基于数字化网格应变法在汽车用钢冲压成形中的探索与应用

郝志强 ，刘仁东 ，徐鑫 ，苏洪英 ，李萧彤

（1.海洋装备用金属材料及其应用国家重点实验室，辽宁 鞍山 114009；2.鞍钢集团钢铁研究院，辽宁 鞍山 114009）

随着中国汽车工业的蓬勃发展，新能源汽车势力的崛起，大众群体对汽车的外在质量和形状要求越来越高，因此汽车不仅要具有设计所规定的使用功能，而且在很大程度上要满足当下的消费环境，要体现出整车的艺术性、个性风格，所以汽车零部件的冲压成形越来越复杂，对汽车用钢的冲压性能要求也越来越高。使冲压成形之后的汽车零部件获得良好的尺寸精度、足够的成形刚度、安全的成形裕度等，是确保汽车用钢冲压成形质量的关键［1-3］。

汽车用钢在冲压成形过程中失效方式主要是应变失效，数字化网格应变法是测定工件表面区域应变分布的一种有效方法［4-5］，可以将测得的应变结果用等值线、云图等进行可视化描述，通过与材料自身的成形极限图［6］进行比较，评价材料在实际冲压过程中的成形裕度值，为模具优化提供技术支持，从而降低冲压车间生产的废品率。此外，可以结合金属塑性成形体积不变原理，获得测量区域内的材料变形后厚度减薄率的最大值；进而对汽车用钢冲压成形过程中所产生的冲压缺陷进行分析、评价，并提出相应的解决方案。

1 数字化网格应变法

1.1 数字化网格应变法原理

网格应变法主要是采用网格测量技术，冲压成形前，在汽车用钢表面印制方形网格；冲压成形后，对初始印制在钢板表面的方形网格进行三维测量，通过计算获得钢板成形后的主应变、次应变和厚度减薄率等参数。数字化网格应变法是在传统网格应变法的基础上，基于计算机视觉系统的强大图像处理能力来进行自动应变测量。

在众多相关数字化网格应变法设备中，德国VIALUX公司的AutoGrid应变测量系统是一套基于四镜头投影仪的便携式网格应变测量系统，灵活应用于实际冲压现场。AutoGrid应变测量系统由四镜头投影仪组成，采用从四个不同方向来同时确认测量点的方法（见图1），能够更精确、稳定的测量板料冲压变形后的3D几何尺寸，与板料冲压变形前的方形网格进行对比，从而能更精确的计算出汽车用钢冲压变形所产生的主应变及次应变。同时，四镜头可以确保测量角度急剧变化的区域，至少能从两个不同的方向进行测量，从而保证测量范围［7-8］。

图1 从四个不同方向来同时确认测量点Fig.1 Simultaneous Confirmation of Measurement Points from Four Different Directions

1.2 数字化网格应变法优缺点

传统的成形应变分析方法采用的是手工测量法，如图2所示。通过电化学腐蚀的方法在汽车用钢表面印制直径5 mm的圆形格子，汽车用钢冲压成形以后在冲压区域进行测量，冲压区域选取原则为实际冲压中用户反映出现缺陷的区域、拉延深度较大的区域；测量方法为在冲压成形后的圆形格子进行划线，比照应变测量尺进行测量网格区域内的主、次应变值，进而获得网格范围内的应变分布。这种手工测量存在效率低、分析精度低，受人为主观因素影响较大，以及分析的应变区域小等缺点。

图2 传统的手工测量应变法示意图Fig.2 Diagram for Traditional Manual Measurement Strain Method

数字化网格应变法相比传统的手工测量法具有以下优点：第一，印制网格区域内的主应变、次应变、主应力、次应力等都可以获得，避免漏选关键区域所需的不同参数值，便于后续计算；并且所得测量结果以云图效果呈现，可以方便地与Autoform的仿真结果进行对比。第二，测量时间短，可以进行大面积的印制网格，以及大面积的应变分析，覆盖面较广；并且所有处理过程自动完成，减少了人为误差，结果更为精确。第三，印制的网格尺寸范围从0.1～5 mm，网格尺寸越小，测量精度越高。并且采用四个摄像头，视野宽广，即使汽车用钢冲压成形以后表面的部分区域弯曲大于90°也能测量。

