鋁合金車門外板充液拉深成形的有限元分析?

黃永生，韓永志，周昌樂，崔禮春

鋁合金車門外板充液拉深成形的有限元分析?

黃永生，韓永志，周昌樂，崔禮春

(安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心，合肥 230601)

對鋁合金車門外板充液拉深成形工藝過程進行了有限元仿真，以分析液壓加載路徑對零件剛度和減薄率的影響，并對仿真模型和液壓加載路徑進行優(yōu)化。結(jié)果表明，延遲液壓的加載和減小成形壓力可提高外覆蓋件成形剛度和降低凸模拐角區(qū)的開裂風險，而適當提早液壓加載和較大的成形壓力則有利于零件凹型面特征的成形。

鋁合金；充液拉深成形；有限元分析

前言

圖1 板料充液拉深成形

汽車輕量化促進了汽車在結(jié)構(gòu)上的設計優(yōu)化和新型材料的研發(fā)與應用[1－2]。研究表明，典型的鋁合金零件一次減質(zhì)量效果可達30%～40%，并且由于鋁合金材料具有高強高韌、耐熱耐蝕等特性，使其成為汽車輕量化的首選材料[3－4]。它在汽車中的應用范圍也越來越廣，已經(jīng)從最初的發(fā)動機缸體、變速器殼體、輪轂等擴展到了車體的各個重要零部件，成為汽車上應用最廣泛的輕量化材料。國外汽車品牌已開發(fā)出全鋁車身，而國內(nèi)自主品牌鋁合金在車身上的應用尚處于起步階段。

板料充液拉深成形技術(shù)是采用液體作為傳力介質(zhì)以代替剛性的凹模來傳遞載荷，使坯料在液體壓力作用下貼靠凸模，從而實現(xiàn)金屬板材零件的成形[5－6]，如圖1所示。板料充液拉深成形可以成形室溫下一些難成形的材料，如鎂合金、鋁合金和復雜結(jié)構(gòu)拼焊板等。歐、美、日等國學者較早地進行了理論研究與工藝試驗[7－12]，提出了一些解決破裂等成形缺陷的措施，使充液拉深工藝進入了實用階段，如奧迪R8的外覆蓋件便應用了液壓成形工藝。國內(nèi)對于板料充液拉深成形工藝的研究與應用多為簡單的盒形件、筒形件等[13－17]，一部分學者對車身零件進行了數(shù)值模擬與試驗驗證研究[18－19]，對于板料充液拉深成形工藝，特別是鋁合金板料的充液拉深成形工藝幾乎沒有在汽車車身零件應用的實車案例。本文中依托國家科技重大專項，以某轎車車門外板為例，對鋁合金車門外板充液拉深成形進行分析，為鋁合金車身外覆蓋件成形工藝開發(fā)及實車應用提供依據(jù)。

1 產(chǎn)品工藝分析

圖2 左后側(cè)面車門外板

車門外板零件為典型的汽車外覆蓋件，具有厚度薄、外觀面較為平坦、棱線特征突出、內(nèi)圓角半徑小、剛度弱、外觀面品質(zhì)要求高等特點，傳統(tǒng)沖壓工藝為淺拉延脹形成形。圖2為某轎車左后側(cè)面車門外板零件三維數(shù)學模型，其最小內(nèi)圓角半徑R＝2mm，本文中以此零件為例進行分析。

根據(jù)后側(cè)面車門外板零件結(jié)構(gòu)特點，采用左/右件合模對稱設計，壓料面隨形設計以使成形深度趨于均勻；拔模角度取25°，30°，35°和50°并光順過渡，對應凸模圓角半徑取15，30，20和80mm并平緩過渡，以利于材料流動和力的傳遞；經(jīng)三維軟件建模完成工藝補充設計，最大成形深度約為70mm，坯料形狀根據(jù)凸模輪廓優(yōu)化為等腰梯形，生產(chǎn)中采用開卷擺剪下料，如圖3所示。

圖3 車門外板成形模面

2 充液拉深成形有限元模型

2.1 有限元模型建立

將三維模面導入CAE軟件，分別定義凹模、凸模、壓邊圈和坯料，建立的雙動充液拉深有限元仿真模型如圖4所示。

圖4 充液拉深成形仿真模型

模型中，在壓料面上設置了等效拉深筋，并根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點、各處成形深度及拉深筋參數(shù)對零件成形極限的影響，選取了0.1，0.2，0.35，0.5和0.8等不同鎖模系數(shù)，拉深筋布局如圖5所示。根據(jù)經(jīng)驗設定摩擦因子μ＝0.17，采用恒定壓邊力F＝1400kN，其余邊界條件和參數(shù)采用與常規(guī)鋼板材料拉延相同的設置。

