基于數字化網格應變法在汽車用鋼沖壓成形中的探索與應用

郝志強 ，劉仁東 ，徐鑫 ，蘇洪英 ，李蕭彤

（1.海洋裝備用金屬材料及其應用國家重點實驗室，遼寧 鞍山 114009；2.鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009）

隨著中國汽車工業的蓬勃發展，新能源汽車勢力的崛起，大眾群體對汽車的外在質量和形狀要求越來越高，因此汽車不僅要具有設計所規定的使用功能，而且在很大程度上要滿足當下的消費環境，要體現出整車的藝術性、個性風格，所以汽車零部件的沖壓成形越來越復雜，對汽車用鋼的沖壓性能要求也越來越高。使沖壓成形之后的汽車零部件獲得良好的尺寸精度、足夠的成形剛度、安全的成形裕度等，是確保汽車用鋼沖壓成形質量的關鍵［1-3］。

汽車用鋼在沖壓成形過程中失效方式主要是應變失效，數字化網格應變法是測定工件表面區域應變分布的一種有效方法［4-5］，可以將測得的應變結果用等值線、云圖等進行可視化描述，通過與材料自身的成形極限圖［6］進行比較，評價材料在實際沖壓過程中的成形裕度值，為模具優化提供技術支持，從而降低沖壓車間生產的廢品率。此外，可以結合金屬塑性成形體積不變原理，獲得測量區域內的材料變形后厚度減薄率的最大值；進而對汽車用鋼沖壓成形過程中所產生的沖壓缺陷進行分析、評價，并提出相應的解決方案。

1 數字化網格應變法

1.1 數字化網格應變法原理

網格應變法主要是采用網格測量技術，沖壓成形前，在汽車用鋼表面印制方形網格；沖壓成形后，對初始印制在鋼板表面的方形網格進行三維測量，通過計算獲得鋼板成形后的主應變、次應變和厚度減薄率等參數。數字化網格應變法是在傳統網格應變法的基礎上，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。

在眾多相關數字化網格應變法設備中，德國VIALUX公司的AutoGrid應變測量系統是一套基于四鏡頭投影儀的便攜式網格應變測量系統，靈活應用于實際沖壓現場。AutoGrid應變測量系統由四鏡頭投影儀組成，采用從四個不同方向來同時確認測量點的方法（見圖1），能夠更精確、穩定的測量板料沖壓變形后的3D幾何尺寸，與板料沖壓變形前的方形網格進行對比，從而能更精確的計算出汽車用鋼沖壓變形所產生的主應變及次應變。同時，四鏡頭可以確保測量角度急劇變化的區域，至少能從兩個不同的方向進行測量，從而保證測量范圍［7-8］。

圖1 從四個不同方向來同時確認測量點Fig.1 Simultaneous Confirmation of Measurement Points from Four Different Directions

1.2 數字化網格應變法優缺點

傳統的成形應變分析方法采用的是手工測量法，如圖2所示。通過電化學腐蝕的方法在汽車用鋼表面印制直徑5 mm的圓形格子，汽車用鋼沖壓成形以后在沖壓區域進行測量，沖壓區域選取原則為實際沖壓中用戶反映出現缺陷的區域、拉延深度較大的區域；測量方法為在沖壓成形后的圓形格子進行劃線，比照應變測量尺進行測量網格區域內的主、次應變值，進而獲得網格范圍內的應變分布。這種手工測量存在效率低、分析精度低，受人為主觀因素影響較大，以及分析的應變區域小等缺點。

圖2 傳統的手工測量應變法示意圖Fig.2 Diagram for Traditional Manual Measurement Strain Method

數字化網格應變法相比傳統的手工測量法具有以下優點：第一，印制網格區域內的主應變、次應變、主應力、次應力等都可以獲得，避免漏選關鍵區域所需的不同參數值，便于后續計算；并且所得測量結果以云圖效果呈現，可以方便地與Autoform的仿真結果進行對比。第二，測量時間短，可以進行大面積的印制網格，以及大面積的應變分析，覆蓋面較廣；并且所有處理過程自動完成，減少了人為誤差，結果更為精確。第三，印制的網格尺寸范圍從0.1～5 mm，網格尺寸越小，測量精度越高。并且采用四個攝像頭，視野寬廣，即使汽車用鋼沖壓成形以后表面的部分區域彎曲大于90°也能測量。

