CN112964579B - 用极限破裂厚度减薄率判别汽车钢板冲压成形性能的方法 - Google Patents

用极限破裂厚度减薄率判别汽车钢板冲压成形性能的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及汽车用钢板冲压成形技术领域，特别涉及一种用极限破裂厚度减薄率判别汽车钢板冲压成形性能的方法。本发明将汽车用钢板的应用性能与金属材料的应力应变联系起来，将汽车用钢板的冲压性能与厚度减薄率结合在一起。先通过埃里克森试验以及网格应变分析系统，根据金属塑性成形体积不变原理获得材料的极限破裂厚度减薄率；在通过测量汽车用钢板在实际冲压过程中的主应变、次应变，计算出厚度变化，进而得到实际冲压过程中的最大厚度减薄率；将极限破裂厚度减薄率与实际冲压的最大厚度减薄率进行对比，从而对汽车用钢板的冲压性能做出准确的判别。本发明方法可以广泛推广使用于生产一线，操作简单，容易掌握。

Description

用极限破裂厚度减薄率判别汽车钢板冲压成形性能的方法
技术领域
本发明涉及汽车用钢板冲压成形技术领域，特别涉及一种用极限破裂厚度减薄率判别汽车钢板冲压成形性能的方法。
背景技术
随着国家节能减排的要求，汽车的轻量化工作愈发的严格与苛刻，要求汽车用钢板在满足复杂形状的冲压成形需求的同时，还应向着更轻、更薄的方向发展；进而对汽车用钢的冲压性能有更加高的使用要求。因此，如何准确评判汽车用钢板的冲压性能，成为目前汽车企业与钢铁行业共同努力的方向。对汽车用钢板的冲压性能有一个准确的评价，将大大提升汽车用钢板的使用效率，是将“合适的材料用在了合适的地方”，并且提高了零部件的冲压合格率以及稳定率。相反，若无法准确评价汽车用钢板的冲压性能，将增加汽车企业车型设计选材的难度，加大汽车制造成本，同时在冲压过程中造成材料浪费，亦或增加冲压废品率。
传统的汽车用钢板冲压性能的判别，主要依托于两个方面。一是材料本身的基础力学性能，如抗拉强度、屈服强度、断后伸长率、加工硬化指数n值、塑性应变比r值，若这些参数满足国家标准规定的性能指标，就意味着材料是合格的，是满足客户的使用需求的。二是根据用户现场的实际冲压情况来评价，如果钢板在冲压过程中没有出现明显的冲压开裂就认为达到用户所需；相反，如果出现冲压开裂的缺陷，就需要更换材料。传统的判别方法对于现代化汽车生产企业来说太过笼统，已无法满足汽车零部件选材的高标准要求，极易造成材料的浪费或直接导致冲压材料废品率过高。同时，这种传统判别方法具有一定的偶然性和局限性，判别窗口范围太广泛，也没有固定的判别参照物或是对比物，无法对汽车钢板的冲压性能做一个准确地评估，因而无法实际推广到板材冲压一线生产中。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种用极限破裂厚度减薄率判别汽车钢板冲压成形性能的方法。旨在克服传统判别方法的缺陷，适应汽车用钢板实际现场冲压需求，既能准确地评价汽车用钢板的实际冲压性能，又能保证选材的准确性，大大提高生产效率。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
用极限破裂厚度减薄率判别汽车钢板冲压成形性能的方法，其首先获得钢板本身的极限破裂厚度减薄率，其次获得同种钢板在实际冲压之后得到的最大厚度减薄率，最后将极限破裂厚度减薄率与实际冲压得到的最大厚度减薄率进行比较，具体包括如下步骤：
1)获得钢板极限破裂厚度减薄率
a、按照GB/T 4156-2007《金属材料薄板和薄带埃里克森杯突试验》制作长度均为L，宽度为C的N个试样；140mm≤L≤180mm，20mm≤C≤180mm，N≥5；
b、通过电化学腐蚀或者手绘的方法，在N个试样表面印制尺寸为H0×H0的方形网格，进行埃里克森试验；2mm≤H0≤4mm
c、利用图像采集系统实时观测试验过程中的网格变化，若网格尺寸变为H1×H2，设定方形网格长轴的应变为主应变ε1，短轴的应变为次应变ε2，则ε1＝ln(H1/H0)，ε2＝ln(H2/H0)；
