供稿|郭晶，趙廣東 / GUO Jing，ZHAO Guang-dong

隨著我國鋼鐵企業(yè)對汽車板的自主研發(fā)能力的不斷增強(qiáng)，不同的汽車覆蓋件如何選取合適的板材已經(jīng)成為鋼鐵企業(yè)和汽車企業(yè)的共同研究熱點(diǎn)[1-2]。對汽車覆蓋件合理選材的研究，可以提高汽車用鋼的利用率，縮短了汽車從設(shè)計(jì)到投產(chǎn)的周期，降低了企業(yè)的生產(chǎn)成本。

網(wǎng)格分析技術(shù)是解決車身選材問題的行之有效的方法。本試驗(yàn)以汽車覆蓋件右后側(cè)圍后連接板為例，利用網(wǎng)格分析技術(shù)，定量地評價(jià)材料的成形效果，分析后側(cè)圍后連接板各部分的應(yīng)變分布，通過對比三種汽車板材，DC03、DC04和DC06，分析了零件的成形安全裕度，預(yù)測其能否沖壓出合格的零件，并提供了合理的選材方案。

試驗(yàn)原理

首先測定三種材料的力學(xué)性能指標(biāo)及成形極限曲線，再測量右后側(cè)圍后連接板的變形區(qū)域的應(yīng)變值，獲得相應(yīng)的應(yīng)變云圖，通過將測得的應(yīng)變值與成形極限曲線和相關(guān)的安全裕度曲線相比較，分析材料變形是否合理，預(yù)測選材方案。

試驗(yàn)方法

材料力學(xué)性能指標(biāo)的測試

力學(xué)性能是評價(jià)板材成形性能的基本性能指標(biāo)。本試驗(yàn)依據(jù)GB/T 228.1-2010金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法規(guī)定，利用Zwick 100 kN電子拉伸試驗(yàn)機(jī)，測定三種材料的單向拉伸力學(xué)性能，結(jié)果見表1。

材料成形極限圖的測試

成形極限圖表示金屬板材在各種應(yīng)變路徑時(shí)所能承受的極限應(yīng)變。成形極限是判斷和評定材料成形性的最簡單直觀的方法，是解決板材沖壓成形問題的有效工具[3]。

在實(shí)驗(yàn)室條件下，依據(jù)GB/T 15825.8-2008標(biāo)準(zhǔn)，利用BUP600板材成形試驗(yàn)機(jī)及ARMIS在線測量系統(tǒng)，測定材料的成形極限圖。

表1 三種材料單向拉伸力學(xué)性能指標(biāo)測試值

圖1為三種汽車板在沖壓成形中的應(yīng)變狀態(tài)和成形極限曲線，其中DC06、DC04和DC03的真應(yīng)變的FLD0分別為0.36、0.34和0.28，對應(yīng)的工程應(yīng)變成形極限圖的FLD0為43%、40%和32%。

圖1 三種板材的成形極限曲線

網(wǎng)格分析

首先在板料上印制網(wǎng)格，然后對板料進(jìn)行了沖壓成形，圖2為右后側(cè)圍后連接板的實(shí)物圖。從部件表面上看，坯料沖壓后部件內(nèi)部沒有發(fā)現(xiàn)起皺或者破裂的情況。

最后用ARGUS光學(xué)應(yīng)變測量系統(tǒng)測量得出右后側(cè)圍后連接板沖壓后的主應(yīng)變云圖。

圖2 印制網(wǎng)格后的右后側(cè)圍后連接板的實(shí)物圖

試驗(yàn)結(jié)果與討論

圖3為右后側(cè)圍后連接板的主應(yīng)變云圖，主應(yīng)變主要分布在4%~26.7%之間，其最大值為30.9%，主要集中在零件的凹凸的圓角部位。

圖3 右后側(cè)圍后連接板的主應(yīng)變云圖

圖4為右后側(cè)圍后連接板的主應(yīng)變狀態(tài)和材料DC04的成形極限對比圖，凹凸圓角A和B區(qū)域應(yīng)變較大，應(yīng)變云圖分別落十字交叉點(diǎn)附近。