圖5 拉深筋布局

坯料材質(zhì)選取牌號為6016T4的鋁合金，厚度t＝0.7mm，軋制方向為坯料長度方向，其材料性能參數(shù)見表1，坯料單元模型選擇求解精度較高的彈塑性殼單元。

表1 6016T4材料性能參數(shù)

2.2 液體壓力加載路徑設置

由于車門外板充液拉深模型壓料面形狀近似V形，且凸模各處型面無法與坯料同時接觸，當液體壓力加載過早時坯料將產(chǎn)生初始反脹，造成較為嚴重的起皺現(xiàn)象，最終成形的零件將存在嚴重的面品質(zhì)量問題而不符合外覆蓋件質(zhì)量要求，這在外覆蓋件成形過程中是不允許的。為消除初始反脹造成的起皺問題，需要延遲液體壓力加載，在坯料隨凸模拉深一定行程后再施加液體壓力。經(jīng)多次仿真分析驗證，消除初始反脹起皺的最早液體壓力加載時間為拉深行程20mm之后。

本文中以坯料隨凸模拉深行程為橫軸，設置不同液體壓力加載路徑來分析鋁合金車門外板充液拉深成形特征，加載路徑分為成形階段和整形階段，如圖6所示，在拉深到底前5mm開始加壓整形，整形壓力為10MPa。路徑1～3用以分析液體壓力初始加載位置對零件成形性的影響，分別在拉深行程25，40和55mm開始施加液體壓力，成形壓力均為1MPa；路徑4，2和5用以分析成形壓力大小對零件成形性的影響，均在拉深行程40mm開始施加液體壓力，成形壓力分別為0.5，1和2MPa。

圖6 液體壓力加載路徑

3 充液拉深成形有限元分析與優(yōu)化

3.1 加載路徑對零件成形剛度的影響

通過有限元分析獲得不同液體壓力加載路徑條件下鋁合金車門外板充液拉深成形減薄率云圖，如圖7所示。

由路徑1～3減薄率云圖可以看出，隨著液體壓力起始加載的延遲，零件外觀面最小減薄區(qū)域縮小，減薄率增大，即坯料變形更充分，獲得的零件剛度增加，這對外覆蓋件的抗凹性有利。這是由于成形過程中液體壓力加載較早時，坯料還未經(jīng)充分拉深變形便在液體壓力的作用下逐步與凸模型面貼合，形成“摩擦保持”效果[5]?！澳Σ帘３帧毙Ч璧K了坯料在變形過程中的流動及變形力的有效傳遞，對坯料的持續(xù)變形不利，使其與凸模型面緊緊貼合的坯料在后續(xù)拉深過程中變形難度增加。

由路徑4，2和5減薄率云圖可以看出，在液體壓力同一加載起始位置條件下，隨著成形壓力的增加，零件外觀面最小減薄區(qū)域增大，減薄率減小，即坯料變形量更小，獲得的零件剛度減小，這對外覆蓋件的抗凹性不利。因為當成形壓力增加時，“摩擦保持”效果隨之增加，與凸模型面貼合的坯料在后續(xù)拉深過程中變形難度增加。

3.2 加載路徑對最大減薄率的影響

在充液拉深成形過程中，首先與凸模貼合的坯料在“摩擦保持”效果作用下，在后續(xù)拉深過程中避免了應力集中造成的過度減薄。因此，零件的開裂風險或最大減薄區(qū)域為最后與凸模貼模成形的部位。本文中選取A，B，C和D 4處典型區(qū)域來研究加載路徑對最大減薄率的影響。其中，A為凸模邊緣成形深度最大位置，B為凸模邊緣材料流動困難的拐角區(qū)，C和D為最終貼模成形的車門把手和亮飾條安裝凹型面區(qū)，如圖8所示。

圖7 不同液體壓力加載路徑下減薄率云圖

圖8 最大減薄率分析部位

在圖6基礎上，經(jīng)大量有限元分析，獲得在不同成形壓力條件下各分析區(qū)域最大減薄率隨初始加載位置而變化的規(guī)律，如圖9所示。

由圖9(a)可見，隨著液體壓力初始加載的延遲，A區(qū)域最大減薄率逐漸減?。浑S著成形壓力的增大，A區(qū)域最大減薄率增大。這是因為液體壓力加載較早時，坯料還未在凸模拉深作用下充分變形便與凸模貼合形成“摩擦保持”效果，使A區(qū)域變形向零件內(nèi)部傳遞的難度增加，而后續(xù)變形過程中壓料面區(qū)材料流入補充有限，造成局部坯料產(chǎn)生較大的變形量；而當成形液體壓力增大時“摩擦保持”效果增大，并在A區(qū)域產(chǎn)生更大的反脹變形量。