d、将方形网格作为一个单元，其初始厚度为B0，其初始体积为H0×H0×B0；变形后厚度为B1，体积为H1×H2×B1。根据体积不变原理，可知B1＝(H0×H0×B0)/(H1×H2)；其厚度减薄率ΔB按下列公式计算：
Figure BDA0002939521480000021
e、使用网格应变分析法测定试样上的极限应变，用于测量和计算极限应变的网格称为临界网格，临界网格的选择是位于颈缩部位、但未破裂的网格，或是紧靠颈缩或裂纹的网格。进而确定N个试样每个的成形极限点，获得成形极限点的次应变ε2和极限破裂厚度减薄率；
f、将次应变ε2与极限破裂厚度减薄率进行曲线拟合，获得拟合曲线，从拟合曲线中，获得厚度减薄率最小值的点，即为该材料的极限破裂厚度减薄率Δt；
2)获得同种钢板在实际冲压之后的最大厚度减薄率
a、同种汽车钢板在实际冲压之前，在已经落料后的钢板上通过电化学腐蚀或者手绘的方法印制方形网格；方形网格尺寸为2mm～4mm；
b、将印制好网格的板料进行实际冲压，用网格应变分析仪对冲压后的板料进行表面网格扫描，并传输到计算机，利用计算机扫描出网格线，获得网格区域的主应变以及次应变，进而计算出网格区域的最大厚度减薄率，记为Δs；
3)极限破裂厚度减薄率与实际冲压得到的最大厚度减薄率进行比较
将冲压件网格区域的最大厚度减薄率Δs与材料的极限破裂厚度减薄率Δt进行比较，若Δt﹣Δs≥5％，则判定该汽车板的冲压性能满足实际成形要求，并且差值越大，表明该汽车板的冲压性能越好。
与现有方法相比，本发明的有益效果是：
本发明将汽车用钢板的应用性能与金属材料的应力应变联系起来，将汽车用钢板的冲压性能与厚度减薄率结合在一起。先通过埃里克森试验以及网格应变分析系统，根据金属塑性成形体积不变原理获得材料的极限破裂厚度减薄率；在通过测量汽车用钢板在实际冲压过程中的主应变、次应变，计算出厚度变化，进而得到实际冲压过程中的最大厚度减薄率；将极限破裂厚度减薄率与实际冲压的最大厚度减薄率进行对比，从而对汽车用钢板的冲压性能做出准确的判别。
本发明将极限破裂厚度减薄率引入到判别方法中，将判别方法量化、细化，克服了传统判别方法存在的结论含糊不清的问题，可极大提高汽车用钢板冲压性能判别的准确性。在准确地评价汽车用钢板冲压性能的同时，还可以保证冲压选材的准确性，提高汽车零部件冲压的生产效率，降低加工成本。同时，本发明方法可随时应用于实际冲压工作现场，不受工作环境等因素的限制。可以广泛推广使用于生产一线，操作简单，容易掌握。
附图说明
图1为本发明做埃里克森试验试样图；
图2为本发明做埃里克森试验试样的试验结果图；
图3为本发明埃里克森试验所得成形极限点的次应变与极限破裂厚度减薄率拟合曲线；
图4为本发明印制有方形网格的已落料好未冲压成形的金属薄板；
图5为本发明实施例1中DC04在流水槽零部件实际冲压中所得的最大厚度减薄率图；
图6为本发明实施例2中DP980在后排座椅上横梁零部件实际冲压中所得的最大厚度减薄率图。
具体实施方式
本发明公开了一种用极限破裂厚度减薄率判别汽车钢板冲压成形性能的方法。本领域技术人员可以借鉴本文内容，适当改进工艺参数实现。特别需要指出的是，所有类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都被视为包括在本发明。本发明的方法及应用已经通过较佳实施例进行了描述，相关人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法和应用进行改动或适当变更与组合，来实现和应用本发明技术。
【实施例1】
某车型前端流水槽零部件的冲压成形，应用材料为厚度0.7mm的超低碳钢DC04。
(1)利用线切割或激光切割将DC04汽车板制作一组长度均为180mm，宽度依次为20mm、60mm、80mm、100mm、120mm、140mm、160mm、180mm的8个试样，见图1。
(2)分别对8个试样表面采用电化学腐蚀或手绘的方法印制2.0mm×2.0mm的网格，进行埃里克森试验，试样的试验结果见图2。
(3)利用图像采集系统实时观测试验过程中的网格变化，某一时刻网格尺寸变为2.4mm×2.1mm，那么设定方形网格长轴的应变为主应变ε1，短轴的应变为次应变ε2，可得ε1＝ln(H1/H0)＝ln(2.4/2.0)＝0.182，ε2＝ln(H2/H0)＝ln(2.1/2.0)＝0.049。
