一種薄板成形加工的網(wǎng)格應(yīng)變分析方法及其應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】一種薄板成形加工的網(wǎng)格應(yīng)變分析方法及其應(yīng)用，涉及汽車及小五金等金屬材料成形生產(chǎn)技術(shù)，先在金屬板材工件成形的集中極限應(yīng)變區(qū)內(nèi)、于金屬板材表面直接刻劃邊長(zhǎng)相同的網(wǎng)格線；沖壓變形加工后，測(cè)量集中極限應(yīng)變區(qū)內(nèi)的起皺或開裂所屬網(wǎng)格線的直接變形值。根據(jù)計(jì)算所得的各變形率情況，分別進(jìn)行調(diào)整工藝。本發(fā)明方法可隨時(shí)用于沖壓工作現(xiàn)場(chǎng)，基本不受條件限制。本方法可廣泛推廣使用于生產(chǎn)一線，成本低、易掌握。
【專利說明】一種薄板成形加工的網(wǎng)格應(yīng)變分析方法及其應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及汽車及小五金等金屬材料成形生產(chǎn)技術(shù)，特別是解決沖壓生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)成形零件起皺、開裂、回彈等問題的薄板制成的復(fù)雜形狀的加工【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]在沖壓生產(chǎn)中，當(dāng)應(yīng)變值大于板材延伸率時(shí)，板材就會(huì)開裂；當(dāng)應(yīng)變值為負(fù)至一定值或在無約束狀態(tài)相鄰部位應(yīng)變值變化較大時(shí)，板材就會(huì)起皺、回彈。
[0003]為得到工件成形前后相應(yīng)部位材料應(yīng)變情況，科研院所實(shí)驗(yàn)室采用了一種測(cè)量方法即“網(wǎng)格應(yīng)變分析法”。其方法是在預(yù)成形板材的成形后可能起皺或開裂趨勢(shì)部位(一般是集中極限應(yīng)變區(qū))制作座標(biāo)圓格，通過測(cè)算試驗(yàn)成形前后座標(biāo)相鄰的圓格網(wǎng)格距離的變化，獲得材料成形性能相關(guān)數(shù)據(jù)，如金屬材料的拉延系數(shù)、最小彎曲半徑、回彈等科學(xué)數(shù)值；也可通過了解材料沖壓過程中應(yīng)力方向和應(yīng)變情況，制定改善金屬成形加載條件，從而最終得到符合要求的沖壓工件。
[0004]由于該方法是在板材上所得到圓格網(wǎng)格線用電化學(xué)浸蝕法或照相制版化學(xué)腐蝕法所得，雖然精度高，但其成本高、操作工藝繁雜、成本高，一般人員較難完全掌握，所以網(wǎng)格應(yīng)變分析方法過去僅限于科研院所或大型企業(yè)科研所(室)對(duì)薄板材料的成形性能的研究，無法規(guī)?；茝V于一線實(shí)際生產(chǎn)中。
[0005]汽車薄板沖壓零件成形件質(zhì)量的好壞很大程度上取決于對(duì)特定加載條件下金屬變形過程的控制能力，變形過程中施加于金屬薄板上的外力將導(dǎo)致金屬流動(dòng)，并對(duì)零件最終質(zhì)量產(chǎn)生重要影響。
