应变分析方法用于汽车零件选材的研究

应变分析方法用于汽车零件选材的研究李立军祝洪川摘要：用08AL、03AL、WIF钢三种板材冲压一种汽车零件，利用应变分析方法评价了三种板材的成形效果，对优化选材进行研究，预测了最佳使用材料的应变硬化指数n值。关键词：成形应变分析选材APPLICATIONOFSTRAINANALYSISMETHODTOAUTOPARTSELECTIONLiLijun（WuahnIron&SteelCorp）ZhuHongchuan（WuahnIron&SteelCorp）Abstract：Automobilepartsofonesimilartypewerestampedanddeformedwithdifferentsteelsheets08AL03ALandWIFasthestartingmaterial,andthentheresultsofformingwereevaluatedusingthestrainanalysismethod.Roadstooptimizethematerialselectionarediscussedandthestrainhardeningexponent(nvalue)ofthemostsuitablematerialispredicted.Keywords：formingstrainanalysismaterialselection1前言在汽车薄钢板零件冲压成形生产中，每种零件都有一个最佳使用材料。用这种材料冲压零件，既可以保证零件完好成形和足够低的冲废率；又能使选用的材料价格性能比最低，用材最经济。以前对零件选材主要是通过现场实际冲压，将零件能否成形作为选材的依据，这种方法不能准确评价材料的成形效果，很难选择最佳使用材料。薄钢板在成形过程中，失效方式主要是应变失效，即成形的应变值达到材料成形极限而导致破裂。用应变测量分析方法，可以定量评价材料的成形效果，并可对零件的最佳选材进行预测［1，2，3］。神龙汽车公司的后盖板右上流水槽零件是富康轿车的一种典型冲压件，本文用应变分析方法对该零件的选材进行了研究。2试验材料和试验过程在富康轿车后盖板右上流水槽零件选材冲压试验中，选用3种武钢产不同冲压级别的冷轧薄钢板作为试验材料，分别为08AL、03AL、WIF钢，板厚均为0.8mm，表1列出了3种钢板的基本成形性能。表13种试验钢板的基本成形性能钢板σ0.2/MPaσb/MPaδ50/%nrΔr08AL205340430.2001.4830.34703AL174325480.2401.7990.567WIF148290510.2702.1040.443冲压成形前，在钢板上用丝网法印上测量应变所用的方网格，方网格的边长为2.5mm。在成形过程中，原始方网格随着钢板流动而变形，对成形后的变形网格进行测量计算，可得到零件成形后的变形情况。在成形后的后盖板右上流水槽零件上，选择11个典型部位作为测试区域，见图1。图1后盖板右上流水槽测试区域示意图利用网格自动应变测量系统(ASAME)［4］对变形的网格进行测量和分析，得到应变分布。ASAME系统可利用钢板的应变硬化指数n值和钢板厚度计算该钢板的成形极限［5］。将应变分布和成形极限合成，得到成形极限图。试验过程中，三种钢板的冲压工艺和下料尺寸一致。3试验结果与讨论3.1零件冲压成形危险部位的确定和主要的变形特点表2、表3、表4分别为用08AL、03AL、WIF板冲压后盖板右上流水槽的各区域应变安全裕度和变形特点。表中“应变安全裕度”表示应变值与材料成形极限的距离，应变安全裕度越小，应变值离成形极限越接近，成形越危险。“拉延”平”表示该区域拉延变形和平面应变变形特点均有，且拉延变形的应变安全裕度最低；“拉延/平/胀形”表示该区域拉延变形、平面应变变形和胀形变形特点均有，且拉延变形的应变安全裕度最低。