数字化网格应变法缺点主要在汽车用钢冲压成形过程中，由于板料与模具的接触，造成部分区域网格尺寸被刮花，导致软件分析时该刮花区域无法识别，出现无法分析的结果。

1.3 数字化网格应变法步骤

（1）获取待冲压成形的汽车用钢信息，在实验室进行该汽车用钢的成形极限实验，获得该汽车用钢的FLC曲线；

（2）到冲压现场，结合汽车零部件重点关注区域以及易产生冲压缺陷的区域，利用电化学腐蚀的方法，在待冲压成形的汽车用钢的表面印制方形网格，网格尺寸为0.1～5 mm。电化学腐蚀完成后要使用清洗液清洗网格表面，去除残留的电解液药水。如果网格印制完成后不马上进行冲压成形，要在网格表面涂防锈油；

（3）将已经印制好方形网格的汽车用钢部分酌情涂抹冲压润滑油后进行冲压成形。对冲压成形之后的汽车零部件进行应变测量，利用AutoGrid应变测量系统的镜头采集冲压成形之后的方形网格形状，并将图像信息实时传输到计算机中，与冲压成形之前的方形网格信息进行对比，进而获得方形网格区域内的应变分布以及厚度变化等信息。

（4）将成形之后的应变信息与汽车用钢的FLC曲线进行对比分析，分析此汽车用钢在冲压汽车零部件时主应变、次应变和厚度应变分布情况，可对冲压成形工艺或者冲压用材料进行调整和优化。

2 汽车用钢冲压成形分析

以厚度为0.65 mm的汽车用钢H220YD为例，冲压某车型前门外板汽车零部件，此前门外板汽车零部件采用一模两件，左/右前门外板同时进行冲压。

2.1 H220YD-0.65 mm材料成形极限图的获取

将220BD-0.65 mm材料制作三组长度均为180 mm，宽度依次为 30、60、80、100、120、140、160、180 mm的24个试样，按照GB/T 4156-2007《金属材料薄板和薄带埃里克森杯突试验》进行埃里克森试验，采用破裂线回归的方法确定每个试样的成形极限点，将成形极限点采用数学拟合的方法连线成FLC曲线，即得到H220YD-0.65 mm材料的FLC曲线，如图3所示。

图3 H220YD-0.65mm材料的FLC曲线Fig.3 FLC Curves of H220YD-0.65 mm Material

2.2 印制网格和冲压成形

将汽车用钢H220YD-0.65 mm的重点关注区域表面采用电化学腐蚀方式印制2.5 mm×2.5 mm的方形网格，并将重点关注区域定义为A、B、C、D、E、F、G、H。

印制好网格的板料进行冲压成形，送冲压生产线上进行冲压成形，为了最大程度的保留失效区域的变形情况，只进行第一道拉延工序，冲压成形后取下冲压件，如图4所示。

图4 第一道拉延工序后的冲压件Fig.4 Stamping Parts after First Drawing Process

2.3 数字化网格应变法分析结果

对冲压成形之后的汽车零部件进行应变测量，利用AutoGrid应变测量系统的镜头采集冲压成形之后的 A、B、C、D、E、F、G、H 八个区域的方形网格形状，与冲压成形之前的方形网格信息进行对比，获得八个网格区域的成形极限值云图及最大厚度减薄率云图分别如图5、图6所示。