[0006]現(xiàn)今汽車零件計(jì)算機(jī)模擬成形已廣泛使用于成形模具設(shè)計(jì)，其原始數(shù)據(jù)來源于實(shí)驗(yàn)室的網(wǎng)格應(yīng)變分析方法，由于實(shí)際材料及工作參數(shù)與理論數(shù)值差異，而且正常沖壓生產(chǎn)過程中模具局部會(huì)發(fā)生磨損，另外壓機(jī)工作參數(shù)、板材材質(zhì)成形性能參數(shù)等方面變化都會(huì)造成成形工件缺陷，所以實(shí)際生產(chǎn)中往往需最后調(diào)整諸如修改局部工藝補(bǔ)充面、調(diào)整壓料等措施。如何快速進(jìn)行調(diào)整，是高效生產(chǎn)的一個(gè)關(guān)鍵，也是目前業(yè)內(nèi)研究的課題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明目的在于提出一種方便生產(chǎn)操作、能實(shí)現(xiàn)快速調(diào)整的薄板成形加工的網(wǎng)格應(yīng)變分析方法。
[0008]本發(fā)明步驟如下:
1)沖壓前，在金屬板材工件成形的集中極限應(yīng)變區(qū)內(nèi)、于金屬板材表面直接刻劃邊長(zhǎng)相同的網(wǎng)格線；
2)沖壓變形加工后，測(cè)量集中極限應(yīng)變區(qū)內(nèi)的起皺或開裂所屬網(wǎng)格線的直接變形值；
3)計(jì)算各變形率。
[0009]本發(fā)明方法可隨時(shí)用于沖壓工作現(xiàn)場(chǎng)，基本不受條件限制。網(wǎng)格線可用鉗工劃針劃制，(根據(jù)無數(shù)次實(shí)驗(yàn)結(jié)果，劃痕對(duì)成形影響極小，用于沖壓現(xiàn)場(chǎng)可忽略不計(jì)，)本方法可廣泛推廣使用于生產(chǎn)一線，成本低、易掌握。
[0010]為了提高測(cè)量精確度，劃線時(shí)盡可能地將網(wǎng)格線的邊長(zhǎng)垂直于最大拉延應(yīng)變作用力的方向。
[0011]本發(fā)明還提出以下方法在沖壓金屬件加工中的應(yīng)用。
[0012]有三種基本應(yīng)變結(jié)果和三種相應(yīng)的解決方法:
一、當(dāng)工件出現(xiàn)開裂或有開裂趨勢(shì)，那么該部位網(wǎng)格線成形前后變化測(cè)算后et值一定為正，且大于該材料本身延伸率值。
[0013]解決方法為以下其中一項(xiàng)或多項(xiàng):
1、降低伸長(zhǎng)方向的壓料力；
2、增加相應(yīng)局部(非零件需要部位)的工藝切口，調(diào)整坯料形狀、尺寸，改善材料應(yīng)變流動(dòng)條件；
3、按工件成形延伸率需求更換原材料，使材料本身的延伸率大于工件最大應(yīng)變et值。
[0014]二、當(dāng)工件出現(xiàn)起皺或有起皺趨勢(shì)，那么該區(qū)域網(wǎng)格線成形后相鄰部位一定變化較大，或局部et值一定為負(fù)。相鄰部位et值變化造成起皺與工件結(jié)構(gòu)形狀相關(guān)，也和材料應(yīng)變硬化指數(shù)η值、塑性應(yīng)變比r值相關(guān)。
[0015]解決方法為以下其中一項(xiàng)或多項(xiàng):
1、加大變壓縮方向的壓料力；
2、增加相應(yīng)局部(非零件需要部位)的工藝凸包，調(diào)整坯料形狀、尺寸，改變工藝補(bǔ)充面，改善材料應(yīng)變流動(dòng)條件；
3、更換與工件成形需求相符的材料應(yīng)變硬化指數(shù)η值、塑性應(yīng)變比r值相適應(yīng)的原材料。
[0016]三、當(dāng)工件出現(xiàn)回彈現(xiàn)象，那么該區(qū)域網(wǎng)格線成形前后變化測(cè)算后et值一定小于該金屬板材達(dá)到完全塑性變形要求的延伸率。即該部位變形是塑性變形與彈性變形結(jié)合體，當(dāng)脫離模具約束后，工件變形與沖壓要求形狀不符，出現(xiàn)回彈。解決方法為以下其中一項(xiàng)或多項(xiàng):
1、加大變形率不足方向的壓料力；
2、增加相應(yīng)局部(非零件需要部位)的工藝成形臺(tái)階，增大局部變形拉力，使工件參與變形材料部位得到該材料完全塑性變形伸長(zhǎng)率值的要求；