表2各区域应变安全裕度和变形特点(08AL板)区域123456应变安全全裕度/%3.215.220.618.616.424.8变形特点拉延/平平面应变平面应变平面应变拉延/平拉延/平区域7891011应变安全裕度/%8.718.817.311.614.1变形特点平面应变平面应变平面应变平面应变拉延/平/胀形表3各区域应变安全裕度和变形特点(03AL板)区域123456应变安全全裕度/%8.815.922.222.128.826.1变形特点拉延/平平面应变平面应变平面应变拉延/平拉延/平区域7891011应变安全裕度/%13.725.819.720.422.7变形特点平面应变平面应变平面应变平面应变拉延/平/胀形表4各区域应变安全裕度和变形特点(WIF板)区域123456应变安全全裕度/%11.615.628.125.125.631.4变形特点拉延/平平面应变平面应变平面应变拉延/平拉延/平区域7891011应变安全裕度/%20.226.024.219.619.1变形特点平面应变平面应变平面应变平面应变拉延/平/胀形在测试3种钢板冲压后盖板右上流水槽的应变时，发现在1区域的应变安全裕度最低，尤其是1区域的壁部，它是后盖板右上流水槽成形时应变安全裕度最低的地方，在冲压成形中危险性最大。后盖板右上流水槽的变形特点，主要有拉延和平面应变，胀形相对较小，且胀形的变形特点只出现在11区域。后盖板右上流水槽零件的结构具有弯析和壁部的特点，一般情况下，弯析处主要为平面应变，而壁部主要为拉延，上面分析的变形特点结果与零件的结构特点相适应。3.2三种钢板的成形效果评价将后盖板右上流水槽每个测试区域的成形极限图合成在一起，得到整体应变成形极限图。图2、图3、图4分别表示用08AL、03AL、WIF板冲压后盖板右上流水槽的整个应变成形极限图，应变安全裕度分别为3.2%、8.8%、11.6%。图2整体成形极限图(对应08AL板)图3整体成形极限图(对应03AL板)图4整体成形极限图(对应WIF板)整体成形极限图反映了零件所有典型区域的变形情况，可用来评价钢板的成形效果。根据ASAME系统的特点和生产现场的经验，应变安全裕度应不小于5%，5%作为成形极限之下的安全线，用来保证零件的冲废率足够低。在试验的3种钢板中，08AL板成形的应变安全裕度为3.2%，低于5%，应变安全裕度不够，08AL板的成形性能达不到此零件冲压生产的要求；03AL板成形后的应变安全裕度为8.8%，WIF板成形后的应变安全裕度为11.6%，都高于5%，应变安全裕度较大，对于此零件的冲压生产来说，03AL和WIF板的成形性能都偏高。3.3冲压零件的最佳用材预测由上面的结果可知，冲压后盖板右上流水槽的最佳材料的成形性能应高于08AL板而低于03AL板，即介于08AL板和03AL板之间。在图2、图3、图4的整体成形极限图中，如果忽略每种材料的成形极限，只考察应变大小和应变分布，发现三种钢板，成形后的应变大小和应变分布基本一样，也就是说即使采用这三种不同性能的钢板冲压，成形后的应变大小和应变分布变化很小。因此，假设使用一种成形性能介于08AL板和03AL板之间的最佳使用材料来冲压该零件，成形后的应变大小和应变分布也会与上面三种钢板差不多。可利用ASAME系统中计算模拟的方法对最佳使用材料的性能进行预测［1，2，3］。材料成形极限主要与n值和板厚有关，由于零件板厚是一定的，变动n值就得到不同n值的成形极限。将上面测量的应变值放在不同的成形极限中，得到不同的应变安全裕度。选择优化的应变安全裕度，其成形极限对应的n值就是最佳使用材料所对应的n值。经试验，发现n值为0.220时，应变安全裕度最优，图5、图6、图7分别为08AL、03AL、WIF板冲压后盖板右上流水槽的应变值放在n=0.220的成形极限上的结果，应变安全裕度分别为5.5%、6.5%、6.2%，因此n=0.220的钢板是冲压后盖板右上流水槽的最佳材料。图5预测的成形极限图(08Al板应变值放在n=0.22成形极限上)图6预测的成形极限图(03Al板应变值放在n=0.22成形极限上)图7预测的成形极限图(WIF板应变值放在n=0.22成形极限上)4结论(1)后盖板右上流水槽零件的变形主要有拉延和平面应变，拉延变形的应变安全裕度最低，成形中最危险部们在1区域的壁部。(2)3种不同成形性能钢板成形后的应变大小和应变分布基本一样。(3)用08AL、03AL、WIF板冲压后盖板右上流水槽的应变安全裕度分别是为3.2%、8.8%、11.6%，08AL板的成形性能达不到此零件冲压生产的要求，而03AL和WIF板的成形性能都偏高。冲压后盖板右上流水槽的最佳材料的成形性能介于08AL板和03AL板之间。(4)经优化预测，n=0.220的钢板，是冲压后盖板右上流水槽的最佳使用材料。作者简介：联系人：李立军，工程师，武汉市(430080)武钢技术中心检测所力学室作者单位：李立军（武汉钢铁集团公司）祝洪川（武汉钢铁集团公司）