(4)根据金属塑性成形过程中体积不变的原理，其初始厚度为0.7mm，其初始体积为2.0mm×2.0mm×0.7mm；变形后厚度为B1，体积为2.4mm×2.1mm×B1，那么B1＝(2.0mm×2.0mm×0.7mm)/(2.4mm×2.1mm)＝0.556；那么其厚度减薄率ΔB可按下列公式计算：
Figure BDA0002939521480000041
可得：ΔB＝20.6％。
(5)采用破裂线回归的方法(使用网格应变分析法测定试样上的极限应变，用于测量和计算极限应变的网格称为临界网格，临界网格的选择是位于颈缩部位、但未破裂的网格，或是紧靠颈缩或裂纹的网格)确定每个试样的成形极限点，进而得到成形极限点的次应变以及极限破裂厚度减薄率。
(6)将次应变ε2与极限破裂厚度减薄率进行曲线拟合，见图3。利用数学方法求出拟合曲线最小值的点，即为DC04的极限破裂厚度减薄率Δt。本实施例中测得DC04钢的极限破裂厚度减薄率Δt值为31.1％。
(7)在流水槽零部件的实际冲压现场，先将已落好料待冲压的板料表面印制4.0mm×4.0mm方形网格，见图4，之后进行冲压。
(8)将冲压后的板料利用便携式网格应变分析仪进行网格扫描以及处理工作，获得板料表面网格的主、次应变值，利用公式计算，可得到冲压件在该区域的冲压减薄率云图，见图5，并获得该区域的冲压最大厚度减薄率。实施例1中DC04在流水槽零部件实际冲压过程中该区域的最大厚度减薄率Δs为19.5％。
(9)将冲压件网格区域的最大厚度减薄率Δs与材料的极限破裂厚度减薄率Δt进行比较，可知Δt-Δs＝31.1％-19.5％＝11.6％，大于5％的安全裕度，说明实施例1中DC04钢的冲压成形性能满足该流水槽零部件的实际冲压要求。
【实施例2】
某车型后排座椅上横梁零部件的冲压成形，应用材料为厚度1.2mm的高强钢DP980。
(1)利用线切割或激光切割将高强钢DP980制作一组长度均为180mm，宽度依次为20mm、60mm、80mm、100mm、120mm、140mm、160mm、180mm的8个试样。
(2)分别对8个试样表面采用电化学腐蚀或手绘的方法印制2.0mm×2.0mm的网格，进行埃里克森试验。
(3)利用图像采集系统实时观测试验过程中的网格变化，某一时刻网格尺寸变为2.6mm×1.7mm，那么设定方形网格长轴的应变为主应变ε1，短轴的应变为次应变ε2，可得ε1＝ln(H1/H0)＝ln(2.6/2.0)＝0.262，ε2＝ln(H2/H0)＝ln(1.7/2.0)＝-0.163。
(4)根据金属塑性成形过程中体积不变的原理，其初始厚度为1.2mm，其初始体积为2.0mm×2.0mm×1.2mm；变形后厚度为B2，体积为2.6mm×1.7mm×B2，那么B2＝(2.0mm×2.0mm×1.2mm)/(2.6mm×1.7mm)＝1.085；那么其厚度减薄率ΔB可按下列公式计算：
Figure BDA0002939521480000051
可得：ΔB＝9.50％。
(5)采用破裂线回归的方法(使用网格应变分析法测定试样上的极限应变，用于测量和计算极限应变的网格称为临界网格，临界网格的选择是位于颈缩部位、但未破裂的网格，或是紧靠颈缩或裂纹的网格)确定每个试样的成形极限点，进而得到成形极限点的次应变以及极限破裂厚度减薄率。
(6)将次应变ε2与极限破裂厚度减薄率进行曲线拟合。利用数学方法求出拟合曲线最小值的点，即为DP980的极限破裂厚度减薄率Δt。本实施例中测得DP980钢的极限破裂厚度减薄率Δt值为22.1％。
(7)在后排座椅上横梁零部件的实际冲压现场，先将已落好料待冲压的板料表面印制4.0mm×4.0mm方形网格，之后进行冲压。
(8)将冲压后的板料利用便携式网格应变分析仪进行网格扫描以及处理工作，获得板料表面网格的主、次应变值，利用公式计算，可得到冲压件在该区域的冲压减薄率云图，见图6，并获得该区域的冲压最大厚度减薄率。实施例2中DP980在后排座椅上横梁零部件实际冲压过程中该区域的最大厚度减薄率Δs为18.6％。
