數字化網格分析技術在汽車覆蓋件沖壓中的應用

文/彭周，陳寅，張占國，魏星·寶武集團中央研究院汽車用鋼所

針對某一汽車覆蓋件，通過對其進行數字化網格分析，根據相關圖形化軟件模擬出零件的應變分布和厚度減薄率，分析出零件沖壓后出現局部成形性不足的原因，并提出改進措施，還能在此基礎上有效完成覆蓋件沖壓成形分析并指導模具工藝優化。

汽車覆蓋件是汽車車身制造的重要組成部分，具有嚴格的尺寸精度和表面質量要求。其沖壓成形成功與否，很大程度上取決于對特定加載條件下薄板材料變形行為。在板料加工過程中，因應變分布的差異會造成板料表面破裂、起皺等缺陷。因此精確計算出成形不同區域的應變值對于研究各種板料沖壓缺陷有實際的應用價值。

針對覆蓋件在沖壓生產中出現的局部成形性不足，采用網格圖像分析法對缺陷區域的網格進行分析和計算，量化該區域的材料變形行為；并結合具體的材料性能和沖壓工藝，對沖壓缺陷產生的原因進行分析與討論。

網格分析法

網格技術是金屬薄板成形分析的主要工具，通過在金屬板料表面印制坐標網格，分析變形前后網格尺寸的變化，從而得到板料的應變大小與分布范圍。數字化網格分析技術是在傳統網格技術的基礎上，基于計算機視覺系統的強大圖像處理能力來進行自動應變測量。在眾多相關產品中，德國VIALUX 公司的AutoGrid? Strain Analysis System 是一套基于四鏡頭數碼相機的便攜式網格應變測量系統，在現場應用中有獨到優勢。

在汽車覆蓋件沖壓前，將板料表面印制上方形網格。經過沖壓成形后，獲得有方形網格的完整零件，如圖1 所示。利用四鏡頭的數碼相機拍攝照片，然后系統自動對拍攝得到的四張圖像進行分析計算，獲得空間相機的坐標位置，建立每張照片之間的空間關聯，從而獲得每個零件表面方形網格節點的空間坐標值，相臨的3 個節點可以計算該位置的局部應變，如圖2所示，由此可以得到整個零件范圍內的應變分布。利用所采集到的數據能完成成形過程優化、數字仿真板料成形等系列分析。

圖1 零件表面方形網格

圖2 選取相臨的3 個節點

圖3 背門上部零件成形性不足區域

覆蓋件沖壓缺陷問題分析

圖3 為國產某車型背門上部零件，沖壓成形后零件表面產生了局部明顯的成形性不足缺陷。該零件選用牌號DC04、厚度規格為0.7mm 的冷軋板，材料屈服強度為154MPa，抗拉強度為300MPa，材料延伸率為41%，硬化指數為0.218。由圖3 可以看出，該覆蓋件為中心線對稱的零件，但是網格分析后發現A、B 區域的成形不足面積明顯要小于C、D 區域，而此零件沖壓的模具為單動模具，模具壓邊力應該均勻分布，這說明該零件模具在AB、CD 兩端的模具間隙有差異。在后繼試生產中，需將模具兩端的模具間隙調整一致。

采用AutoGrid? Strain Analysis System 數字化網格分析系統，對A、B、C、D 四個成形性不足的區域進行網格應力應變分析。圖4 所示為四個區域的厚度減薄率分布，按照該汽車廠零件生產技術要求，將減薄率分布云圖標示為紅色區域、漸變色區域和紫色區域，零件表面正常區域為紅色區域和漸變色區域，紫色區域則為零件表面成形性不足區域。

圖4 四個區域的厚度減薄率分布

圖5 調整后四個區域的厚度減薄率分布

結合圖3 和圖4 可以看出： A、D 兩個區域都位于零件較邊緣部位，出現集中的成形不足區域。這說明由于零件邊緣的壓邊力不夠，沒有將板料邊緣的板料壓住，所以不能有效控制材料的流動方向。要改善這一情況，沖壓時需加大壓機的壓邊力。B、C 兩個區域主要是在零件中間部位，出現成形不足區域，這說明該區域中間部位的板料流動性不足。

通過圖3 中零件的外形可以看出，B、C 區域均包含有兩個階梯臺面，可以判斷出是由于階梯臺面的邊緣R 角過小，導致階梯臺面的板料被R 角限制了流動性。改善這一情況的建議是，需將階梯臺面R角調大。

討論

模具廠根據網格實驗所給出的建議進行調整后，再次對調整后的沖壓成形零件進行數字化網格應力應變系統分析，如圖5 所示，得到調整后的A、B、C、D 四個成形不足區域厚度減薄率分布。

比較圖5 和圖4 中A、B、C、D 四個成形不足區域厚度減薄率分布，可以發現零件表面成形性不足的區域明顯減少，說明數字化網格分析不僅可直接反映測量區域應變分布和厚度減薄率，而且能有效指導覆蓋件沖壓成形工藝的改進。

結束語

本文通過對汽車覆蓋件進行數字化網格分析可直接反映測量區域的應變分布情況和板料的厚度減薄率分布。而數字化網格分析的結果可以有效完成覆蓋件沖壓成形分析并指導模具工藝優化。因此，通過對汽車覆蓋件進行數字化網格分析對于研究各種板料沖壓缺陷有實際的應用價值。