文／趙道智，艾衛(wèi)東，李志湖，馬杰·江鈴汽車(chē)股份有限公司沖壓廠

沖壓成形工藝開(kāi)發(fā)及量產(chǎn)成形改善新模式

文／趙道智，艾衛(wèi)東，李志湖，馬杰·江鈴汽車(chē)股份有限公司沖壓廠

外覆蓋件成形性前期的工藝評(píng)估和后期成形穩(wěn)定性的判斷，對(duì)車(chē)型開(kāi)發(fā)尤為重要。項(xiàng)目前期開(kāi)發(fā)可采用AutoForm進(jìn)行仿真成形工藝性的計(jì)算（CAE），F(xiàn)LD為后期模具調(diào)試結(jié)果進(jìn)行數(shù)字量化。AutoForm與FLD構(gòu)建量化平臺(tái)，可以相互驗(yàn)證對(duì)比。通過(guò)CAE模擬文件中零件各區(qū)域的應(yīng)變量與FLD實(shí)際網(wǎng)格應(yīng)變檢測(cè)數(shù)據(jù)可以找出成形差異。模具調(diào)試讓拉延件FLD檢測(cè)結(jié)果不斷接近CAE仿真結(jié)果的過(guò)程，即實(shí)現(xiàn)模具狀態(tài)提升。

隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，模具行業(yè)數(shù)字化調(diào)試，已經(jīng)成為不可逆轉(zhuǎn)的主流趨勢(shì)。前期成形工藝進(jìn)行數(shù)字化模擬仿真運(yùn)算，模具制作完成后量化成形性與仿真運(yùn)算的驗(yàn)證一直是存在盲點(diǎn)。成形能力極限檢測(cè)分析（FLD）技術(shù)從鋼材力學(xué)試驗(yàn)逐步運(yùn)用于沖壓穩(wěn)定成形，有效地彌補(bǔ)了模具成形調(diào)試的量化缺陷。從方形的檢測(cè)網(wǎng)格到圓形的檢測(cè)網(wǎng)格，再到后來(lái)圓點(diǎn)拍照掃描檢測(cè)。FLD的檢測(cè)手段和技術(shù)也在不斷地發(fā)展和進(jìn)步，其涵蓋的數(shù)據(jù)量也越來(lái)越豐富，逐步實(shí)現(xiàn)了與前期仿真的模擬的數(shù)據(jù)平臺(tái)的構(gòu)建。因此，本文主要講述目前FLD技術(shù)與CAE數(shù)據(jù)平臺(tái)構(gòu)建、對(duì)比、調(diào)試運(yùn)用和改善。

FLD、CAE各自?xún)?yōu)勢(shì)特點(diǎn)

FLD是以材料杯突試驗(yàn)得到工程應(yīng)力失效曲線作為材料成形能力極限依據(jù)。根據(jù)印制網(wǎng)格變化有效的觀察材料流動(dòng)和應(yīng)力變化。成形能力極限分析運(yùn)用特點(diǎn)：⑴網(wǎng)格件壓制，可以清晰觀察晶格變化，判斷材料流動(dòng)趨勢(shì)；⑵檢測(cè)材料厚度變化，根據(jù)臨界厚度和危險(xiǎn)厚度，抓住調(diào)試重點(diǎn)；⑶晶格應(yīng)變檢測(cè)數(shù)據(jù)反饋在成形極限曲線（FLC）中，直觀反映與失效曲線、臨界曲線距離，實(shí)現(xiàn)成形性數(shù)字量化。

AutoForm CAE模擬計(jì)算對(duì)于模具調(diào)試的運(yùn)用特點(diǎn)：⑴工藝不變情況下進(jìn)行虛擬調(diào)試，調(diào)整定位、更改材料尺寸、更改拉延筋強(qiáng)度等；⑵進(jìn)行數(shù)模工藝更改后，驗(yàn)證整改理論效果；⑶模擬結(jié)果中，可觀察到產(chǎn)品各處晶格應(yīng)變和材料厚度的理論變化。

在模擬文件中通過(guò)成形能力極限圖的運(yùn)用，可以預(yù)示出成形風(fēng)險(xiǎn)，如圖1所示。由此可見(jiàn)，F(xiàn)LD是從實(shí)際情況作出成形量化分析。CAE是從理論情況進(jìn)行的數(shù)字模擬分析。兩者結(jié)合相互支持，得到理論和實(shí)踐構(gòu)建量化平臺(tái)，通過(guò)和數(shù)字平臺(tái)的對(duì)比，可以快速找到調(diào)試方向，確定調(diào)試最佳更改量，有效量化更改效果。

