CN103934313A - 一种薄板成形加工的网格应变分析方法及其应用 - Google Patents

Abstract

一种薄板成形加工的网格应变分析方法及其应用，涉及汽车及小五金等金属材料成形生产技术，先在金属板材工件成形的集中极限应变区内、于金属板材表面直接刻划边长相同的网格线；冲压变形加工后，测量集中极限应变区内的起皱或开裂所属网格线的直接变形值。根据计算所得的各变形率情况，分别进行调整工艺。本发明方法可随时用于冲压工作现场，基本不受条件限制。本方法可广泛推广使用于生产一线，成本低、易掌握。

Description

一种薄板成形加工的网格应变分析方法及其应用

技术领域

本发明涉及汽车及小五金等金属材料成形生产技术，特别是解决冲压生产现场成形零件起皱、开裂、回弹等问题的薄板制成的复杂形状的加工技术领域。

背景技术

在冲压生产中，当应变值大于板材延伸率时，板材就会开裂；当应变值为负至一定值或在无约束状态相邻部位应变值变化较大时，板材就会起皱、回弹。

为得到工件成形前后相应部位材料应变情况，科研院所实验室采用了一种测量方法即“网格应变分析法”。其方法是在预成形板材的成形后可能起皱或开裂趋势部位（一般是集中极限应变区）制作座标圆格，通过测算试验成形前后座标相邻的圆格网格距离的变化，获得材料成形性能相关数据，如金属材料的拉延系数、最小弯曲半径、回弹等科学数值；也可通过了解材料冲压过程中应力方向和应变情况，制定改善金属成形加载条件，从而最终得到符合要求的冲压工件。

由于该方法是在板材上所得到圆格网格线用电化学浸蚀法或照相制版化学腐蚀法所得，虽然精度高，但其成本高、操作工艺繁杂、成本高，一般人员较难完全掌握，所以网格应变分析方法过去仅限于科研院所或大型企业科研所（室）对薄板材料的成形性能的研究，无法规模化推广于一线实际生产中。

汽车薄板冲压零件成形件质量的好坏很大程度上取决于对特定加载条件下金属变形过程的控制能力，变形过程中施加于金属薄板上的外力将导致金属流动，并对零件最终质量产生重要影响。

现今汽车零件计算机模拟成形已广泛使用于成形模具设计，其原始数据来源于实验室的网格应变分析方法，由于实际材料及工作参数与理论数值差异，而且正常冲压生产过程中模具局部会发生磨损，另外压机工作参数、板材材质成形性能参数等方面变化都会造成成形工件缺陷，所以实际生产中往往需最后调整诸如修改局部工艺补充面、调整压料等措施。如何快速进行调整，是高效生产的一个关键，也是目前业内研究的课题。

发明内容

本发明目的在于提出一种方便生产操作、能实现快速调整的薄板成形加工的网格应变分析方法。

本发明步骤如下：

1）冲压前，在金属板材工件成形的集中极限应变区内、于金属板材表面直接刻划边长相同的网格线；

2）冲压变形加工后，测量集中极限应变区内的起皱或开裂所属网格线的直接变形值；

3）计算各变形率。

本发明方法可随时用于冲压工作现场，基本不受条件限制。网格线可用钳工划针划制，（根据无数次实验结果，划痕对成形影响极小，用于冲压现场可忽略不计，）本方法可广泛推广使用于生产一线，成本低、易掌握。

为了提高测量精确度，划线时尽可能地将网格线的边长垂直于最大拉延应变作用力的方向。

本发明还提出以下方法在冲压金属件加工中的应用。

有三种基本应变结果和三种相应的解决方法：

一、当工件出现开裂或有开裂趋势,那么该部位网格线成形前后变化测算后e_t值一定为正，且大于该材料本身延伸率值。

解决方法为以下其中一项或多项：

1、降低伸长方向的压料力；

2、增加相应局部（非零件需要部位）的工艺切口，调整坯料形状、尺寸，改善材料应变流动条件；

3、按工件成形延伸率需求更换原材料，使材料本身的延伸率大于工件最大应变e_t值。

二、当工件出现起皱或有起皱趋势,那么该区域网格线成形后相邻部位一定变化较大，或局部e_t值一定为负。相邻部位e_t值变化造成起皱与工件结构形状相关，也和材料应变硬化指数n值、塑性应变比r值相关。