如圖4所示，經(jīng)成形工序后，較大變形區(qū)域A的應(yīng)變落在成形極限圖最低點(diǎn)值的左側(cè)，主要變形方式為拉深成形，區(qū)域A的應(yīng)變遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于成形極限曲線，所以沖壓時(shí)A區(qū)域非常安全，不會破裂。

區(qū)域B位于成形極限最低點(diǎn)的下方，其主要變形方式為平面應(yīng)變拉伸，由于距離成形極限曲線最低點(diǎn)位置較近，區(qū)域B是變形最危險(xiǎn)的地方，可以通過增大模具圓角半徑、改善潤滑條件的方式降低主應(yīng)變值，達(dá)到增加沖壓安全性的目的。

從圖4中可以看出，整個應(yīng)變云圖都落在成形極限曲線的下方，危險(xiǎn)區(qū)域B的安全裕度是11.4%，低于10%的安全裕度成形曲線，考慮到材料性能和沖壓工藝存在不可避免的波動因素，一般認(rèn)為，Δδmin（安全裕度）≥10%時(shí)，沖壓生產(chǎn)的穩(wěn)定性可以得到保證。因此右后側(cè)圍后連接板用DC04沖壓是安全的。

圖5是右后側(cè)圍后連接板測量區(qū)域的主應(yīng)變狀態(tài)和三種板材的成形極限對比圖，其中a，b，c分別代表了DC03，DC04，DC06鋼種，厚度均為0.7 mm。

圖5（a）中，零件在DC03的成形極限圖中的安全成形裕度Δδmin為5.1%，危險(xiǎn)部位B區(qū)域的最大應(yīng)變值小于10%的安全裕度成形曲線，落在臨界區(qū)內(nèi)，具有很大波動性，因此無法滿足零件的沖壓成形需要。

圖4 右后側(cè)圍后連接板的主應(yīng)變狀態(tài)和成形極限對比圖

圖5 右后側(cè)圍后連接板的主應(yīng)變狀態(tài)和各種材料的成形極限對比圖（其中a:DC03，b:DC04，c:DC06）

圖5（c）中，零件沖壓的Δδmin為15.8%，遠(yuǎn)低于成形極限曲線，說明材料性能過剩。對于這個零件而言，材料DC06能夠沖壓出合格的產(chǎn)品，但是從生產(chǎn)降低成本的角度考慮，可以選擇圖5（b）的Δδmin為11.4%的DC04，在生產(chǎn)過程中提高潤滑條件，嚴(yán)格控制工序和精細(xì)操作，能夠生產(chǎn)出合格產(chǎn)品的概率很高。因此，在保證良好的模具及沖壓工序等外在因素的前提下，右后側(cè)圍后連接板的最佳沖壓材料為DC04。

綜上所述，根據(jù)所測區(qū)域的應(yīng)變分布狀態(tài)與成形極限對比，獲得安全裕度的大小，即可判斷出在該成形條件下，所選用的材料是否合理，從而預(yù)測最佳使用材料。

結(jié)論

（1）試驗(yàn)得出，三種汽車用鋼的力學(xué)性能及成形極限性能有很顯著的差異，DC06的FLD0為43%、而DC04和DC03的FLD0分別為40%和32%。

（2）用DC06，DC04和DC03等三種汽車用鋼沖壓右后側(cè)圍后連接板的安全裕度分別為15.8%，11.4%，5.1%，從降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品合格率角度考慮，右后側(cè)圍后連接板的最佳沖壓材料為DC04。

（3）通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)格分析法與成形極限曲線相結(jié)合，可以了解零件變形方式及難易程度，評價(jià)材料成形性能，預(yù)測材料的最佳選材方案。

[1] 汪承璞, 馮蘇寧, 陸匠心. 轎車零件應(yīng)變分析與FLD選材預(yù)測. 鋼鐵,1999, 34(2): 43

[2] 琚建文. 汽車沖壓減選材專家系統(tǒng)的研究. 南京: 南京航空航天大學(xué)材料系, 2008

[3] 康永林. 現(xiàn)代汽車板工藝及成形理論及與技術(shù). 北京：冶金工業(yè)出版社, 2009