圖1 成形能力極限圖

實(shí)施案例一

江鈴某車(chē)型側(cè)圍內(nèi)板在工藝開(kāi)發(fā)初期，CAE模擬分析產(chǎn)品輪轂圓角處存在過(guò)度減?。ú牧蠝p薄低于20%），有成形性風(fēng)險(xiǎn)，需要產(chǎn)品設(shè)計(jì)變更。產(chǎn)品工程師則認(rèn)為后期模具調(diào)試可以實(shí)現(xiàn)。模具實(shí)際調(diào)試過(guò)程中，產(chǎn)品輪轂圓角出現(xiàn)了成形不穩(wěn)定縮頸、破裂的情況，產(chǎn)品成形性需要提升。產(chǎn)品檢測(cè)的FLD圖，如圖2所示，型面上已經(jīng)有成形危險(xiǎn)點(diǎn)處于臨界區(qū)域。該點(diǎn)的應(yīng)變狀態(tài)為拉伸應(yīng)變。

圖2 產(chǎn)品檢測(cè)的FLD圖

對(duì)材料使用潤(rùn)滑油壓制拉延件進(jìn)行FLD檢測(cè)。目前FLD檢測(cè)系統(tǒng)有兩種：通過(guò)Argus網(wǎng)格應(yīng)變檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)格拍照檢測(cè)；通過(guò)測(cè)量尺做網(wǎng)格應(yīng)變檢測(cè)。兩種方式各有特點(diǎn)：⑴人工檢測(cè)便于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，直接指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，可以應(yīng)對(duì)各種復(fù)雜區(qū)域檢測(cè)，產(chǎn)品網(wǎng)格存在輕微拉傷不影響產(chǎn)品檢測(cè)。缺點(diǎn)在于測(cè)量點(diǎn)數(shù)受到限制，只可關(guān)鍵部位測(cè)量，沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)的員工在測(cè)量時(shí)會(huì)存在檢測(cè)誤差；⑵Argus檢測(cè)系統(tǒng)，拍照自動(dòng)識(shí)別檢測(cè)速度快，檢測(cè)精度穩(wěn)定。缺點(diǎn)在于對(duì)網(wǎng)格的印制質(zhì)量要求比較高，產(chǎn)品造形復(fù)雜區(qū)域拍照識(shí)別會(huì)受到影響。對(duì)于產(chǎn)品輕微拉傷和側(cè)壁拍照網(wǎng)格識(shí)別存在困難，需要光照較好的條件下拍照，檢測(cè)結(jié)果要處理周期才能得出。基于以上原因本次產(chǎn)品的重點(diǎn)區(qū)域在R角尖點(diǎn)，人工檢測(cè)不存在檢測(cè)盲點(diǎn)，造型復(fù)雜的區(qū)域可以做多次細(xì)致測(cè)量。根據(jù)鋼廠提供的材料力學(xué)參數(shù)、FLC失效曲線，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算可得到材料詳細(xì)的FLD圖，再通過(guò)拉延件網(wǎng)格測(cè)量按工程應(yīng)力公式進(jìn)行計(jì)算，得到產(chǎn)品檢測(cè)部位的網(wǎng)格應(yīng)變極限情況。檢測(cè)數(shù)據(jù)危險(xiǎn)點(diǎn)距離FLC曲線只有4%裕度。成形穩(wěn)定性存在較大風(fēng)險(xiǎn)。

CAE分析結(jié)果如圖3所示，在輪轂處晶格應(yīng)變均為平面應(yīng)變，材料變化劇烈，易失效。成形性提升，須完成主應(yīng)變減小，次應(yīng)變?yōu)樨?fù)（改變平面應(yīng)變的情況）的應(yīng)變調(diào)整。

圖3 CAE的模擬分析結(jié)果

通過(guò)對(duì)拉延件FLD檢測(cè)和CAE輪轂圓角應(yīng)變分析進(jìn)行對(duì)比，產(chǎn)品工程師完成數(shù)模更改再次模擬得到較為理想的結(jié)果，如圖4所示。CAE模擬FLD圖中僅少量點(diǎn)存在于成形臨界區(qū)域，并且晶格屬于拉伸應(yīng)變。確定工藝可行性后，對(duì)模具實(shí)施拉延模的改造方案。拉延模調(diào)試穩(wěn)定后，成形能力極限分析檢測(cè)裕度由整改前的4%提升為12%，型面檢測(cè)點(diǎn)均在FLC安全線以下，檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)品成形性穩(wěn)定，如圖5所示。后續(xù)模具試模及小批量過(guò)程中未再次縮頸、破裂。

