网格实验在冷冲压模具验收中的应用

龙 安 祝洪川 吴青松

(武汉钢铁(集团)公司研究院 湖北 武汉：430080)

网格实验在冷冲压模具验收中的应用

龙 安 祝洪川 吴青松

(武汉钢铁(集团)公司研究院 湖北 武汉：430080)

网格实验可以准确的反映材料在冷冲压成形中的应变状况，提示出成形中的危险区域，因此可以在冷冲压模具验收中发挥关键作用。以某款轿车侧围内板零件为例，通过网格实验明确了该零件在拉延成形中的开裂隐患位置，并从模具和材料两个方面提出了优化方案，取得了理想效果。

网格实验；冷冲压；模具验收；应变

随着汽车工业的快速发展，各家汽车厂都推出新车型，而车身零件作为车身重要组成部分，主要由冷冲压担当，冲压模具作为冷冲压的重要载体，其设计的合理性、制造质量对于冲压生产过程和零件质量有决定性的影响。目前汽车主机厂一般将其冲压模具外包给专业的模具公司进行设计和制造，到期由验收人员对模具进行验收，主要包括以下内容：(1)模具的工艺合理性；(2)模具的结构和安装定位精确性；(3)进行零件试冲，进行质量评估。在以上三个方面中，(1)(2)项由模具厂负责保证，而第(3)项需要由模具厂和钢厂协助进行，汽车厂进行最终确认。从2011年至今，武钢作为车身用钢供应商，利用ARGUS网格实验设备，先后协助国内多家汽车主机厂进行了冲压模具验收工作，对冲压材料选材和模具型面改进提出建议，本文将以某款轿车左侧围内板零件拉延模具为例进行说明。

1 网格实验方法简介

网格实验分析方法的本质是将材料离散化，通过每个离散点的主、次应变状况来显示整个零件冲压成形中的应变状态，主要表现为以下3种：(1)点处于单向拉伸(图1①)，此时主应变为正，次应变为负；(2)点处于平面应变(图1②)，此时主应变为正，而次应变在0附近；(3)点处于等双向拉伸(图1③)，此时主、次应变均为正值。

图1 点应变状态及FLC曲线

图2 用于实验的各种网格

在实验室通过杯凸实验等实验方法，在线性应变路径下，将主、次应变平面上一系列不同应变路径下材料开始发生缩颈时的极限主/次应变点连接，得到图1所示的FLC曲线，反映的是材料的本构特性。实验室测得的材料FLC曲线是进行网格实验的基本依据，网格实验的目的就是将零件上实验位置的应变情况离散化，得到这一系列离散点的应变状况，然后比较这些离散点与FLC曲线的相对位置关系，当离散点全部位于FLC曲线下方(图1中“安全区域”)时，材料冲压成形是相对安全的，且距离FLC曲线越远，安全裕度越高；当离散点部分越过FLC曲线到达其上方(图1中“危险区域”)时，材料有冲压开裂风险。此时对照危险区域中离散点在冲压零件中的对应位置，可以明确得出零件上的开裂风险位置。

在网格实验中，通常用图2中的各种不同形状的网格来代表离散的点，应变的测量和计算基于网格，包括圆形网格、随即散斑图样、方形网格和点阵网格等形式。

武钢目前在汽车厂或模具厂现场利用网格分析方法协助进行模具验收的一般流程为：

(1)获取冲压零件清单和材料牌号、钢卷号、厚度等信息，在内部系统中调阅材料的力学性能信息，在实验室进行该牌号和厚度材料的FLC实验以获得典型FLC曲线；

(2)到达用户现场，选取表面无污渍、锈迹、平整无划痕的原料，并与用户讨论，找出用户最关心的位置，并将这些位置作为印制网格的区域；

(3)印制网格，根据钢板表面是否有锌层选择相应的打标液，利用电化学腐蚀方法，在钢板表面需要分析的区域印制黑白对比清晰无缺失的黑色网格，直径为3mm的圆形；

(4)零件冲压，待冲压工艺稳定后将印制网格的钢板进行冲压，或者试冲几张后进行；

(5)应变测量，用ARGUS网格应变系统的CCD数码相机对变形的网格区域进行多角度拍摄，软件自动计算出每个网格的主、次应变，合成色温图，和材料的FLC本构曲线进行比对，判定材料是否达到成形极限，减薄率是否超标；

(6)分析报告，由武钢网格实验人员根据实验结果进行判定，指出冲压开裂、起皱等NG的位置，分析原因，并向模具厂和汽车厂提出模具修改方案或材料变更方案；

(7)模具厂、汽车厂共同解读分析报告，对模具或冲压材料进行调整；

(8)模具调整结束后，再次邀请武钢来做网格实验，如果仍有破裂、起皱等冲压不良现象，重复1～7的步骤，直到所有零件所有区域冲压OK，流程结束。

2 覆盖件网格实验实例

某款轿车左侧围内板零件坯料采用梯形轮廓，其冲压工艺流程为落料-拉延-修边冲孔-翻边整形-修边冲孔。网格实验关注的是第二步的拉延过程，拉延后零件照片如图3所示，坯料的机械性能如表1所示。