解决方法为以下其中一项或多项：

1、加大变压缩方向的压料力；

2、增加相应局部（非零件需要部位）的工艺凸包，调整坯料形状、尺寸，改变工艺补充面，改善材料应变流动条件；

3、更换与工件成形需求相符的材料应变硬化指数n值、塑性应变比r值相适应的原材料。

三、当工件出现回弹现象，那么该区域网格线成形前后变化测算后et值一定小于该金属板材达到完全塑性变形要求的延伸率。即该部位变形是塑性变形与弹性变形结合体，当脱离模具约束后，工件变形与冲压要求形状不符，出现回弹。解决方法为以下其中一项或多项： 

1、加大变形率不足方向的压料力；

2、增加相应局部（非零件需要部位）的工艺成形台阶，增大局部变形拉力，使工件参与变形材料部位得到该材料完全塑性变形伸长率值的要求；

3、增加冲压工序，进一步整形，以达到设计的成形要求。

本发明特点：

1、在模具制造中，根据成形前后网格线变化情况判断应力应变方向，确定修改工艺补充面形状、或增加工艺切口、调整局部压边力，改善成形加载条件，控制金属变形过程。使模具工钳工完成对模具最后调试、局部修改，得到成形件坯料最终尺寸、形状更合理、工件质量在可控制状态。

2、运用于正常冲压生产过程中模具局部磨损、压机工作参数、板材材质成形性能参数等方面变化造成的成形工件缺陷，调整维护模具或修改压机工作参数等相关措施；检测原材料成形性能相关参数是否符合工件成形要求。

3、为节约生产成本调整原坯料尺寸、形状或改变原材料成形性能等级牌号。运用网格应变分析技术优化模具。

4、新方法可随时用于冲压工作现场，基本不受条件限制。网格线可用钳工划针划制（根据无数次实验结果，划痕对成形影响极小，用于冲压现场可忽略不计），可广泛推广使用于生产一线，成本低、易掌握。

5、在冲压生产企业可用于冲压现场快速判断解决成形件存在的缺陷，并给企业为节约成本改变原材料形状、尺寸和改变原材料成形性能等级牌号，给技术人员、模具钳工做出合理决定提供科学的数据参考。

附图说明

图1为刻划了方形格的未变形加工前的金属簿板图形。

图2为图1的金属簿板单向拉伸变形后状态图。

图3为金属簿板双向拉伸变形后状态图。

图4为金属簿板一方向受拉伸，另一方向受压缩变形后状态图。

图5为某车的后轮罩的OP20成形图样。

图6为某车的前围下部加强板在初步冲压后出现开裂的照片。

图7为图6的成形材料在改善后的成形照片。

图8为某车型落水槽的过程工序照片。

图9为成形后的图8零件图。

具体实施方式

一、薄板成形加工的网格应变分析方法：

图1为在未变形的无负载（无外力）条件下的一般金属簿板。该材料上划有l₀×l₀的正方格以便测量材料的变形。为了简化起见，l₀×l₀方格没有特定的定位。应该提到的是，由于简化的原故在处理时忽略了厚度方向的应变，厚度方向的应变可以由变形过程中假定体积不变，根据测量表面的应变加以计算。

图2表示了上述金属板在A-A方向受拉力F_A变形后的情况。显然金属板将在拉力F_A的方向上伸长，产生应变的金属板表面的边长变为l_A（如图2中的实线所示），并大于l₀, l_A为与拉力F_A平行的方向的边长，在拉力F_A方向上的应变百分率（即伸长率）由下列公式计算：

(l_t-l₀)/l₀×100=e(%)

其中l_t为冲压成形后的该网格边长的长度l_A，因此e_A为拉力F_A方向（A-A）的伸长率或应变百分数e_A为：

(l_A-l₀)/l₀×100=e_A(%)