在板料成形中，当主应变和次应变超过由这两个应变联合构成的应变极限范围时，板料将会产生变薄、断裂。板料面内主应变和次应变的交点落在材料的FLC曲线以下是允许的，主应变和次应变的交点在材料的FLC曲线以上则会产生成形加工破坏。而冲压过程中成形极限值的最小值定义为板料应变值的最大值与材料FLC曲线上同一变形路径的破裂点之间的差值，这个差值按照主机厂的实际冲压要求需要大于8%，即要求板料在冲压成形过程中不出现明显的局部变薄或颈缩，而不是最终的断裂。这是因为有局部颈缩的板金零件，已经不能满足冲压成形质量的要求［9-10］。从图 5 中可以看出， 区域 A、B、C、D、E、F、G、H 成形极限值的最小值分别为 6.6%、16.1%、15.9%、14.2%、22.8%、20.4%、18.7%、22.1%。 可知，区域A的成形极限值的最小值小于8%，不满足冲压成形质量的要求；其他区域成形极限值均大于8%，满足冲压成形质量的要求。

图5 八个网格区域的成形极限值云图Fig.5 Forming Limit Nephogram for Eight Grid Regions

最大厚度减薄率的值对于薄板材成形加工领域的断裂失效分析是非常重要的，在工程上可作为材料制造过程中设计控制依据、结构失效分析的判据［11-13］；在实际生产上控制最大厚度减薄率的值，使其小于25%，也可以有效避免缩颈、隐裂等冲压缺陷的产生，降低冲压报废率，提高冲压成品率。从图 6 中可以看出，区域 A、B、C、D、E、F、G、H最大厚度减薄率的值分别为25.752%、17.936% 、20.152% 、20.456%、14.212% 、14.869%、15.539%、13.652%。可知，区域A的最大厚度减薄率的值大于25%，不满足冲压成形质量的要求；其他区域最大厚度减薄率的值均小于25%，满足冲压成形质量的要求。

图6 八个网格区域的最大厚度减薄率云图Fig.6 Maximum Thickness Thinning Rate Nephogram for Eight Grid Regions

综上所述，区域A的成形极限值的最小值与最大厚度减薄率的值均不满足冲压成形质量要求，定义为冲压成形风险区域，极易产生冲压缺陷。

2.4 基于数字化网格应变法分析结果的改进措施

若想使区域A变成冲压成形安全区域，从成形极限值角度来看，必须使区域A应变值的最大值向下或向左移动，或使得材料的FLC曲线向上移动，以达到成形极限值的最小值大于8%。为此，需要对模具进行调整或对材料进行优化，由于此汽车零部件为一模两件，且区域A相对应的区域D并无冲压风险。因此，考虑不更换材料，进行模具调整处理，将区域A模具型面圆角进行打磨，放大圆角，促进板料流动。从最大厚度减薄率角度来看，也需要对区域A进行模具调整处理，采取的措施是减小局部压边力，增大局部模具间隙，同时调整相应部位拉延筋，以达到降低区域A冲压变形的最大厚度减薄率。

实施改进措施之后，再对冲压成形之后的汽车零部件进行数字化网格应变法测量，着重观察区域A，结果如图7所示。从图7中可以看出，区域A的成形极限值的最小值为9.6%，大于8%；且区域A的最大厚度减薄率的值为21.061%，小于25%；均已满足冲压成形质量的要求。

图7 改进措施之后区域A的成形极限值云图与最大厚度减薄率云图Fig.7 Nephogram for Forming Limit Value and Nephogram for Maximum Thickness Thinning Rate in Region A after Taking Improvement Measures

3 结语

通过对数字化网格应变法在汽车用钢冲压成形中的应用进行探究，对比了传统手工测量和数字化网格应变法的优缺点。以某车型前门外板汽车零部件实际冲压为例，获得了冲压成形风险区域。并分析与评定冲压成形风险区域产生原因，提出模具调整方案，成功将风险区域的成形极限值的最小值由6.6%提升至9.6%、最大厚度减薄率的值由25.752%降低至21.061%，使得该区域满足冲压成形质量要求。该数字化网格应变法对于汽车用钢冲压成形过程中的模具开模、零件试冲、模具调试等评价具有较为积极、实用的指导意义，同时对于研究各种汽车用钢冲压成形缺陷有实际的应用价值。