一、引言

    一汽轎車公司沖壓件常用材料涉及到牌號127種 (同一牌號不同鋼廠的材料計為不同鋼種) 、材料規(guī)格600余種;而目前轎車公司已有的材料數(shù)據(jù)庫較為陳舊, 應(yīng)用舊材料數(shù)據(jù)庫進行CAE模擬分析時, 模擬預(yù)判風(fēng)險項與實際調(diào)試問題產(chǎn)生偏差, 如下頁圖1所示, 就給產(chǎn)品初期評審、供應(yīng)商工藝審核、現(xiàn)場問題調(diào)試的技術(shù)支持帶來了很大的麻煩, 可以看出陳舊的材料數(shù)據(jù)庫已經(jīng)影響甚至阻礙了有限元模擬在指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計和工

二、數(shù)據(jù)庫技術(shù)內(nèi)容

    一個準(zhǔn)確的材料數(shù)據(jù)庫的建立一般包括三方面的工作:材料數(shù)據(jù)的收集整理、材料性能參數(shù)實驗、材料卡片制作。

(1)材料數(shù)據(jù)庫整理

    目前轎車公司應(yīng)用的鋼種較多, 同一種鋼種又存在不同批次, 由于鋼廠供應(yīng)用于生產(chǎn)的鋼板每批次性能參數(shù)會存在一個浮動, 無法保證性能參數(shù)的穩(wěn)定性, 因此采用哪個批次的鋼板作為實驗對象就是一大難題, 為解決這個問題對公司去年一整年的板材進貨進行了統(tǒng)計, 通過對屈服強度的觀察, 找出頻率最高的板材作為實驗試樣。如下頁圖2。
    應(yīng)用這種統(tǒng)計方法針對轎車公司車型應(yīng)用的127種 (同一牌號不同鋼廠的材料計為不同鋼種) 鋼種進行梳理, 每種鋼種取3種料厚, 從而確定試樣所用鋼板。

(2)實驗參數(shù)測試

    在應(yīng)用CAE技術(shù)模擬分析時, 評判成形性的幾個重要指標(biāo)主要有:開裂、起皺、減薄、失效、滑移線等, 而這些評價結(jié)果主要是由材料的n值、r值、成形時的摩擦系數(shù)所決定的, 在評價成形性時, 多結(jié)合成形極限曲線 (FLC曲線) 對結(jié)果進行評價, FLC曲線是由材料的主次應(yīng)變擬合而成的一條可以反應(yīng)金屬成形性的曲線, 通常FLC曲線以上均為開裂。利用實驗室現(xiàn)有試驗設(shè)備開展單向拉伸性能試驗、板材成形極限曲線試驗、摩擦試驗, 獲得拉伸原始數(shù)據(jù)r0、r45、r90、摩擦系數(shù)、FLC數(shù)據(jù)等。如下頁圖3。

1.FLC實驗數(shù)據(jù)的獲得

    步驟一:FLC所用試樣一般為啞鈴型試樣, 為了描述完整的FLC我們通常取10組樣品, 每組樣品至少保證3個有效樣本。試樣如下頁圖4。應(yīng)變量的測量主要是通過印在試樣上的網(wǎng)格變形量來測量應(yīng)變量的大小, 因此需要在試樣上進行網(wǎng)格劃分, 通常網(wǎng)格尺寸取一倍的料厚, 印制的網(wǎng)格需要保持良好的對比度, 注意不要留下刻痕以免影響最終結(jié)果, 當(dāng)采用鋁試樣時, 鋁板的導(dǎo)電性差, 易氧化, 傳統(tǒng)的方法無法進行鋁板網(wǎng)格的印制, 我們不斷地嘗試最后找到了合適的腐蝕液和電流參數(shù), 最終確認了一套鋁板的網(wǎng)格印制方法。

圖1 同一種材料不同材料卡片分析結(jié)果

圖2 材料統(tǒng)計情況

圖3 實驗概況

    步驟二:使用成形機對試樣進行Nakajima試驗, 分析計算得出該拉伸狀態(tài)下極限應(yīng)變點即破裂前瞬間的極限應(yīng)變點, 通過加工不同形狀的試樣模擬不同的拉伸狀態(tài), 并得到一系列極限應(yīng)變點, 將這些點連接在一起就得到了FLC曲線, 如下頁圖5。
    步驟三:FLC曲線的驗證, 在實驗過程中由于試樣斷裂位置不理想, 斷裂方向不正確, 分析圖片選擇不恰當(dāng)均會導(dǎo)致FLC曲線的不正確, 如下圖6。
    圖6中1點由于破裂位置偏, 導(dǎo)致極限應(yīng)變點比實際值低, 曲線有不正常的波峰, 圖6中2區(qū)域兩點由于選擇分析圖片不恰當(dāng), 導(dǎo)致兩點Y值相近, 曲線出現(xiàn)平直部分。針對圖中1位置提出應(yīng)變分布最高點偏移法, 通過已得到的準(zhǔn)確值, 計算得出應(yīng)變最高點與擬合拋物線最高點差值的平均值, 應(yīng)用這個值對相應(yīng)的點進行偏移從而得到準(zhǔn)確的擬合點。

