鋁合金汽車發(fā)動機罩外板沖壓成形規(guī)律研究

文/余萬銓,胡志力,華林·武漢理工大學(xué)現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點實驗室

胡文治,楊冰·東風(fēng)汽車公司技術(shù)中心

伴隨著日益嚴峻的環(huán)境資源壓力以及嚴苛的節(jié)能減排法律法規(guī)，輕量化已成為汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展不容忽視的主題。輕質(zhì)材料的使用是實現(xiàn)汽車輕量化的重要途經(jīng)，而鋁合金材料以其比強度高、良好的耐腐蝕性及焊接性等優(yōu)點，在汽車生產(chǎn)中的應(yīng)用越來越廣泛。但鋁合金彈性模量小、室溫條件下成形性較差，因此在沖壓成形過程中極易出現(xiàn)起皺、開裂、回彈等缺陷，特別是對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、相對厚度小、表面質(zhì)量要求高的大型外覆蓋件（如頂蓋外板、發(fā)動機罩外板等），鋁合金材料在成形性上的劣勢就更為突出。如何克服鋁合金板材在成形性能上的不足，促進鋁合金材料在汽車輕量化中的應(yīng)用，已成為業(yè)內(nèi)關(guān)注的熱點問題。

通常來說，影響汽車零部件成形性能的主要因素包括零件結(jié)構(gòu)、材料性能、成形工藝以及模具設(shè)計等。在車身外覆蓋件沖壓成形過程中，對沖壓工藝參數(shù)及模具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化是提高制件成形質(zhì)量的主要方式。國內(nèi)外已經(jīng)有眾多學(xué)者對鋁合金板材在沖壓成形過程中出現(xiàn)的開裂、回彈、起皺等缺陷及其影響因素進行了研究，分析了材料性能、模具結(jié)構(gòu)及工藝參數(shù)等對沖壓成形性能的影響，極大推動了鋁合金材料在汽車輕量化中的應(yīng)用。

本文通過AutoForm軟件平臺對鋁合金汽車發(fā)動機罩外板的沖壓成形過程仿真分析，研究了模具型面結(jié)構(gòu)優(yōu)化及相關(guān)沖壓工藝參數(shù)對鋁合金板材成形性的影響，同時采用型面補償?shù)姆椒ㄓ行p小了發(fā)動機罩外板的回彈。最終通過沖壓試驗實現(xiàn)了沖壓件的試制，試驗結(jié)果與仿真優(yōu)化結(jié)果保持了一致性。

模具型面設(shè)計與優(yōu)化

利用三維建模軟件CATIA對鋁合金汽車機罩外板進行型面優(yōu)化，其后基于AutoForm軟件平臺對板料的成形過程進行數(shù)值模擬，討論型面結(jié)構(gòu)優(yōu)化對板材成形性的影響，主要集中在可成形性與回彈兩方面進行研究。

初始型面設(shè)計

根據(jù)外板的尺寸大小，取坯料尺寸為1850mm×1245mm×1mm，型面結(jié)構(gòu)如圖1所示。

利用AutoForm軟件平臺進行成形分析。材料選用6016-T4鋁合金，本構(gòu)模型采用Ludwik公式：σ=Kεn，其中σ為真應(yīng)力，ε為對數(shù)塑性應(yīng)變，n和K為材料常數(shù)。模擬單元為彈塑性殼單元，設(shè)置壓邊力為850kN，摩擦系數(shù)設(shè)為0.15，模具間隙設(shè)為t（即板料厚度），沖壓速度為1mm/s。分析結(jié)果如圖2 所示，從中可見產(chǎn)品開裂嚴重，在翼子板與玻璃交接處的圓角、機罩前端都出現(xiàn)了破裂，故該結(jié)果不滿足成形要求，需對型面進行進一步改進。

圖1 初始型面結(jié)構(gòu)

圖2 初始型面成形性分析

第一次型面優(yōu)化

坯料尺寸不變，在初始型面的基礎(chǔ)上，在型面兩側(cè)增加拉延筋，并將拉延筋半徑從8mm增加至10mm，其他較初始型面無改變，型面結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖4為成形仿真分析結(jié)果，雖然開裂問題有所改善，但是擋風(fēng)玻璃與翼子板交界側(cè)的圓角處仍出現(xiàn)明顯破裂問題，需對型面進行進一步改進。

圖3 第一次型面優(yōu)化結(jié)構(gòu)

圖4 第一次型面優(yōu)化成形性分析

第二次型面優(yōu)化

設(shè)定坯料尺寸為1929mm×1320mm×1mm，型面結(jié)構(gòu)在第一次優(yōu)化的基礎(chǔ)上在玻璃側(cè)增加余肉造型，增大圓角改善材料流動，并將分模線向外偏移15mm，對圓弧進行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化，其型面結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 第二次型面優(yōu)化結(jié)構(gòu)

第二次型面優(yōu)化結(jié)構(gòu)成形仿真結(jié)果如圖6所示，圖中可見增加的余肉有效地解決了零件破裂問題，優(yōu)化后的圓弧尺寸及圓角半徑使得零件成形充分，減薄率、應(yīng)變分布均勻，保證了零件的剛度。成形后板料的減薄率最大為0.04%，最小為-21.50%；回彈最大值為5.98mm，最小值為-4.97mm，出現(xiàn)在零件中部靠近擋風(fēng)玻璃的局部負向回彈區(qū)域，回彈量仍然較大。

