基于Argus網格應變分析的汽車覆蓋件成形質量研究

陽 學，韋榮發，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雜的空間曲面構成，復雜的造型使板料在成形過程中易因各區域受力不均勻、進料速度不一致等原因，產生起皺、開裂、癟塘、滑移線等質量缺陷[1～2]。隨著汽車工業及沖壓技術的不斷發展，汽車覆蓋件造型愈發激進，對沖壓工藝及鈑金成形技術提出了更高的要求。在模具開發前期，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分析中設置的參數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，對沖壓件應變進行精確檢測，定量評價制件應力應變分布及潛在失效區域與模式，對優化沖壓工藝以及指導現場模具調試具有重要意義。網格試驗可以快速準確的判定鈑金制件成形過程中板材的應變數值，并據此客觀評價成形質量。通常，網格測量系統有軟尺手工測量系統、AutoGrid?網格應變測量系統及Argus網格應變測量系統等[3]。

國內外專家學者利用網格試驗對汽車鈑金的制件成形質量進行了大量的理論研究與試驗論證。李雙義等將坐標網絡應變技術應用于夏利變形車翼子板材質的國產化研究[4]，通過對危險部位貼網格膜進行應變分布的定量測量和計算，確定生產穩定性和安全裕度，探討了材質國產化的可行性。吳青松等利用網格應變分析技術[5]，對頂蓋制件沖壓后應變分布狀態進行了分析，結果表明頂部R 角成形裕度不足，放大模具R 角1.5mm 后缺陷消除。楊西鵬等利用網格應變技術對汽車門內板潛在開裂位置進行了分析[6]，并將測量數據與成形極限圖FLD進行對比分析，計算出制件的成形安全裕度，基于計算結果制定優化壓延筋位置和結構、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量提供了借鑒，但上述研究較少使用精度較高的Argus 網格應變測量系統。本文采用高精度的Argus測量系統對某車型側圍外板進行網格試驗分析，以提升其成形質量與量產過程的穩定性。

2 Argus網格應變測量系統的組成及其原理

2.1 Argus測量系統的組成

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

圖1 Argus網格應變測量系統的組成

2.2 Argus的技術規格與優勢

Argus網格應變測量系統的技術規格如表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確度，讓制件高風險區的應變全覆蓋測量，能夠讓工程團隊更全面的分析制件缺陷產生機理。

表1 Argus網格應變系統技術規格

Argus 設備精密和輕巧，此外，Argus 還具有以下技術優勢：

（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，同時樣件應變計算也由系統自動完成。

（4）根據拓撲關系，由軟件分布應變面片，進而計算應變結果，避免了直接刻蝕網格，在沖壓過程中網格變形和丟失，造成數據丟失和精度降低的現象。

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

（6）強大的軟件功能，可讀取FEA 有限元計算結果，并與實測結果進行比較。

（7）對樣件的大小和復雜程度沒有限制。

（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最新的標準。

（9）適合任意環境，具備穩定的工作性能，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）便攜式設計，可在車間現場工作。

2.3 Argus網格測量流程及其原理

檢測流程如圖2所示，在板料成形前，利用電化學蝕刻的方法在金屬板材表面刻印規格的網格圓。板材成形過程中，這些網格圓會隨著板材的變形在徑向與切向出現拉伸或壓縮，且這些網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，獲得這些網格圓中心的空間三維坐標。Argus 軟件根據相臨4 個圓點的坐標進行拓撲運算，分布網格面片，根據這些網格面片的變形計算出每個局部范圍內的面內應變值（主應變和次應變及厚度縮減），從而獲得整個制件的應變分布（色溫圖），再根據材料成形極限性能（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量[7]。

圖2 Argus網格應變測量流程

3 典型沖壓件成形缺陷分析

某市場暢銷車型側圍外板結構如圖3a所示，復雜的產品造型決定了沖壓工藝及成形過程中板材應力應變的復雜性，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中A、B、C 和D區頻繁出現局部縮頸、開裂等缺陷，如圖4所示。

圖3 某車型側圍外板結構與減薄率分布

圖4 某車型側圍外板制件缺陷分布

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

3.1 網格應變分析結果

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

圖5 高風險區域材料減薄分布圖

由圖5 可知，各高風險區域減薄率超過20%甚至達到30%（CAE 分析的減薄率標準：≤25%），當制件受到的拉應力較大并產生超過板料塑形應變極限的應變時，便出現縮頸或開裂缺陷，與調試或量產過程中出現的失效模式相吻合。此外，減薄率大于標準的高風險點多處于深翻邊區，其中A 區和C 區的高風險點較密集。各區域最大主應變及減薄率如表2 所示。

表2 各高風險區域最大減薄率

3.2 成形極限圖FLD

成形極限圖是由板料在不同應變路徑下的局部失穩極限工程應變e1和e2或極限真實應變ε1和ε2構成的條帶形區域或曲線。它反映了板料在單向和雙向拉應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量提供依據[9]。由Argus 網格應變測量系統自動生成的FLD 圖如圖6所示。

圖6 高風險區域成形極限圖

觀察圖6可知，高風險區有較多測點處于臨界區，存在開裂的潛在風險，沖壓成形時容易出現縮頸或開裂缺陷，必須控制工藝因素及生產條件如模具圓角、板料毛坯尺寸、潤滑狀態及壓邊力的大小等，對其進行適當的調整優化，改善沖壓成形條件以防止開裂，提升制件成形質量。

3.3 解決措施

在識別各區域主副應變及成形極限的基礎上，摒棄調整平衡塊墊片以補充走料的常規方案，以CAE分析材料流入量為導向，放大高風險區域凹模筋條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果如圖7所示。同時，拋光高風險區域模具型面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，減小縮頸開裂風險。

圖7 某側圍外板材料流入量測點分布與測量結果

4 優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圍外板進行批量生產驗證，跟蹤并記錄整改前后的減薄率與運行數據，如表3所示，沖壓件質量狀態如圖8所示。生產結果表明，整改后制件高風險區域縮頸開裂缺陷改善顯著，A區域最大減薄率由36.67%降低至20.4%。制件的質量符合汽車覆蓋件質量控制要求，FTQ由77.2%提升至100%。

表3 整改前后試驗結果

整改后制件質量狀態如圖8所示。

圖8 整改后制件狀態

5 結束語

為深入研究鈑金成形過程材料的流動趨勢、應力應變分布及缺陷成形機理，并指導沖壓工藝優化及模具校驗與調整。本文以某車型側圍外板為載體，利用Argus 網格應變測量系統對板材成形質量進行分析，通過精確檢測板材的應力和變形量，并根據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量，在此基礎上進行沖壓工藝的優化和沖壓模具的校驗，為解決問題提供參考，同時，結合工程實踐驗證得出如下結論：

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

（2）Argus網格試驗具有較高的精確度與效率，結合檢測結果進行可精確識別制件成形過程應力應變數值與成形極限圖FLD。

（3）將材料流入量作為評價成形質量與穩定性的重要監測指標，并結合網格試驗觀測制件在不同應變路徑下的的成形極限與安全裕度，在此基礎上優化工藝和改進方案及指導模具調試。