2、材料硬化曲線和屈服面的獲得及力學(xué)性能測試

    材料在塑性成形過程中屈服應(yīng)力增加的行為叫做硬化?？捎糜不€來描述塑性變形過程中的硬化行為。硬化曲線的形式和應(yīng)力-應(yīng)變曲線一致, 可通過平行板材軋制方向的材料力學(xué)性能測試獲得真實應(yīng)力-應(yīng)變曲線, 并在軟件中擬合獲得硬化曲線。下圖7為典型材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和硬化曲線。
    材料屈服面可以反映在受力情況下材料的流動狀態(tài)。Autoform中自帶三個屈服模型, 可通過導(dǎo)入0°、45°、90°三個方向的初始屈服應(yīng)力和r值自動計算屈服面。在本項目中, 通過進行板材0°、45°、90°的單向拉伸實驗可一次性獲得材料的屈服強度、抗拉強度、均勻延伸率、斷裂延伸率、n值和r值同時導(dǎo)出應(yīng)力-應(yīng)變曲線。拉伸實驗方法和實驗標(biāo)準(zhǔn)按照GBT-228執(zhí)行, 為了保證實驗數(shù)據(jù)的可靠性和實驗條件的一致性, 規(guī)定了不同鋼種的實驗條件, 具體見下頁表1。

圖4 試樣簡圖

    對于每一種材料, 每個方向取3個樣品, 取最小值作為生成材料數(shù)據(jù)卡片的原始數(shù)據(jù)。

3、摩擦系數(shù)

    金屬薄板帶在成形過程中會與模具之間產(chǎn)生摩擦, 摩擦力的大小與表面粗糙度和接觸壓力有關(guān)。摩擦系數(shù)是指在一定試驗條件下 (載荷、潤滑條件、試驗溫度、試驗速度) 金屬薄板帶與模具之間產(chǎn)生的摩擦力和作用在其一表面上法向力的比值。每種材料測試試樣不少于3個, 一般取4個試樣, 通過設(shè)定的壓力以及拉力, 通過對數(shù)據(jù)平均值的測定, 計算的摩擦系數(shù)。實驗原理如下頁圖8。

圖5 使用成形機對試樣進行Nakajima試驗

圖6 存在誤差的FLC曲線

(3) 材料卡片的制作

    材料卡片的制作主要是通過AUTOFORM軟件完成的, 如下圖9。
    步驟一:設(shè)置材料名稱和詳細信息, 在material name文本框中輸入需定制材料的名稱, 右擊comments域可在彈出的文本框中添加材料的附加信息。
    步驟二:定義彈性性能和密度參數(shù)。Autoform提供了兩種材料類型, 分別是鋼 (steel) 和鋁 (Al) , 點擊名稱為鋼或鋁的按鈕即可確定材料類型, 同時系統(tǒng)會根據(jù)材料類型自動調(diào)整后續(xù)涉及的系統(tǒng)推薦參數(shù)值和材料模型, 具體信息如下表2所示。

圖7 典型材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和硬化曲線

表1 不同鋼種的試驗條件

圖8 實驗原理圖

    其中楊氏模量和泊松比可利用電子萬能拉力試驗機測出。
    步驟三:定義硬化曲線。硬化曲線:AUTOFORM采用的硬化曲線是基于真實應(yīng)力應(yīng)變擬合得來的, 硬化曲線能反映試樣變形的瞬時狀態(tài), 具有各階段可加性等優(yōu)點, 并且只反映隨行變形階段的情況。
    步驟四:定義屈服準(zhǔn)則 (目前統(tǒng)一采用BBC模型) Autoform中使用的屈服面模型為Hill, Barlet和BBC steel和BBC Alu。各模型的適用范圍和參數(shù)取值詳見下頁表3。
    r0、r45、r90為與軋制方向成0°、45°、90°三個方向截取拉伸試樣測得的r值, σ0、σ45、σ90為三個方向的初始屈服應(yīng)力。
    rm為塑性應(yīng)變比的加權(quán)平均值rm= (r0+2r45+r90) /4
    M:擬合系數(shù)。
    Biax:雙軸應(yīng)力因子
    通過研究發(fā)現(xiàn)不同屈服準(zhǔn)則擬合出來材料卡片在滿足適用范圍的條件下, 對實際模擬分析結(jié)果產(chǎn)生的誤差可以忽略不記。
    步驟五:定義成形極限曲線 (FLC) (autoform中默認的是真實應(yīng)變值, 真實應(yīng)變=ln (1+工程應(yīng)變/100) ) 。
    步驟六:導(dǎo)出數(shù)據(jù)庫文件。點擊FILE按鈕, 選擇EXPORT mat或EXPORT mtb可導(dǎo)出生成的材料庫文件, 將材料庫文件整理匯總, 從而完成材料數(shù)據(jù)庫的建立。

