鋁合金充液成形關(guān)鍵技術(shù)及其發(fā)展研究

文／郎利輝，孫志瑩·北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院

崔禮春·安徽江淮汽車股份有限公司

張淳·天津市天鍛壓力機(jī)有限公司

鋁合金充液成形關(guān)鍵技術(shù)及其發(fā)展研究

文／郎利輝，孫志瑩·北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院

崔禮春·安徽江淮汽車股份有限公司

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本文介紹了汽車鋁合金覆蓋件充液成形工藝及成形的關(guān)鍵技術(shù)。結(jié)合了充液成形的優(yōu)勢、對成形質(zhì)量的優(yōu)勢及其發(fā)展研究，對淺拉深的鋁合金汽車覆蓋件進(jìn)行研究，采用有限元分析技術(shù)與試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合，減少汽車覆蓋件在制造過程中破裂、起皺及回彈失穩(wěn)的發(fā)生，促進(jìn)國內(nèi)全車身鋁合金汽車制造業(yè)的發(fā)展。

充液成形介紹

目前僅有1%的汽車為全鋁車身，主要原因是全鋁車身的成本太高。以鋁代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼鐵制造汽車，可使整車重量減輕30%～40%；用鋁制造發(fā)動(dòng)機(jī)，可減重30%；鋁制散熱器比相同的銅制品輕20%～40%；轎車鋁車身比原鋼材制品輕40%以上，所以用鋁材代替鋼鐵制造汽車減重效果顯著。但鋁合金板材在其傳統(tǒng)沖壓制造領(lǐng)域中是較難成形與控制的零件，而先進(jìn)成形制造業(yè)中充液成形對提高零件表面質(zhì)量有其明顯的優(yōu)勢。

充液拉深是指采用液態(tài)的水、油等作為傳力介質(zhì)，代替剛性的凹模，使坯料在傳力介質(zhì)的壓力作用下貼合凸模面成形。液壓拉深在國際上的叫法很多，如：hydraulic draw，Aqua-draw，fluid former，counterpress deep drawing，hydraulic forming，hydro-mechanical deep-drawing等。圖1所示為普通拉深與充液成形的對比，從圖中可以看出充液成形是板料與模具之間在成形初期就產(chǎn)生了有益摩擦，并在壓邊圈與凸模之間產(chǎn)生軟拉延筋，有利于板料成形，這是充液成形最主要的特征。

圖1 普通拉深與充液成形的對比

充液成形技術(shù)主要包括球形容器液力成形、板材充液成形和內(nèi)高壓成形技術(shù)。近幾年來，由于結(jié)構(gòu)輕量化和結(jié)構(gòu)整體化以及復(fù)合成形技術(shù)的需要，內(nèi)高壓成形技術(shù)得到了長足的發(fā)展，應(yīng)用于汽車大批量產(chǎn)品的生產(chǎn)中，航空航天和國防等領(lǐng)域的許多產(chǎn)品也采用了此種成形技術(shù)。圖2為內(nèi)高壓成形技術(shù)原理圖。板材充液成形技術(shù)現(xiàn)在主要應(yīng)用于多品種小批量產(chǎn)品的生產(chǎn)中，可以成形復(fù)雜結(jié)構(gòu)薄壁零件，圖3為其一種典型方法的成形原理。

圖2 內(nèi)高壓成形原理圖

車身外覆蓋件對表面質(zhì)量要求很高，而采用冷沖壓技術(shù)成形鋁合金板材往往會(huì)劃傷其表面并易在表面形成“桔皮”，很難通過修復(fù)或噴漆的方法來消除其對外覆蓋件外觀曲面光順和光照效果的影響。充液成形技術(shù)由于采用流體介質(zhì)替代剛性凹模，由此在解決難成形問題的同時(shí)會(huì)很好地解決表面質(zhì)量問題。

對于鋁合金來說，由于材料的硬化指數(shù)n值低，屬于加工硬化效果較弱的材料，只有通過較大的變形才能實(shí)現(xiàn)較理想的硬化，而汽車覆蓋件部分部位相對較淺，普通拉深成形過程中，覆蓋件面板部分由于摩擦及受剛性拉深凸模底部圓角的約束，坯料與覆蓋件拉深凸模底部接觸后不再發(fā)生變形，變形只發(fā)生在未接觸部分，使得覆蓋件上先期與拉深凸模接觸的部分變形量小，后期與拉深凸模接觸的部分變形量大，由此導(dǎo)致覆蓋件存在變形不充分且不均勻的問題，應(yīng)變硬化效果差，影響覆蓋件的整體結(jié)構(gòu)剛度和整體承載能力。鋁合金汽車覆蓋件達(dá)到一定的剛度必須以增加板料厚度為前提，但會(huì)造成材料的浪費(fèi)，車身減重效果差，背離了采用鋁合金實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的目的。

為克服普通拉深所產(chǎn)生的變形量小、變形不均勻的問題，利用液壓先進(jìn)行預(yù)脹（圖4a）變形，再進(jìn)行液壓作用下的充液拉深成形（圖4b），整個(gè)成形過程中面板部分經(jīng)歷兩次變形，硬化效果顯著。因此，能夠提高鋁合金覆蓋件的可成形性、改善變形均勻性的充液拉深成形技術(shù)是鋁合金等低塑性、難成形輕質(zhì)材料板材零件成形的有效途經(jīng)。