     如图2所示的在一个方向施加外力只是施加在金属板上的很多种外力条件的一种情况。

如图3所示，未变形加工前的金属簿板上最初（无负载时）所刻划的方格尺寸l₀×l₀，以虚线表示。

在所施加的两个外力方向沿相互垂直的轴向上产生应变，簿板表面不仅沿A-A轴向而且沿B-B轴向产生伸长，应变后沿A-A轴向的长度为l_A，沿B-B轴向的长度为l_B，形成的新的面积为l_A×l_B，在两个方向上的每一应变如上述单向应变那样来决定。图3所示的应变条件就是所谓的双向拉胀状态。所施加的外力不需要相等，也不必要在两个方向上产生相同的应变，双轴拉胀仅有的判据是：簿板表面的最后尺寸在表面的两个主方向上都比原始尺寸大。变形的结果就是使簿板变簿。

如图4所示，在施加于金属簿板上的外力作用下变形情况。应变前的刻划的方格尺寸l₀×l₀，以虚线表示。

应变后，图中沿A-A轴方向拉力使材料伸长，变成l_A。沿B-B轴方向，压缩力的作用促使材料收缩，变成l_B。这种情况下产生的应变可以用上述例子相似的方法计算。由于外力的作用，方格的尺寸变为l_A×l_B。l_A平行于A-A轴的拉力方向，l_B平行于B-B轴的压缩力方向，在A-A方向的伸长率（应变）为：

(l_A-l₀)/l₀×100=e_A(%)

B-B方向的应变为：

(l_B-l₀)/l₀×100=e_B(%)

注意，由于：l_B< l₀，沿B-B方向应变率为负值。

对于前两个例子，由于拉伸力力图使材料沿拉力方向变长，沿所施加外力的方向上的应变为正。然而沿B-B轴，在现在这种情况下的压缩力则力图压挤材料，使材料压紧，沿B-B为负应变，即在一个方向上材料产生伸长正应变，另一个方向产生压缩负应变。这种情况下，材料局部可能增厚、变簿或保持不变。

上述例子中，采用了带有方格的簿板来测量和描述可能发生的基本应变状态。这些例子的一个重要方面是所用的力都作用在所刻划的方格边长的垂直方向上。如果力作用在非垂直方向上，要决定应变就必须作更复杂处理。因而在日常成形过程中为了测量应变，生产一线采用（工作现场钳工划线所得的）方格划线法，以得到零件集中极限应变区材料应变状态，解决成形工件开裂或起皱、回弹等缺陷。

二、冲压生产应用：

通常试验后有三种基本应变结果和三种相应的解决方法：

1、采用所述分析方法计算出的变形率为正值且得到或超过该材料延伸率上限时（工件开裂或开裂趋势），或降低所述变形率方向的压料力，或增加相应部位的工艺切口，或更换伸长率大于工件最大变形率的原材料。

2、采用所述分析方法计算出的变形率为负值时（工件起皱或起皱趋势），或加大所述变形率方向的压料力，或增加该部位的工艺凸包量，或更换与工件成形需求相符的材料应变硬化指数n值、塑性应变比r值相适应的原材料。

3、采用所述分析方法计算出的变形率小于该材料达到完全塑性变形要求的延伸率（一般要求大于3%）时，工件出现回弹现象，或加大所述变形率方向的压料力，或在该部位设计台阶，或再增加一次冲压变形工序。

具体应用实例：

 1、解决工件出现开裂或有开裂趋势，优化成形模具的稳定性，降低生产报废率。

成形模具的稳定性与产品的报废率息息相关，通过网格应变分析技术，可以改善材料的局部成形条件，降低模具对压机参数重复性误差的敏感度，从而达到降低生产报废率、提高材料率的目标。

某车型后轮罩 （见图5）OP20成形模，为对称设计，为了改善成形条件，设计了刺破刀口，但在生产中经常造成工件拉伸破裂，报废率一度高达 1.52%左右，并且由于经常需要在线维修，严重影响生产效率。运用网格应变分析技术进行分析后，发现刺破刀口形状、尺寸不够合理。通过对刺破口形状、尺寸、拉延筋位置调整，改变了局部成形过程材料走向，改善了板料成形条件，零件报废率稳定下降到 0.20%以下，仅此一项，节约材料 2.2万元/年。 