三、主要技術(shù)創(chuàng)新點

    (1)優(yōu)化軟鋼及薄板的FLC試驗方法
    由于軟鋼在FLC試驗過程中頂出高度較大, 試樣無法斷裂在中間區(qū)域, 采用傳統(tǒng)的拋物線擬合法和應(yīng)變分布最高點法, 如在試樣中出現(xiàn)失效斷裂位置偏移較大或試樣中出現(xiàn)二次斷裂則無法得到準(zhǔn)確擬合點來確定FLC曲線。通過探索, 我們創(chuàng)新的提出應(yīng)變分布最高點偏移法, 通過已得到的準(zhǔn)確值, 計算得出應(yīng)變最高點與擬合拋物線最高點差值的平均值, 通過此平均值對失效斷裂位置偏移較大無法得到準(zhǔn)確值的試樣進行人工偏移并結(jié)合傳統(tǒng)的拋物線擬合法, 可更加確認的得到軟鋼的FLC曲線。

圖9 制作材料卡片的Autoform軟件

表2 兩種材料的彈性性能和密度參數(shù)

(2) 鋁板的FLC試驗網(wǎng)格印制創(chuàng)新

    由于鋁板具有導(dǎo)電性差、易氧化的特點, 在電化學(xué)腐蝕印制FLC試驗網(wǎng)格時, 采用傳統(tǒng)的腐蝕液和腐蝕方法不能得到清晰的網(wǎng)格。我們通過嘗試不同的腐蝕液和電流參數(shù), 最終確認了一套鋁板的網(wǎng)格印制方法, 可得到清晰度更好、灰度更深的網(wǎng)格, 大大提高了軟件提取網(wǎng)格的精確度。

(3)完成的材料數(shù)據(jù)庫建立方法

    通過不斷的探索, 一汽轎車已經(jīng)形成了一套完善的材料數(shù)據(jù)庫建設(shè)方法, 該材料數(shù)據(jù)庫建立方法同樣適用于其他整車廠。

四、與當(dāng)前國內(nèi)外同類技術(shù)比較

    成熟的沖壓CAE分析所應(yīng)用的材料數(shù)據(jù)庫目前主要都是由各大鋼廠負責(zé)構(gòu)建, 而整車廠在數(shù)據(jù)庫建立方面由于多方面的原因總體實力相對薄弱, 在CAE分析時多直接應(yīng)用鋼廠提供的材料數(shù)據(jù), 很難對鋼廠提供材料數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性進行驗證, 掌握材料數(shù)據(jù)庫的建立手段對整車廠來說具有重要意義, 一方面可以驗證鋼廠提供材料數(shù)據(jù)庫的準(zhǔn)確性, 另一方面可以及時對現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫進行更新維護, 保證數(shù)據(jù)庫的時效性。

表3 各模型的適用范圍和參數(shù)取值

表4 定義成形極限曲線方法

五、小結(jié)

    新建的材料數(shù)據(jù)庫已經(jīng)廣泛應(yīng)用于一汽轎車現(xiàn)生產(chǎn)和待投產(chǎn)車型中, 該材料數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用, 為新項目和現(xiàn)生產(chǎn)車型調(diào)試提供了可靠的技術(shù)支持, 解決了應(yīng)用老數(shù)據(jù)庫時模擬分析不能還原現(xiàn)場成形狀態(tài), 無法給予現(xiàn)在調(diào)試提供可靠的整改方案, 增大了調(diào)試難度, 而新的材料數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用, 徹底解決了以前的老大難問題, 降低了供應(yīng)商的工作難度, 由于整改方案可以迅速準(zhǔn)確地給出, 大量節(jié)約了人力物力, 提高了工作效率, 使得供應(yīng)商可以保質(zhì)保量的在項目節(jié)點之前完成模具交接工作。同時新材料數(shù)據(jù)庫的建立, 使得供應(yīng)商可以在DL圖工藝設(shè)計前期更快的識別可能存在的問題, 從而在工藝設(shè)計初期就可以將問題解決, 減少了后期的工作難度, 加快了項目的整體進度。