表1 材料力学性能

图3 拉延后左侧围内板零件

因为该零件面积较大，现有的网格面积无法全部覆盖，因此将表面分为8块，命名为A～H，然后在自动化冲压生产线上进行拉延，压力机采用单动，吨位为2000吨，印制完网格后用空气喷枪在钢板表面喷覆一层很薄的油膜，气垫压力暂定为700kN。

模具厂家预冲压20余片板料，其中有5片出现缩颈或开裂现象，随后将印有网格的武钢材料放入压力机进行拉延，随后对拉延成形后零件进行了现场分析。表2综合反映了每个区域的成形状况，并分别给出了相应的判定。

表2中的判定根据的是汽车厂模具验收的一般标准：汽车厂最关注的材料厚度减薄率方面，对于本次用的深冲压级别钢(屈服强度<270MPa)，要求零件部分<25%，圆角部分<30%，工艺补充部分<30%。 零件成形到底前3mm，要求无起皱，在网格实验云图上显示全部为安全的绿色。成形到底后，要求安全裕度≥20%。

由试验结果看出，区域E在零件的拉延凸台位置的厚度减薄率超过了25%，如图4(b)所示；一部分离散点已经越过了材料的FLC曲线，安全裕度为0，如图4(c)所示，其他七处区域都没有问题。

表2 各区域成形状况与判定

图4

3 试验结果对模具验收的指导

由图4(c)可以看到，用DX54D+Z材料生产该侧围内板零件时，在E区域的变形状态主要是平面应变，材料、模具工况有任何波动都有造成冲压开裂的风险。要想使得这一区域的变形变得安全，必须将FLC曲线附近的离散点向下方移动，即减少主应变，适当增加次应变。为此对现场模具调整提出如下建议：

(1)因为应变较大位置接近拉延筋位置，可适当减小压边力，对拉延筋(图4(a)中①处)进行抛光，从而适当减小凸台处材料的受力；

(2)改善凸台位置形状，适当增大圆角半径(图4(a)中②处)，减小应力集中。

经过模具厂家现场调整，再度冲压20片，仍有3片出现缩颈和开裂，再印制一片网格进行拉延，网格试验FLD图如图5(a)所示。对比图5(a)和图4(a)可以看到，在模具调整后，位于FLC曲线附近的离散点数量有所减少，最大应力已经从38.4%降到31%左右，但总体上成形安全裕度仍然低于15%，说明在现有条件下，DX54D+Z无法满足成形需要。为提高零件的塑性成形能力，建议汽车厂选用较高牌号材料DX56D+Z，该材料相较DX54D+Z材料，具有较低的屈服强度，较高的抗拉强度和n,r值。

用DX56D+Z材料印制网格后进行拉延，网格试验FLD图如图5(b)所示，可见离散点整体下降并远离FLC曲线，安全裕度达到30%，说明该材料可以满足成形需求。除了延伸率提高带来塑性增强以外，r值的增大使得在平面应变状态下，抵抗减薄的能力大大增强，最大减薄率降低到24%以下，再拉延20片全部合格。

图5

4 小结

网格实验是钢厂协助汽车厂进行冷冲压模具验收的有效工具。通过网格实验，可以直观地指出冲压变形中的风险位置，在本文实例中，网格实验显示零件的减薄率和安全裕度都超出了允许范围，据此对现场模具调整提出了建议，取得了较为积极的效果，但安全裕度仍小于15%，从而建议汽车厂换用具有较低的屈服强度，较高的抗拉强度和n,r值的材料，经过网格实验得到了验证，解决了冲压中出现的风险。

[1] 谢文才，邰伟彬，等.网格试验法在冲压质量控制中的应用[J].汽车工艺与材料,2011,(8):61-64.

[2] 郭宇翔,吕荣佳，等.冷冲压模具验收要点浅析[J].模具制造,2014,(1):15-19.

[3] 解增会,陆威崑.冲压模具的维修与保养[J].装备制造技术,2013,(12):189-190.

[4] 王同领,陈峰，等.冲压件开裂问题的解决方法[J].汽车工程师,2013,(9): 56-58.

[5] 张润乐,孙华艳，等.侧围外盖板冲压工艺分析及模具优化设计[J].模具技术，2013,(4):28-34.

[6] 李玉强,田华，等.车门外覆盖件冲压与CAE分析关键技术[J].锻造与冲压,2012,2(3):25-28.

[7] 徐虹,张眸睿,王海涛,等.前挡板支架弯曲翻边成形模拟及模具设计[J].模具制造,2014,(1):19-22.

(责任编辑：李文英)

Guiding Importance of Grid Experiment for Acceptance of Cold Stamping Die

LONG An ZHU Hongchuan WU Qingsong

(Research and Development Center of WISCO，Wuhan 430080，Hubei)

Strain distribution of material in cold stamping forming could be detected accurately by means of grid string analyzing experiment so that crack-risk zone could be determined, thus playing a key role in acceptance of cold stamping die. Taking the side panel part in one bond of car as an example, this article specifies cracking potential locations in drawing process through the grid string analyzing experiment, offering optimization schemes from two aspects such as mold and material, achieving desired effect.

grid string analyzing experiment; cold stamping; acceptance of die

2015-01-06

2015-05-06

龙 安(1981～)，男，硕士，工程师.E-mail:longan@wisco.com.cn

TG386.1

A

1671-3524(2015)02-0017-04