng)變曲線如圖2 所示，所得材料力學(xué)性能如表2 所示。

表1 DC05 化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of DC05 wt.%

表2 DC05 材料力學(xué)性能Tab.2 Mechanical properties of DC05

圖2 DC05 工程應(yīng)力-工程應(yīng)變曲線Fig.2 Engineering stress-engineering strain curves of DC05

成形極限曲線（Forming Limit Curve，F(xiàn)LC）是判斷材料失效與否的主要手段[13]。可通過Keeler[14]總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)公式構(gòu)建FLC，如式（1）～（2）所示。通過向下偏置FLC 獲得了由成形臨界區(qū)、破裂風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、安全區(qū)構(gòu)成的成形極限圖（FLD）。將模擬或測量獲得的主次應(yīng)變點(diǎn)導(dǎo)入FLD 中獲得零件的成形裕度，以表征材料經(jīng)拉延后距離破裂風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的剩余程度，判斷板料是否符合安全要求。

式中：ε1為主應(yīng)變；ε2為次應(yīng)變；t為板料初始厚度；n為應(yīng)變硬化指數(shù)；εflc0為平面應(yīng)變狀態(tài)極限應(yīng)變；fmin(t,3.0)表示當(dāng)板厚初始小于3 mm 時(shí)視為3 mm 進(jìn)行計(jì)算。

為保證不同批次材料的可用性，n值取0.21。經(jīng)計(jì)算可知，DC05 的εflc0=32.94%，成形極限圖（FLD）如圖3 所示。

圖3 DC05 成形極限圖Fig.3 Forming limit diagram (FLD) of DC05

2 數(shù)值模擬

2.1 模擬工藝參數(shù)設(shè)置

利用Autoform R8 進(jìn)行有限元分析，坯料規(guī)格如圖4 所示。通過調(diào)整沖壓角度排除沖壓負(fù)角度，以保證凸模、板料、凹模完全接觸。在拉延過程中，拉延筋可以通過對板料的約束作用提高板料流動(dòng)阻力，繼而提高材料的變形能力，增大徑向拉應(yīng)力，減小切向壓應(yīng)力，調(diào)整板料在拉延過程中的流動(dòng)，從而有效控制起皺，減少回彈，降低零件在拉延過程中的缺陷[15]。當(dāng)拉延筋高度過大時(shí)，提供的阻力過小，會(huì)導(dǎo)致零件出現(xiàn)起皺、隆起、剛度不足、表面暗坑等缺陷；當(dāng)拉延筋高度或?qū)挾冗^大時(shí)，則會(huì)因?yàn)樽枇^大而導(dǎo)致板料流動(dòng)性能不夠，零件出現(xiàn)開裂、縮頸、減薄率過大、成形裕度不足等缺陷。在后地板兩側(cè)對稱設(shè)立同規(guī)格拉延筋，如圖5 所示。

圖4 坯料規(guī)格Fig.4 Blank specification

圖5 拉延筋設(shè)置Fig.5 Draw bead layout

在拉延成形中，壓邊圈壓緊板料，為拉延過程中的板料提供合適的材料流入量和拉應(yīng)力，保證零件的塑性變形。壓邊力為主要調(diào)節(jié)參數(shù)，當(dāng)壓邊力過大時(shí)，會(huì)減少板料流入量，導(dǎo)致減薄率過高或成形裕度過低；當(dāng)壓邊力過小時(shí)，提供的阻力不足以支撐零件成形或出現(xiàn)成形不完全等現(xiàn)象，合適的壓邊力是零件精準(zhǔn)成形的基礎(chǔ)。設(shè)置初始壓邊力為807 kN，摩擦因數(shù)為0.135，壓邊圈行程為205 mm，成形力為3 572 kN，得到的板料流入情況如圖6 所示。最大板料流入量為179.55 mm，位于區(qū)域Ⅲ邊緣處，最小板料流入量為4.14 mm，位于區(qū)域Ⅰ的上部。

圖6 模擬板料流入量示意圖Fig.6 Schematic diagram of simulated plate inflow

2.2 模擬結(jié)果

模擬得到的壁厚減薄情況如圖7 所示。DC05 允許的最大減薄率為25%，超過25%則被認(rèn)為在實(shí)際沖壓過程中零件存在較高的破裂風(fēng)險(xiǎn)。圖7 中零件模擬的最大減薄率為24.10%，符合生產(chǎn)要求。