數字化網格應變法缺點主要在汽車用鋼沖壓成形過程中，由于板料與模具的接觸，造成部分區域網格尺寸被刮花，導致軟件分析時該刮花區域無法識別，出現無法分析的結果。

1.3 數字化網格應變法步驟

（1）獲取待沖壓成形的汽車用鋼信息，在實驗室進行該汽車用鋼的成形極限實驗，獲得該汽車用鋼的FLC曲線；

（2）到沖壓現場，結合汽車零部件重點關注區域以及易產生沖壓缺陷的區域，利用電化學腐蝕的方法，在待沖壓成形的汽車用鋼的表面印制方形網格，網格尺寸為0.1～5 mm。電化學腐蝕完成后要使用清洗液清洗網格表面，去除殘留的電解液藥水。如果網格印制完成后不馬上進行沖壓成形，要在網格表面涂防銹油；

（3）將已經印制好方形網格的汽車用鋼部分酌情涂抹沖壓潤滑油后進行沖壓成形。對沖壓成形之后的汽車零部件進行應變測量，利用AutoGrid應變測量系統的鏡頭采集沖壓成形之后的方形網格形狀，并將圖像信息實時傳輸到計算機中，與沖壓成形之前的方形網格信息進行對比，進而獲得方形網格區域內的應變分布以及厚度變化等信息。

（4）將成形之后的應變信息與汽車用鋼的FLC曲線進行對比分析，分析此汽車用鋼在沖壓汽車零部件時主應變、次應變和厚度應變分布情況，可對沖壓成形工藝或者沖壓用材料進行調整和優化。

2 汽車用鋼沖壓成形分析

以厚度為0.65 mm的汽車用鋼H220YD為例，沖壓某車型前門外板汽車零部件，此前門外板汽車零部件采用一模兩件，左/右前門外板同時進行沖壓。

2.1 H220YD-0.65 mm材料成形極限圖的獲取

將220BD-0.65 mm材料制作三組長度均為180 mm，寬度依次為 30、60、80、100、120、140、160、180 mm的24個試樣，按照GB/T 4156-2007《金屬材料薄板和薄帶埃里克森杯突試驗》進行埃里克森試驗，采用破裂線回歸的方法確定每個試樣的成形極限點，將成形極限點采用數學擬合的方法連線成FLC曲線，即得到H220YD-0.65 mm材料的FLC曲線，如圖3所示。

圖3 H220YD-0.65mm材料的FLC曲線Fig.3 FLC Curves of H220YD-0.65 mm Material

2.2 印制網格和沖壓成形

將汽車用鋼H220YD-0.65 mm的重點關注區域表面采用電化學腐蝕方式印制2.5 mm×2.5 mm的方形網格，并將重點關注區域定義為A、B、C、D、E、F、G、H。

印制好網格的板料進行沖壓成形，送沖壓生產線上進行沖壓成形，為了最大程度的保留失效區域的變形情況，只進行第一道拉延工序，沖壓成形后取下沖壓件，如圖4所示。

圖4 第一道拉延工序后的沖壓件Fig.4 Stamping Parts after First Drawing Process

2.3 數字化網格應變法分析結果

對沖壓成形之后的汽車零部件進行應變測量，利用AutoGrid應變測量系統的鏡頭采集沖壓成形之后的 A、B、C、D、E、F、G、H 八個區域的方形網格形狀，與沖壓成形之前的方形網格信息進行對比，獲得八個網格區域的成形極限值云圖及最大厚度減薄率云圖分別如圖5、圖6所示。