國內(nèi)外大噸位充液成形裝備不斷快速的發(fā)展，圖5為SPS公司生產(chǎn)的大型板式充液成形機(jī)，國內(nèi)不斷研究，對其設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)得到了突破，不再受限于國外的技術(shù)，目前開發(fā)了很多大型設(shè)備，并得到了應(yīng)用，如天津市天鍛壓力機(jī)開發(fā)了充液成形設(shè)備，是國內(nèi)市場的領(lǐng)軍企業(yè)。

鋁合金成形性能

鋁與其合金元素形成的二元相圖，多數(shù)情況下，在富鋁的一側(cè)形成具有共晶轉(zhuǎn)變的有限固溶。

如圖6所示，以最大熔接點(diǎn)D為界限，當(dāng)合金元素量低于D時(shí)，合金加熱后可形成具有良好的塑性和便于壓力加工的單向溶體，根據(jù)其性能稱為“形變鋁合金”；合金元素量大于D時(shí)，合金加熱后會(huì)形成塑性差，但流動(dòng)性好的共晶組織，由于其適合鑄造，稱為“鑄造鋁合金”；對于某些耐熱鋁合金(個(gè)例)，雖然合金元素量超過最大溶解度D點(diǎn)，并且仍能進(jìn)行鑄造加工，但仍屬于“形變鋁合金”。

在各行各業(yè)應(yīng)用中，以形變鋁合金為主，所以了解形變鋁合金的分類十分重要，如圖7所示。本試驗(yàn)選用5182鋁合金，該合金為熱處理可強(qiáng)化型鋁合金，是汽車內(nèi)蓋板較適合的材料，外觀質(zhì)量要求較低，但小特征較多。

圖4 預(yù)脹充液拉深成形過程

圖5 SPS公司生產(chǎn)的大型板式充液成形機(jī)

圖6 鋁合金典型狀態(tài)圖

圖7 形變鋁合金的分類

充液成形的工藝

板材液壓拉深成形思想可以追溯到二十世紀(jì)五、六十年代。日本學(xué)者春日保男首次提出將液壓直接作用于毛坯上的強(qiáng)制潤滑拉深法，并且指出凹模圓角處板材垂直拉深力是決定溢流壓力的重要因素，還在假設(shè)平面應(yīng)變狀態(tài)條件下，計(jì)算出了凹模圓角部分所能封住液壓數(shù)值以及溢流壓力與壓邊力、液壓油種類、凹模圓角、凸模圓角之間的關(guān)系，并利用數(shù)學(xué)解析方法解釋了摩擦保持效果和溢流潤滑效果是提高充液拉深成形極限的根本原因，這是理論上系統(tǒng)地對充液拉深工藝的最早研究。之后，在自然增壓條件下，又研究了液室壓力與板材厚度、凹模圓角、壓邊力、拉深比之間的關(guān)系，推導(dǎo)出溢流壓力的理論公式，并通過鋁、軟鋼、黃銅等材料進(jìn)行筒形件試驗(yàn)，預(yù)測拉深過程的液壓變化趨勢。圖8為國內(nèi)先進(jìn)企業(yè)自行開發(fā)的先進(jìn)充液成形裝備及汽車覆蓋件特種模具。

圖8 汽車覆蓋件模具與設(shè)備

在高壓充液成形工藝中，液室壓力是成形的保障，對液室中壓力的控制是充液成形關(guān)鍵技術(shù)之一，由于液室的存在，大大降低了模具的制造成本及調(diào)試過程的修模時(shí)間。

通過有限元技術(shù)對其工藝參數(shù)分析，優(yōu)化成形中的液室壓力及凸模運(yùn)動(dòng)軌跡，獲取較合理的成形壓力曲線，對成形板料中起皺、破裂及回彈失穩(wěn)的缺陷控制十分重要，圖9為液室壓力曲線圖。

圖9 液室壓力曲線

成形破裂失穩(wěn)控制

成形的板材處于安全與破裂或者起皺之間的材料性能界限稱為成形極限。在金屬板料的成形過程中，由于所成形零件的形態(tài)各不相同，它們所對應(yīng)的成形方式也不同。板材成形對應(yīng)的是平面應(yīng)力狀態(tài)下的拉–拉、拉–壓、壓–壓三種類型受力形式的組合，而板材的破裂是拉應(yīng)力為主的拉–拉和拉–壓兩種受力狀態(tài)不同比例組合而產(chǎn)生的。

板料的破裂分凸模圓角、直壁、凹模圓角及小特征處，圖10所示為鋁合金件直壁區(qū)域破裂現(xiàn)象。在充液成形工藝中通過優(yōu)化工藝參數(shù)，凸模行程速度、壓邊力（或壓邊間隙）、液室壓力的曲線控制，可避免成形過程中板料的起皺、破裂及回彈的失穩(wěn)現(xiàn)象，由于柔性液體的存在，可提高零件表面的質(zhì)量，降低表面的劃痕及桔皮面的發(fā)生。

圖10 板料直壁區(qū)域破裂

結(jié)束語

汽車鋁合金覆蓋件利用充液成形技術(shù)，使得鋁合金成形機(jī)理得到突飛猛進(jìn)的發(fā)展，提高了零件表面質(zhì)量，改善了劃痕及桔皮面的發(fā)生。利用有限元技術(shù)預(yù)測成形過程中發(fā)生的失穩(wěn)現(xiàn)象，降低調(diào)試成本。國產(chǎn)充液成形專用設(shè)備已經(jīng)完成試驗(yàn)階段，達(dá)到國內(nèi)外企業(yè)推廣水平，促進(jìn)了國內(nèi)全鋁合金車身的發(fā)展。