在工程分析中，可通過偏置FLC 曲線定位風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，為試沖件提供重點(diǎn)測量位置。將FLC 向下偏置12%，如圖8a 所示，可以看到，少量點(diǎn)超出偏置FLC 曲線，存在一定破裂風(fēng)險(xiǎn)。預(yù)警點(diǎn)1 在零件上的分布情況見圖8b，該點(diǎn)位于區(qū)域Ⅳ的局部筋狀拉深與脹形復(fù)合成形部位，模擬結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的正確性。此外，模擬結(jié)果還顯示，區(qū)域Ⅰ平臺(tái)凸緣區(qū)域預(yù)警點(diǎn)2 存在一定風(fēng)險(xiǎn)。

3 全場網(wǎng)格應(yīng)變測量技術(shù)及測量結(jié)果

3.1 全場網(wǎng)格應(yīng)變測量技術(shù)

為驗(yàn)證Autoform 模擬分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，引入全場網(wǎng)格應(yīng)變測量技術(shù)對試沖件進(jìn)行全場測量，采用德國GOM 公司的ARGUS 網(wǎng)格應(yīng)變測量系統(tǒng)進(jìn)行檢測。試沖前按照ARGUS 系統(tǒng)要求利用電化學(xué)腐蝕[16]對初始板料印制由圓點(diǎn)陣列組成的矩陣[17]。根據(jù)模擬提供的工藝參數(shù)完成試沖，獲得試沖件P1如圖9 所示。對試沖件進(jìn)行分區(qū)塊的不同高度多角度攝像，綜合標(biāo)尺、定位片及圓點(diǎn)的空間位移量進(jìn)行網(wǎng)格應(yīng)變分析計(jì)算，本文通過拼接區(qū)塊結(jié)果獲得了零件的全場主次應(yīng)變云圖、全場壁厚減薄云圖與成形裕度云圖。

圖9 試沖件P1Fig.9 Test part P1

3.2 測量結(jié)果及其修正

試沖件P1全場FLD 如圖10 所示，偏置10%FLC曲線以上的點(diǎn)代表試沖件中成形裕度小于10%的位置，表明該區(qū)域不符合大規(guī)模生產(chǎn)的安全要求，須設(shè)法提高成形裕度。

試沖件P1全場主、次應(yīng)變分布如圖11 所示，結(jié)合圖10 可以看出，風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)位置分布與Autoform 分析結(jié)果趨勢一致，驗(yàn)證了模擬計(jì)算的準(zhǔn)確性。

圖11 實(shí)測全場應(yīng)變云圖Fig.11 Measured full-field strain cloud image: a) major strain cloud image, b) minor strain cloud image

在進(jìn)行FLC 分析時(shí)，通過拉延筋進(jìn)入零件的部分板料，其應(yīng)變點(diǎn)遠(yuǎn)超成形極限曲線，但在實(shí)際生產(chǎn)中仍可進(jìn)行大規(guī)模量產(chǎn)且不產(chǎn)生開裂等缺陷，可通過量化拉延筋的板料彎曲和拉直影響（Δεflc0）[14]完成該區(qū)域數(shù)據(jù)修正。如式（3）所示，當(dāng)板料通過拉延筋彎曲變形時(shí)，凈應(yīng)變每增大1%，則Δεflc0增大0.6%。

式中：ΔεBCF（Bead Correction Factor）為拉延筋修正系數(shù)；Δt為當(dāng)板料通過拉延筋時(shí)，真實(shí)厚向應(yīng)變的增量，其值為對板料流進(jìn)拉延筋前后比值取自然對數(shù)，即ln(tbeadexit/tbeadenter)，其中tbeadexit表示板料通過拉延筋后的厚度，tbeadenter表示板料流入拉延筋之前的厚度。

針對圖10 中經(jīng)拉延筋流入零件的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，進(jìn)行ΔεBCF補(bǔ)償計(jì)算，結(jié)果如表3 所示。點(diǎn)1、2、3、10、11 均經(jīng)過拉延筋流入零件，經(jīng)計(jì)算可知，它們對應(yīng)的新成形裕度分別為?20.62%、?20.09%、?22.85%、?20.05%、?19.51%，均滿足成形裕度要求。風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)8位于區(qū)域Ⅳ，實(shí)測FLC 值為?9.29%，位于臨界區(qū)，存在潛在破裂風(fēng)險(xiǎn)，不符合成形裕度要求。實(shí)測風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)8 的減薄率達(dá)23.50%，相較于模擬結(jié)果存在2.50%的差值，實(shí)測減薄率在安全范圍內(nèi)。