某车型侧围外板生产报废率在 4.8%左右，运用网格应变分析技术分析后，对成形模工艺补充面作了部分增改，调整了局部阻料筋高度和位置，改善了板料成形条件，零件报废率从 4.8%下降为不到 1.2%，产生经济效益 21.7万元/年。 

2、正确使用材料，减少零件报废：

如图6所示，某车型前围下部加强板 OP30成形件有一部位常出现开裂现象，多次调整模具一直未能解决问题。运用网格应变分析技术进行分析后，发现开裂发生于该板材轧制垂直方向，该材料轧制方向和垂直轧制方向有一定差值，其材料垂直轧制方向延伸率处于该板材延展率的下限。发现问题后，调整了材料下料方法，将发生开裂处调整为板材轧制方向，彻底解决了成形开裂问题，形成的效果如图7所示。

3、优化工艺补充面，提高材料利用率：

为了创造良好的拉伸条件，避免零件表面出现开裂和起皱等缺陷，通常需要将产品外边展开，添补工艺补充面，以形成一个合理的拉伸形状，使得工艺补充面成为零件拉伸过程中不可缺少的组成部分。但工艺补充面本身并不会成为零件的一部分，在后续工序将分次切除，成为冲压废料，因此工艺补充面是否 合理影响到材料的利用率，工艺补充面的优化也成为提高材料利用率的重要途径。

4、回弹问题解决的实例：

图8、9是某车型落水槽零件，为了节约原材料该件在模具制造时采用左右件对称组合拉伸成形。图8为过程工序件，图9为成形后的零件。 

     该零件侧面与底面形位公差位置度要求高，相对基准位置度公差要求在0.2毫米范围内，由于底面有弧面且侧面形状局部带有台阶、凸台、孔等问题，工件成形切边后局部位置就产生了回弹，经采用网格应变分析方法发现，零件成形参与变形局部区域网格线成形前后变化测算后et值小于该金属板材达到完全塑性变形要求的延伸率，依靠单一调整压边力方式难以实现全部满足零件尺寸要求。后采用了添加冲压整形工序方法，确保了零件的质量要求。

工件成形形状在参与变形相邻区域曲率变化大，局部变形小，即局部区域网格线成形前后变化测算后et值小于该金属板材达到完全塑性变形要求的延伸率，该部位就会发生“回弹”现象，一般此问题难以单靠调整压边力解决问题，需在对应区域增加工艺凸包，改善成形变形条件。如无法增加，须采用添加冲压整形工序给予解决。

Claims (8)

1.一种薄板成形加工的网格应变分析方法，其特征在于包括以下步骤：

1）冲压前，在金属板材的集中极限应变区内、于金属板材表面直接刻划边长相同的网格线；

2）冲压变形加工后，测量集中极限应变区内的起皱或开裂所属网格线的直接变形值；

3）计算各变形率。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于网格线的边长垂直与最大拉延变形作用力的方向。

3.一种薄板成形加工的网格应变分析方法在冲压金属件加工中的应用，其特征在于采用所述分析方法计算出的变形率为正值且大于金属板材本身延伸率值时。

4.或降低所述变形率方向的压料力，或增加该部位的工艺切口，或更换延伸率率大于所述变形率的原材料。

5.一种薄板成形加工的网格应变分析方法在冲压金属件加工中的应用，其特征在于采用所述分析方法计算出的变形率为负值时。

6.或加大所述变形率方向的压料力，或增加该部位的工艺凸包量，或更换与工件成形需求相符的材料应变硬化指数n值、塑性应变比r值相适应的原材料。

7.一种薄板成形加工的网格应变分析方法在冲压金属簿板件加工中的应用，其特征在于采用所述分析方法计算出的变形率小于该金属板材达到完全塑性变形要求的延伸率。

8.或加大所述变形率方向的压料力，或在该部位设计台阶，或增加变形冲压工序。