在板料成形中，當主應變和次應變超過由這兩個應變聯合構成的應變極限范圍時，板料將會產生變薄、斷裂。板料面內主應變和次應變的交點落在材料的FLC曲線以下是允許的，主應變和次應變的交點在材料的FLC曲線以上則會產生成形加工破壞。而沖壓過程中成形極限值的最小值定義為板料應變值的最大值與材料FLC曲線上同一變形路徑的破裂點之間的差值，這個差值按照主機廠的實際沖壓要求需要大于8%，即要求板料在沖壓成形過程中不出現明顯的局部變薄或頸縮，而不是最終的斷裂。這是因為有局部頸縮的板金零件，已經不能滿足沖壓成形質量的要求［9-10］。從圖 5 中可以看出， 區域 A、B、C、D、E、F、G、H 成形極限值的最小值分別為 6.6%、16.1%、15.9%、14.2%、22.8%、20.4%、18.7%、22.1%。 可知，區域A的成形極限值的最小值小于8%，不滿足沖壓成形質量的要求；其他區域成形極限值均大于8%，滿足沖壓成形質量的要求。

圖5 八個網格區域的成形極限值云圖Fig.5 Forming Limit Nephogram for Eight Grid Regions

最大厚度減薄率的值對于薄板材成形加工領域的斷裂失效分析是非常重要的，在工程上可作為材料制造過程中設計控制依據、結構失效分析的判據［11-13］；在實際生產上控制最大厚度減薄率的值，使其小于25%，也可以有效避免縮頸、隱裂等沖壓缺陷的產生，降低沖壓報廢率，提高沖壓成品率。從圖 6 中可以看出，區域 A、B、C、D、E、F、G、H最大厚度減薄率的值分別為25.752%、17.936% 、20.152% 、20.456%、14.212% 、14.869%、15.539%、13.652%。可知，區域A的最大厚度減薄率的值大于25%，不滿足沖壓成形質量的要求；其他區域最大厚度減薄率的值均小于25%，滿足沖壓成形質量的要求。

圖6 八個網格區域的最大厚度減薄率云圖Fig.6 Maximum Thickness Thinning Rate Nephogram for Eight Grid Regions

綜上所述，區域A的成形極限值的最小值與最大厚度減薄率的值均不滿足沖壓成形質量要求，定義為沖壓成形風險區域，極易產生沖壓缺陷。

2.4 基于數字化網格應變法分析結果的改進措施

若想使區域A變成沖壓成形安全區域，從成形極限值角度來看，必須使區域A應變值的最大值向下或向左移動，或使得材料的FLC曲線向上移動，以達到成形極限值的最小值大于8%。為此，需要對模具進行調整或對材料進行優化，由于此汽車零部件為一模兩件，且區域A相對應的區域D并無沖壓風險。因此，考慮不更換材料，進行模具調整處理，將區域A模具型面圓角進行打磨，放大圓角，促進板料流動。從最大厚度減薄率角度來看，也需要對區域A進行模具調整處理，采取的措施是減小局部壓邊力，增大局部模具間隙，同時調整相應部位拉延筋，以達到降低區域A沖壓變形的最大厚度減薄率。

實施改進措施之后，再對沖壓成形之后的汽車零部件進行數字化網格應變法測量，著重觀察區域A，結果如圖7所示。從圖7中可以看出，區域A的成形極限值的最小值為9.6%，大于8%；且區域A的最大厚度減薄率的值為21.061%，小于25%；均已滿足沖壓成形質量的要求。

圖7 改進措施之后區域A的成形極限值云圖與最大厚度減薄率云圖Fig.7 Nephogram for Forming Limit Value and Nephogram for Maximum Thickness Thinning Rate in Region A after Taking Improvement Measures

3 結語

通過對數字化網格應變法在汽車用鋼沖壓成形中的應用進行探究，對比了傳統手工測量和數字化網格應變法的優缺點。以某車型前門外板汽車零部件實際沖壓為例，獲得了沖壓成形風險區域。并分析與評定沖壓成形風險區域產生原因，提出模具調整方案，成功將風險區域的成形極限值的最小值由6.6%提升至9.6%、最大厚度減薄率的值由25.752%降低至21.061%，使得該區域滿足沖壓成形質量要求。該數字化網格應變法對于汽車用鋼沖壓成形過程中的模具開模、零件試沖、模具調試等評價具有較為積極、實用的指導意義，同時對于研究各種汽車用鋼沖壓成形缺陷有實際的應用價值。