3、增加沖壓工序，進(jìn)一步整形，以達(dá)到設(shè)計(jì)的成形要求。
[0017]本發(fā)明特點(diǎn):
1、在模具制造中，根據(jù)成形前后網(wǎng)格線變化情況判斷應(yīng)力應(yīng)變方向，確定修改工藝補(bǔ)充面形狀、或增加工藝切口、調(diào)整局部壓邊力，改善成形加載條件，控制金屬變形過程。使模具工鉗工完成對(duì)模具最后調(diào)試、局部修改，得到成形件坯料最終尺寸、形狀更合理、工件質(zhì)量在可控制狀態(tài)。
[0018]2、運(yùn)用于正常沖壓生產(chǎn)過程中模具局部磨損、壓機(jī)工作參數(shù)、板材材質(zhì)成形性能參數(shù)等方面變化造成的成形工件缺陷，調(diào)整維護(hù)模具或修改壓機(jī)工作參數(shù)等相關(guān)措施；檢測(cè)原材料成形性能相關(guān)參數(shù)是否符合工件成形要求。
[0019]3、為節(jié)約生產(chǎn)成本調(diào)整原坯料尺寸、形狀或改變?cè)牧铣尚涡阅艿燃?jí)牌號(hào)。運(yùn)用網(wǎng)格應(yīng)變分析技術(shù)優(yōu)化模具。[0020]4、新方法可隨時(shí)用于沖壓工作現(xiàn)場(chǎng)，基本不受條件限制。網(wǎng)格線可用鉗工劃針劃制(根據(jù)無數(shù)次實(shí)驗(yàn)結(jié)果，劃痕對(duì)成形影響極小，用于沖壓現(xiàn)場(chǎng)可忽略不計(jì))，可廣泛推廣使用于生產(chǎn)一線，成本低、易掌握。
[0021]5、在沖壓生產(chǎn)企業(yè)可用于沖壓現(xiàn)場(chǎng)快速判斷解決成形件存在的缺陷，并給企業(yè)為節(jié)約成本改變?cè)牧闲螤?、尺寸和改變?cè)牧铣尚涡阅艿燃?jí)牌號(hào)，給技術(shù)人員、模具鉗工做出合理決定提供科學(xué)的數(shù)據(jù)參考。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1為刻劃了方形格的未變形加工前的金屬簿板圖形。
[0023]圖2為圖1的金屬簿板單向拉伸變形后狀態(tài)圖。
[0024]圖3為金屬簿板雙向拉伸變形后狀態(tài)圖。
[0025]圖4為金屬簿板一方向受拉伸，另一方向受壓縮變形后狀態(tài)圖。
[0026]圖5為某車的后輪罩的 0P20成形圖樣。
[0027]圖6為某車的前圍下部加強(qiáng)板在初步?jīng)_壓后出現(xiàn)開裂的照片。
[0028]圖7為圖6的成形材料在改善后的成形照片。
[0029]圖8為某車型落水槽的過程工序照片。
[0030]圖9為成形后的圖8零件圖。
【具體實(shí)施方式】
[0031]一、薄板成形加工的網(wǎng)格應(yīng)變分析方法:
圖1為在未變形的無負(fù)載(無外力)條件下的一般金屬簿板。該材料上劃有ItlXlcl的正方格以便測(cè)量材料的變形。為了簡(jiǎn)化起見，IclXlciS格沒有特定的定位。應(yīng)該提到的是，由于簡(jiǎn)化的原故在處理時(shí)忽略了厚度方向的應(yīng)變，厚度方向的應(yīng)變可以由變形過程中假定體積不變，根據(jù)測(cè)量表面的應(yīng)變加以計(jì)算。
[0032]圖2表示了上述金屬板在A-A方向受拉力Fa變形后的情況。顯然金屬板將在拉力Fa的方向上伸長(zhǎng)，產(chǎn)生應(yīng)變的金屬板表面的邊長(zhǎng)變?yōu)镮a (如圖2中的實(shí)線所示)，并大于I。，Ia為與拉力Fa平行的方向的邊長(zhǎng),在拉力Fa方向上的應(yīng)變百分率(即伸長(zhǎng)率)由下列公式計(jì)算:
(It-10)/10X 100=e (%)
其中It為沖壓成形后的該網(wǎng)格邊長(zhǎng)的長(zhǎng)度1A，因此eA為拉力Fa方向(A-A)的伸長(zhǎng)率或應(yīng)變百分?jǐn)?shù)eA為:
(Ia-10)/10 X 100=eA(%)
如圖2所示的在一個(gè)方向施加外力只是施加在金屬板上的很多種外力條件的一種情況。
[0033]如圖3所不，未變形加工前的金屬簿板上最初(無負(fù)載時(shí))所刻劃的方格尺寸ItlX Itl,以虛線表示。
[0034]在所施加的兩個(gè)外力方向沿相互垂直的軸向上產(chǎn)生應(yīng)變，簿板表面不僅沿A-A軸向而且沿B-B軸向產(chǎn)生伸長(zhǎng)，應(yīng)變后沿A-A軸向的長(zhǎng)度為1A，沿B-B軸向的長(zhǎng)度為1B，形成的新的面積為IaX Ib，在兩個(gè)方向上的每一應(yīng)變?nèi)缟鲜鰡蜗驊?yīng)變那樣來決定。圖3所示的應(yīng)變條件就是所謂的雙向拉脹狀態(tài)。所施加的外力不需要相等，也不必要在兩個(gè)方向上產(chǎn)生相同的應(yīng)變，雙軸拉脹僅有的判據(jù)是:簿板表面的最后尺寸在表面的兩個(gè)主方向上都比原始尺寸大。變形的結(jié)果就是使簿板變簿。
[0035]如圖4所不,在施加于金屬簿板上的外力作用下變形情況。應(yīng)變前的刻劃的方格尺寸IciXlci,以虛線表示。
[0036]應(yīng)變后，圖中沿A-A軸方向拉力使材料伸長(zhǎng)，變成1A。沿B-B軸方向，壓縮力的作用促使材料收縮，變成1B。這種情 況下產(chǎn)生的應(yīng)變可以用上述例子相似的方法計(jì)算。由于外力的作用，方格的尺寸變?yōu)镮aX 1B。Ia平行于A-A軸的拉力方向，Ib平行于B-B軸的壓縮力方向，在A-A方向的伸長(zhǎng)率(應(yīng)變)為:
(Ia-10)/10 X 100=eA(%)
B-B方向的應(yīng)變?yōu)?
(Ib-10)/10 X 100=eB(%)
注意，由于:1B〈 lo，沿B-B方向應(yīng)變率為負(fù)值。
[0037]對(duì)于前兩個(gè)例子，由于拉伸力力圖使材料沿拉力方向變長(zhǎng)，沿所施加外力的方向上的應(yīng)變?yōu)檎?。然而沿B-B軸，在現(xiàn)在這種情況下的壓縮力則力圖壓擠材料，使材料壓緊，沿B-B為負(fù)應(yīng)變，即在一個(gè)方向上材料產(chǎn)生伸長(zhǎng)正應(yīng)變，另一個(gè)方向產(chǎn)生壓縮負(fù)應(yīng)變。這種情況下，材料局部可能增厚、變簿或保持不變。
[0038]上述例子中，采用了帶有方格的簿板來測(cè)量和描述可能發(fā)生的基本應(yīng)變狀態(tài)。這些例子的一個(gè)重要方面是所用的力都作用在所刻劃的方格邊長(zhǎng)的垂直方向上。如果力作用在非垂直方向上，要決定應(yīng)變就必須作更復(fù)雜處理。因而在日常成形過程中為了測(cè)量應(yīng)變，生產(chǎn)一線采用(工作現(xiàn)場(chǎng)鉗工劃線所得的)方格劃線法，以得到零件集中極限應(yīng)變區(qū)材料應(yīng)變狀態(tài)，解決成形工件開裂或起皺、回彈等缺陷。
[0039]二、沖壓生產(chǎn)應(yīng)用:
通常試驗(yàn)后有三種基本應(yīng)變結(jié)果和三種相應(yīng)的解決方法:
1、采用所述分析方法計(jì)算出的變形率為正值且得到或超過該材料延伸率上限時(shí)(工件開裂或開裂趨勢(shì))，或降低所述變形率方向的壓料力，或增加相應(yīng)部位的工藝切口，或更換伸長(zhǎng)率大于工件最大變形率的原材料。