表3 實(shí)測風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)數(shù)據(jù)Tab.3 Measured risk point data

3.3 局部修模

將理論分析與模擬測量的主次應(yīng)變及FLD 結(jié)果相結(jié)合，最終確定風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域?yàn)閰^(qū)域Ⅳ，特別是局部筋狀拉深和脹形復(fù)合成形部位。通過對風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的模具對應(yīng)位置進(jìn)行再次拋光，特別是打磨局部筋狀位置的圓角，從而降低進(jìn)料阻力，以提高該位置的板料流入量，進(jìn)一步提升該位置的成形裕度。再次試沖得到試沖件P2如圖12 所示，并對風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)8 所在區(qū)域進(jìn)行局部測量，得到的FLC 云圖如圖13 所示，可以看出，風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)8 的成形裕度提高至?10.65%，符合成形裕度要求。為保證大批量生產(chǎn)安全，需進(jìn)一步提高成形裕度。

圖12 試沖件P2 風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域Fig.12 Risk area of test part P2

圖13 試沖件P2 局部FLC 云圖Fig.13 Local FLC cloud image of test part P2

4 工藝參數(shù)優(yōu)化方案

由于后地板拉深深度大，拉延過程中材料流入量較大，因此，當(dāng)材料流入量不足時(shí)，會(huì)引起成形區(qū)域減薄率過大或成形裕度過低的現(xiàn)象，材料流入量主要受拉延筋、壓邊力及摩擦因數(shù)的影響。通過合理調(diào)整壓邊力與拉延筋以及適當(dāng)潤滑均可提高零件的成形裕度[18]?；诎辶狭魅肓渴疽鈭D與風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)位置，確定需調(diào)節(jié)的拉延筋位置B[19]。分析拉延筋阻力對零件成形裕度的影響[20]?？赏ㄟ^減小壓邊力或降低拉延筋等效阻力等方法來提高成形裕度，當(dāng)壓邊力無法降低時(shí)，可采用降低拉延筋深度及圓角半徑的方法。在壓邊力為782 kN、B 處拉延筋深度為4.5 mm、圓角半徑為4.5 mm 的條件下進(jìn)行第3 次試沖，得到試沖件P3，實(shí)物如圖14 所示。圖15 為第3 次試沖件的成形極限圖，圖16 為試沖件P3的全場FLC 圖?？梢钥闯?，經(jīng)過BCF 補(bǔ)償后，成形裕度最大值為?14.33%，符合安全要求。

圖14 試沖件P3Fig.14 Test part P3

圖15 試沖件P3 測量成形極限圖Fig.15 Forming limit diagram of test part P3

圖16 試沖件P3 全場FLC 云圖Fig.16 Full-field FLC cloud image of test part P3

圖17 為實(shí)測試沖件P3的減薄云圖，其中點(diǎn)8 為原試沖件P2中的最大風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，其減薄率僅為17.94%，相較于優(yōu)化前提高了5.56%。

圖17 試沖件P3 全場減薄云圖Fig.17 Full-field thinning cloud image of test part P3

5 結(jié)論

1）針對后地板拉延件的成形特點(diǎn)，采用理論分析、數(shù)值模擬結(jié)合全場網(wǎng)格應(yīng)變測量技術(shù)對后地板拉延件成形過程進(jìn)行了研究，準(zhǔn)確定位了風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，經(jīng)局部拋光后，整體成形裕度由?9.29%優(yōu)化至?10.65%，滿足工藝要求，驗(yàn)證了有限元軟件與全場網(wǎng)格應(yīng)變測量技術(shù)協(xié)作的有效性。

2）在保證成形裕度的前提下，通過將壓邊力調(diào)整為782 kN、B 處拉延筋深度調(diào)整為4.5 mm、圓角半徑為調(diào)整4.5 mm，得到最大成形裕度為?14.33%、最大減薄率為17.94%的試沖件，符合大批量生產(chǎn)的要求。