圖4 改善后的CAE模擬結(jié)果

圖5 改善后的FLD檢測(cè)結(jié)果

實(shí)施案例二

江鈴某車(chē)型尾燈安裝內(nèi)板在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)初期，進(jìn)行了CAE分析，產(chǎn)品工藝性較好，如圖6所示。在產(chǎn)品造型反成形區(qū)域側(cè)壁局部存在平面應(yīng)變。

圖6 產(chǎn)品CAE模擬分析

在拉延模調(diào)試穩(wěn)定后，進(jìn)行了FLD檢測(cè)，安全裕度為8%；后期回廠調(diào)試，在機(jī)械壓機(jī)上進(jìn)行5100件批量生產(chǎn)過(guò)程中，1～2件出現(xiàn)了標(biāo)識(shí)區(qū)域側(cè)壁縮頸。需要對(duì)產(chǎn)品成形性不穩(wěn)定進(jìn)行整改調(diào)試。從減薄率來(lái)看，實(shí)際產(chǎn)品側(cè)壁的減薄率達(dá)到理論分析狀態(tài)；側(cè)壁晶格主應(yīng)變大，次應(yīng)變小，符合理論分析。

通過(guò)對(duì)模具表面光潔度、凸凹模間隙等的整改，達(dá)到減小主應(yīng)變，增大次應(yīng)變負(fù)值的整改目標(biāo)，讓網(wǎng)格應(yīng)變由平面應(yīng)變調(diào)整為拉伸應(yīng)變，完成成形性的改善。整改后進(jìn)行FLD檢測(cè)，成形性由之前的8%（圖7）提升為12%（圖8），后續(xù)進(jìn)行100件小批量生產(chǎn)，未再出現(xiàn)成形不穩(wěn)定的情況。

成形工藝流程標(biāo)準(zhǔn)化

通過(guò)多次FLD檢測(cè)分析結(jié)果和CAE模擬分析結(jié)果結(jié)合，完成了對(duì)產(chǎn)品成形性的提升。對(duì)改善過(guò)程進(jìn)行梳理、總結(jié)，形成規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)化的流程（圖9）。前期CAE分析的工藝可行性評(píng)估需要注意軟件中FLD圖，在R角位置和深拉延的側(cè)壁需要關(guān)注晶格的應(yīng)變。拉延模調(diào)試過(guò)程中FLD檢測(cè)可以確認(rèn)是否達(dá)到理論狀態(tài)，存在哪些差異和待改善區(qū)域。不斷將理論與實(shí)際作對(duì)比分析，接近模擬的理論狀態(tài)，滿(mǎn)足FLD檢測(cè)裕度值的要求，產(chǎn)品成形性就會(huì)不斷提升。

產(chǎn)品安全裕度滿(mǎn)足要求，產(chǎn)品成形工藝性才能更穩(wěn)定，表現(xiàn)出對(duì)于換線和環(huán)境變化不敏感。這些都將有益于沖壓廠應(yīng)對(duì)各種生產(chǎn)調(diào)整情況，為產(chǎn)品效率和產(chǎn)能提升提供可靠的前提條件。

圖7 改善前FLD檢測(cè)結(jié)果

圖8 改善后FLD檢測(cè)結(jié)果

圖9 成形工藝改善流程圖

數(shù)字平臺(tái)提升方向

通過(guò)FLD和CAE構(gòu)建數(shù)字平臺(tái)，精度和仿真對(duì)比將是以后不斷完善的主要方向。FLD的Argus系統(tǒng)檢測(cè)精度穩(wěn)定性高，卻受到造型復(fù)雜度的限制，影響檢測(cè)效果和產(chǎn)品檢測(cè)完整性。CAE對(duì)比數(shù)據(jù)如何更好地做到仿真優(yōu)化，也將是數(shù)字平臺(tái)能否更好地發(fā)揮作用的主要提升方向。

結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)FLD和CAE的結(jié)合可以有效的判斷成形風(fēng)險(xiǎn)，確定成形風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域；FLD可有效的為改善提供量化依據(jù)；FLD和CAE對(duì)比可以有效的判斷整改方向；標(biāo)準(zhǔn)流程化管理，有效優(yōu)化改善過(guò)程，高效利用數(shù)字化結(jié)合。FLD和CAE結(jié)合有效的實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化模具調(diào)試，讓模具制造進(jìn)入了一個(gè)量化的新階段。