(9)将冲压件网格区域的最大厚度减薄率Δs与材料的极限破裂厚度减薄率Δt进行比较，可知Δt-Δs＝22.1％-18.6％＝3.5％，小于5％的安全裕度，说明实施例2中DP980钢的冲压成形性能不满足该流水槽零部件的实际冲压要求，极易产生隐裂或开裂的缺陷。
本发明将汽车用钢板的应用性能与金属材料的应力应变联系起来，将汽车用钢板的冲压性能与厚度减薄率结合在一起。先通过埃里克森试验以及网格应变分析系统，根据金属塑性成形体积不变原理获得材料的极限破裂厚度减薄率；在通过测量汽车用钢板在实际冲压过程中的主应变、次应变，计算出厚度变化，进而得到实际冲压过程中的最大厚度减薄率；将极限破裂厚度减薄率与实际冲压的最大厚度减薄率进行对比，从而对汽车用钢板的冲压性能做出准确的判别。
本发明将极限破裂厚度减薄率引入到判别方法中，将判别方法量化、细化，克服了传统判别方法存在的结论含糊不清的问题，可极大提高汽车用钢板冲压性能判别的准确性。在准确地评价汽车用钢板冲压性能的同时，还可以保证冲压选材的准确性，提高汽车零部件冲压的生产效率，降低加工成本。同时，本发明方法可随时应用于实际冲压工作现场，不受工作环境等因素的限制。可以广泛推广使用于生产一线，操作简单，容易掌握。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.用极限破裂厚度减薄率判别汽车钢板冲压成形性能的方法，其特征在于，首先获得钢板本身的极限破裂厚度减薄率，其次获得同种钢板在实际冲压之后得到的最大厚度减薄率，最后将极限破裂厚度减薄率与实际冲压得到的最大厚度减薄率进行比较，具体包括如下步骤：
1)获得钢板极限破裂厚度减薄率
a、按照GB/T 4156-2007《金属材料薄板和薄带埃里克森杯突试验》制作长度均为L，宽度为C的N个试样；
b、通过电化学腐蚀或者手绘的方法，在N个试样表面印制尺寸为H0×H0的方形网格，进行埃里克森试验；
c、利用图像采集系统实时观测试验过程中的网格变化，若网格尺寸变为H1×H2，设定方形网格长轴的应变为主应变ε1，短轴的应变为次应变ε2，则ε1＝ln(H1/H0)，ε2＝ln(H2/H0)；
d、将方形网格作为一个单元，其初始厚度为B0，其初始体积为H0×H0×B0；变形后厚度为B1，体积为H1×H2×B1；根据体积不变原理，可知B1＝(H0×H0×B0)/(H1×H2)；其厚度减薄率ΔB按下列公式计算：
Figure FDA0002939521470000011
e、使用网格应变分析法测定试样上的极限应变，用于测量和计算极限应变的网格称为临界网格，临界网格的选择是位于颈缩部位、但未破裂的网格，或是紧靠颈缩或裂纹的网格；进而确定N个试样每个的成形极限点，获得成形极限点的次应变ε2和极限破裂厚度减薄率；
f、将次应变ε2与极限破裂厚度减薄率进行曲线拟合，获得拟合曲线，从拟合曲线中，获得厚度减薄率最小值的点，即为该材料的极限破裂厚度减薄率Δt；
2)获得同种钢板在实际冲压之后的最大厚度减薄率
a、同种汽车钢板在实际冲压之前，在已经落料后的钢板上通过电化学腐蚀或者手绘的方法印制方形网格；方形网格尺寸为2mm～4mm；
b、将印制好网格的板料进行实际冲压，用网格应变分析仪对冲压后的板料进行表面网格扫描，并传输到计算机，利用计算机扫描出网格线，获得网格区域的主应变以及次应变，进而计算出网格区域的最大厚度减薄率，记为Δs；
3)极限破裂厚度减薄率与实际冲压得到的最大厚度减薄率进行比较
将冲压件网格区域的最大厚度减薄率Δs与材料的极限破裂厚度减薄率Δt进行比较，若Δt﹣Δs≥5％，则判定该汽车钢 板的冲压性能满足实际成形要求，并且差值越大，表明该汽车钢 板的冲压性能越好。
2.根据权利要求1所述的用极限破裂厚度减薄率判别汽车钢板冲压成形性能的方法，其特征在于，所述步骤1中140mm≤L≤180mm，20mm≤C≤180mm，N≥5。
3.根据权利要求1所述的用极限破裂厚度减薄率判别汽车钢板冲压成形性能的方法，其特征在于，所述步骤1中2mm≤H0≤4mm。
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