由圖9(b)可見，液體壓力及初始加載位置對B區(qū)域最大減薄率的影響與A區(qū)類似。所不同的是，與A區(qū)域相比，B區(qū)域成形深度及產(chǎn)品和工藝造型造成的應力集中較小，從而使最大減薄率相對較小，曲線變化較為平緩。

由圖9(c)和圖9(d)可見:隨著液體壓力初始加載的延遲，C，D區(qū)域最大減薄率增大；隨著成形壓力的增大，C，D區(qū)域最大減薄率減小。這是因為C，D區(qū)域為凹型面成形，液體壓力加載越早凹型面貼模成形越早，成形凹型特征的坯料在初始拉深階段厚度減薄越小；成形壓力越大，凹型面坯料成形狀態(tài)越趨近于產(chǎn)品形狀，變形易擴展至凹型面周邊變形小的區(qū)域，且成型壓力越大，已成形的特征在后續(xù)拉深過程中保持特征形狀的能力越大，C，D區(qū)域坯料向周邊流動損失越小。

需要說明的是，由于鋁合金材料本身特性，其最大極限減薄率為17%左右，當成形過程中某一點減薄率達到此臨界值后，在后續(xù)變形過程中將發(fā)生過度減薄甚至產(chǎn)生開裂。由圖9可知，各路徑條件下均無法同時規(guī)避A～D區(qū)域破裂風險，需對拉深模型或成形路徑進行優(yōu)化。

3.3 仿真模型優(yōu)化

對于車門外板件成形工藝設計，既要確保零件充分變形以獲得足夠的剛性，又要避免開裂風險造成的零件報廢。由以上分析可知:成形壓力加載越遲，成形壓力越小，獲得的零件剛度越好，且A和B區(qū)的開裂風險越??；而為避免C和D區(qū)的過度減薄，則需要盡早施加成形壓力，且壓力越大越好，即C和D區(qū)越早成形越好。

以上兩點是相悖的，為解決以上問題，本文中基于以上分析在不改變拉延模面的情況下對仿真模型及成形路徑進行了優(yōu)化分析:C區(qū)特征采用活動剛性模塊成形(拉深到底前10mm C區(qū)特征成形完畢，而后剛性模塊隨凸模拉深到底并與之保持壓力，壓力源可采用氮氣彈簧實現(xiàn))，D區(qū)特征采用剛性凹模成形，如圖10所示；成形路徑調(diào)整為整個凸模拉深過程中不施加液體壓力，在拉深結(jié)束后施加液體壓力進行整形，整形壓力10MPa。

圖9 加載路徑對最大減薄率的影響

圖11 為仿真模型和成形路徑優(yōu)化后最小減薄率云圖。由圖可見，產(chǎn)品外觀面最小減薄率3%以上，滿足外覆蓋件剛度指標要求。同時從表2可見，優(yōu)化后A～D區(qū)域最大減薄率值均優(yōu)于圖9所示結(jié)果的極小值，有效規(guī)避了開裂風險。

圖11 優(yōu)化后減薄率云圖

圖10 優(yōu)化后的凹模模型

表2 模型優(yōu)化前后最大減薄率對比

4 結(jié)論

(1)延遲液體壓力加載及減小成形壓力，有利于外覆蓋件成形剛度提高和抑制凸模邊緣開裂的產(chǎn)生。

(2)較早的液體壓力加載和較大的成形壓力，有利于零件深度較大、拔模角較小、圓角半徑較小的凹型面特征的成形，降低開裂風險。

(3)“凸模拉深＋局部凹型面剛性模成形＋液壓整形”為車門外板零件充液拉深成形的最佳方案。

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Finite Element Analysis on Hydro-mechanical Deep-draw Forming for the Outer Panel of Aluminum-alloy Car Door

Huang Yongsheng，Han Yongzhi，Zhou Changle＆Cui Lichun
Technical Center，Anhui Jianghuai Automobile Co.，Ltd.，Hefei 230601

A finite element simulation on the hydro-mechanical deep-draw forming process for the outer panel of aluminum alloy car door is conducted to analyze the effects of hydraulic pressure loading path on the stiffness and thinning ratio of panel，with the simulation model and hydraulic pressure loading path optimized.The results show that postponing hydraulic pressure loading and reducing forming pressure can increase the stiffness of outer closure parts and lowering the cracking risk in the corner of punch，while advancing hydraulic pressure loading and increasing forming pressure can be conducive to the forming of concave surface features.

aluminum alloy；hydro-mechanical deep-draw forming；FEA

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.04.018

?國家科技重大專項(2014ZX04002041)資助。

原稿收到日期為2016年5月30日，修改稿收到日期為2016年7月8日。

黃永生，碩士，工程師，E-mail:15155911556＠163.com。