[0040]2、采用所述分析方法計(jì)算出的變形率為負(fù)值時(shí)(工件起皺或起皺趨勢(shì))，或加大所述變形率方向的壓料力，或增加該部位的工藝凸包量，或更換與工件成形需求相符的材料應(yīng)變硬化指數(shù)η值、塑性應(yīng)變比r值相適應(yīng)的原材料。
[0041]3、采用所述分析方法計(jì)算出的變形率小于該材料達(dá)到完全塑性變形要求的延伸率(一般要求大于3%)時(shí)，工件出現(xiàn)回彈現(xiàn)象，或加大所述變形率方向的壓料力，或在該部位設(shè)計(jì)臺(tái)階，或再增加一次沖壓變形工序。
[0042]具體應(yīng)用實(shí)例:
1、解決工件出現(xiàn)開裂或有開裂趨勢(shì)，優(yōu)化成形模具的穩(wěn)定性，降低生產(chǎn)報(bào)廢率。
[0043]成形模具的穩(wěn)定性與產(chǎn)品的報(bào)廢率息息相關(guān)，通過網(wǎng)格應(yīng)變分析技術(shù)，可以改善材料的局部成形條件，降低模具對(duì)壓機(jī)參數(shù)重復(fù)性誤差的敏感度，從而達(dá)到降低生產(chǎn)報(bào)廢率、提聞材料率的目標(biāo)。
[0044]某車型后輪罩(見圖5)0P20成形模，為對(duì)稱設(shè)計(jì)，為了改善成形條件，設(shè)計(jì)了刺破刀口，但在生產(chǎn)中經(jīng)常造成工件拉伸破裂，報(bào)廢率一度高達(dá)1.52%左右，并且由于經(jīng)常需要在線維修，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率。運(yùn)用網(wǎng)格應(yīng)變分析技術(shù)進(jìn)行分析后，發(fā)現(xiàn)刺破刀口形狀、尺寸不夠合理。通過對(duì)刺破口形狀、尺寸、拉延筋位置調(diào)整，改變了局部成形過程材料走向，改善了板料成形條件，零件報(bào)廢率穩(wěn)定下降到0.20%以下，僅此一項(xiàng)，節(jié)約材料2.2萬元/年。
[0045]某車型側(cè)圍外板生產(chǎn)報(bào)廢率在4.8%左右，運(yùn)用網(wǎng)格應(yīng)變分析技術(shù)分析后，對(duì)成形模工藝補(bǔ)充面作了部分增改，調(diào)整了局部阻料筋高度和位置，改善了板料成形條件，零件報(bào)廢率從4.8%下降為不到1.2%，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益21.7萬元/年。
[0046]2、正確使用材料，減少零件報(bào)廢:
如圖6所示，某車型前圍下部加強(qiáng)板0P30成形件有一部位常出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，多次調(diào)整模具一直未能解決問題。運(yùn)用網(wǎng)格應(yīng)變分析技術(shù)進(jìn)行分析后，發(fā)現(xiàn)開裂發(fā)生于該板材軋制垂直方向，該材料軋制方向和垂直軋制方向有一定差值，其材料垂直軋制方向延伸率處于該板材延展率的下限。發(fā)現(xiàn)問題后，調(diào)整了材料下料方法，將發(fā)生開裂處調(diào)整為板材軋制方向，徹底解決了成形開裂問題，形成的效果如圖7所示。
[0047]3、優(yōu)化工藝補(bǔ)充面，提高材料利用率:
為了創(chuàng)造良好的拉伸條件，避免零件表面出現(xiàn)開裂和起皺等缺陷，通常需要將產(chǎn)品外邊展開，添補(bǔ)工藝補(bǔ)充面，以形成一個(gè)合理的拉伸形狀，使得工藝補(bǔ)充面成為零件拉伸過程中不可缺少的組成部分。但工藝補(bǔ)充面本身并不會(huì)成為零件的一部分，在后續(xù)工序?qū)⒎执吻谐蔀闆_壓廢料，因此工藝補(bǔ)充面是否合理影響到材料的利用率，工藝補(bǔ)充面的優(yōu)化也成為提高材料利用率的重要途徑。