圖6 第二次型面優(yōu)化分析

工藝參數(shù)的影響

工藝參數(shù)對零件成形質(zhì)量有顯著影響，通?？紤]的工藝因素有壓邊力、模具間隙、沖壓速度等。在室溫條件下，材料性能隨應(yīng)變速率的變化不明顯，因此沖壓速度對成形性的影響幾乎可以忽略。本文重點關(guān)注壓邊力和模具間隙對成形質(zhì)量的影響。

壓邊力的影響

壓邊力在板材的沖壓成形中起到非常重要的作用，通常過小的壓邊力難以控制材料的流動從而使起皺趨勢增大，而過大的壓邊力則會使材料流動變得困難，破裂趨勢增大。同時壓邊力會影響板料塑性變形中的應(yīng)力狀態(tài)，對其成形質(zhì)量產(chǎn)生影響。采用不同壓邊力對零件沖壓過程進行分析，結(jié)果表明隨著壓邊力的增大，外板起皺趨勢減小，零件的整體回彈有所減小，但變化不明顯，局部區(qū)域的負向回彈則出現(xiàn)增大。零件的減薄率與最大回彈量隨壓邊力的變化規(guī)律如圖7所示。由分析結(jié)果可見，外板的起皺趨勢隨著壓邊力的增大而減小，減薄率隨著壓邊力的增大而增大，最大回彈都隨著壓邊力的增大而增大。

模具間隙的影響

模具間隙是沖壓成形中的重要參數(shù)，直接影響模具與板料之間的接觸情況，進而影響板料在變形過程中的應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)，對零件的成形質(zhì)量影響顯著。模具間隙分別設(shè)為t，1.05t和1.1t（t為板料厚度），并對零件減薄率和回彈進行了分析（圖8）。由分析結(jié)果可見，外板的起皺趨勢隨著模具間隙的增大而增大，減薄率隨著模具間隙的增大而減小，最大正回彈隨著模具間隙的增大而增大。

回彈控制

圖7 壓邊力對板料減薄率和回彈的影響

圖8 模具間隙對板料減薄率和回彈的影響

如前所述，通過初步的型面優(yōu)化，零件的可成形性問題得到了解決，但零件的回彈量仍然較大，精度無法保證。在沖壓生產(chǎn)過程中，工藝參數(shù)的調(diào)整對回彈的改善效果有限，型面補償是解決回彈問題的主要方法，因此在第二次型面優(yōu)化的基礎(chǔ)上，以回彈量為依據(jù)，進一步對型面進行補償優(yōu)化。同時根據(jù)工藝參數(shù)對回彈和成形性的影響對其進行調(diào)整，達到減小回彈的目的。圖9中經(jīng)型面補償后零件的回彈可以控制在±1mm以內(nèi)。

圖9 型面補償及回彈分析

試驗驗證

基于以上分析和優(yōu)化，進行模具試制和調(diào)試，并對鋁合金汽車機罩外板進行沖壓試驗。試驗設(shè)備采用800t液壓機（圖10），所得制件如圖11b所示。由仿真結(jié)果可見，零件大部分區(qū)域的減薄率分布在2%～5%范圍內(nèi)，板料的減薄均勻，保證了零件的剛度，同時最大減薄率為20.59%，避免了過度減?。▓D11a），制件易發(fā)生破裂的區(qū)域（擋風(fēng)玻璃與翼子板交界側(cè)的圓角處）未出現(xiàn)破裂。另外通過對零件進行精度測試，測得零件的總體回彈量能夠控制在±1mm以內(nèi)（圖11b），與仿真結(jié)果較為接近，說明實際沖壓結(jié)果與仿真優(yōu)化結(jié)果取得了較好的一致性。

圖10 沖壓試驗設(shè)備

圖11 零件減薄率與回彈分析

結(jié)束語

通過對鋁合金汽車發(fā)動機罩外板沖壓成形過程仿真分析，優(yōu)化了模具型面結(jié)構(gòu)，改善了板料流動，進而減少了由局部結(jié)構(gòu)引起的成形缺陷，提高了外板的成形質(zhì)量。此外還研究了工藝參數(shù)對板料減薄及回彈的影響。在600～1800kN范圍內(nèi)，選用600kN壓邊力和適當(dāng)?shù)哪＞唛g隙有利于緩解板料減薄，提高了零件的精度和強度。我們最終采用了面補償配合工藝參數(shù)調(diào)整，使得零件的最大正回彈減小至0.69mm，最大負回彈減小至0.89mm。對鋁合金板料成形質(zhì)量的影響規(guī)律研究與模具型面優(yōu)化，可以作為實際生產(chǎn)的理論基礎(chǔ)和重要參考。模具的制造和調(diào)試及對發(fā)動機罩外板的沖壓成形進行試驗驗證，試驗結(jié)果與仿真優(yōu)化結(jié)果保持了一致性。