[0048]4、回彈問題解決的實(shí)例:
圖8、9是某車型落水槽零件，為了節(jié)約原材料該件在模具制造時(shí)采用左右件對(duì)稱組合拉伸成形。圖8為過程工序件，圖9為成形后的零件。
[0049]該零件側(cè)面與底面形位公差位置度要求高，相對(duì)基準(zhǔn)位置度公差要求在0.2毫米范圍內(nèi)，由于底面有弧面且側(cè)面形狀局部帶有臺(tái)階、凸臺(tái)、孔等問題，工件成形切邊后局部位置就產(chǎn)生了回彈，經(jīng)采用網(wǎng)格應(yīng)變分析方法發(fā)現(xiàn)，零件成形參與變形局部區(qū)域網(wǎng)格線成形前后變化測(cè)算后et值小于該金屬板材達(dá)到完全塑性變形要求的延伸率，依靠單一調(diào)整壓邊力方式難以實(shí)現(xiàn)全部滿足零件尺寸要求。后采用了添加沖壓整形工序方法，確保了零件的質(zhì)量要求。
[0050]工件成形形狀在參與變形相鄰區(qū)域曲率變化大，局部變形小，即局部區(qū)域網(wǎng)格線成形前后變化測(cè)算后et值小于該金屬板材達(dá)到完全塑性變形要求的延伸率，該部位就會(huì)發(fā)生“回彈”現(xiàn)象，一般此問題難以單靠調(diào)整壓邊力解決問題，需在對(duì)應(yīng)區(qū)域增加工藝凸包，改善成形變形條件。如無法增加，須采用添加沖壓整形工序給予解決。
【權(quán)利要求】
1.一種薄板成形加工的網(wǎng)格應(yīng)變分析方法，其特征在于包括以下步驟: 1)沖壓前，在金屬板材的集中極限應(yīng)變區(qū)內(nèi)、于金屬板材表面直接刻劃邊長(zhǎng)相同的網(wǎng)格線； 2)沖壓變形加工后，測(cè)量集中極限應(yīng)變區(qū)內(nèi)的起皺或開裂所屬網(wǎng)格線的直接變形值； 3)計(jì)算各變形率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其特征在于網(wǎng)格線的邊長(zhǎng)垂直與最大拉延變形作用力的方向。
3.一種薄板成形加工的網(wǎng)格應(yīng)變分析方法在沖壓金屬件加工中的應(yīng)用，其特征在于采用所述分析方法計(jì)算出的變形率為正值且大于金屬板材本身延伸率值時(shí)。
4.或降低所述變形率方向的壓料力，或增加該部位的工藝切口，或更換延伸率率大于所述變形率的原材料。
5.一種薄板成形加工的網(wǎng)格應(yīng)變分析方法在沖壓金屬件加工中的應(yīng)用，其特征在于采用所述分析方法計(jì)算出的變形率為負(fù)值時(shí)。
6.或加大所述變形率方向的壓料力，或增加該部位的工藝凸包量，或更換與工件成形需求相符的材料應(yīng)變硬化指數(shù)η值、塑性應(yīng)變比r值相適應(yīng)的原材料。
7.一種薄板成形加工的網(wǎng)格應(yīng)變分析方法在沖壓金屬簿板件加工中的應(yīng)用，其特征在于采用所述分析方法計(jì)算出的變形率小于該金屬板材達(dá)到完全塑性變形要求的延伸率。
8.或加大所述變形率方向的壓料力，或在該部位設(shè)計(jì)臺(tái)階，或增加變形沖壓工序。
【文檔編號(hào)】B21C51/00GK103934313SQ201410172169
【公開日】2014年7月23日 申請(qǐng)日期:2014年4月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月28日
【發(fā)明者】王章喜, 楊玉才, 柳學(xué)平, 郭勇 申請(qǐng)人:儀征申威沖壓有限公司