鋁合金頂蓋充液成形工藝研究

安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司 王 平 崔禮春 馬國禮 佘 威

本文通過鋁合金汽車頂蓋充液成形過程的試驗(yàn)研究，分析了充液成形過程中關(guān)鍵工藝參數(shù)對頂蓋成形性的影響，模擬成形過程中缺陷的發(fā)生位置，并對模擬結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證分析。

隨著社會的不斷發(fā)展和科技的持續(xù)進(jìn)步，人們越來越重視資源的有限性和日益擴(kuò)大的環(huán)境污染給人類的健康帶來的嚴(yán)重危害，可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略和科學(xué)發(fā)展觀日益成為人們普遍關(guān)注的焦點(diǎn)[1]。充液成形是一種先進(jìn)的柔性成形技術(shù)[2-3]，與傳統(tǒng)工藝方法相比具有諸多優(yōu)點(diǎn)，它既節(jié)約了能源，降低了成本，又適應(yīng)了當(dāng)今產(chǎn)品的小批量、多品種的柔性發(fā)展方向。

一、充液成形原理

充液成形技術(shù)主要分為主動式和被動式兩種，其原理如圖所示。被動式充液成形：流體作為輔助手段，先在凹模內(nèi)充滿液體，放上拉深坯料，施加一定的壓邊力，凸模下行進(jìn)行拉深，同時啟動液壓系統(tǒng)使液體保持一定的壓力，直到拉深結(jié)束，然后抬起凸模、壓邊圈，取出成形零件。主動式充液成形：流體作為主動加壓方式，夾持裝置與板材之間一般有密封裝置，以防止液體的外泄。板材充液拉深成形技術(shù)由于流體壓力介質(zhì)輔助成形，可增加變形坯料與拉深凸模之間的有益摩擦，克服拉深凸模圓角部位坯料的破裂，提高零件的成形性及成形極限，具有節(jié)省工序、簡化模具結(jié)構(gòu)、降低成本、提高尺寸精度等優(yōu)點(diǎn)。

相對于主動式充液成形技術(shù)，被動式充液成形技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用更為迅速，也是本文采用的主要形式[4-5]。

圖1 板材充液成形原理

二、充液成形工藝方案設(shè)計

頂蓋充液成形有兩種方式可選。若在裝配完成狀態(tài)下觀察頂蓋，發(fā)現(xiàn)頂蓋形狀與草帽類似，均由頂部和邊緣組成，且除直壁段外，其余部分均為上凸形狀，故取某一截面進(jìn)行說明，如圖2所示。

圖2 選取截面示意圖

充液成形模具型面（即板料成形時形狀）可分為兩種情況，其一頂蓋方位與裝車方位相同，即頂蓋頂部在頂蓋邊緣的上方，記為A型模面，如圖3所示；其二則相反，頂蓋頂部位于頂蓋邊緣下方，記為V型模面，如圖4所示。

圖3 A型模面

圖4 V型模面

上述所有示意圖，沖壓方向均向下。

對于A型模面，在沖壓過程中，板料首先貼緊頂蓋頂部，在貼緊后，由于摩擦力的作用，頂蓋頂部在后續(xù)工藝過程中變形量很小，因此不利于頂蓋頂部獲得足夠的變形。另一方面，頂蓋底部圓角處，經(jīng)歷較大拉延變形（拉延深度較大），容易產(chǎn)生破裂。

相反，V型模面則可較好避免上述兩個問題，其頂蓋頂部拉延深度最大，有利于頂部變形，而圓角處拉延深度較小，利于圓角處的成型。

綜上所述，應(yīng)選用V型模面。

三、充液成形關(guān)鍵工藝參數(shù)模擬

1 .壓力加載行程的確定

根據(jù)充液成形工藝的特性，當(dāng)加壓后板料收到液壓作用，緊緊貼在凸模上，此時由于摩擦力的作用，板料變形難度增大。而基于頂蓋的成形特性（頂部需到達(dá)一定的變形量，且四個角處不能出現(xiàn)破裂），液壓加載時間越晚越有利于頂部變形量的增大，但圓角及四邊中間部分（破裂危險處）越容易出現(xiàn)破裂。因此需要確定壓力加載時間，在凸模距最終位置為10mm、30mm、50mm、70mm時開始加壓，最大液體壓力為0.2MPa，壓邊力為1.45x106N。分析結(jié)果如圖5所示。隨著剩余行程的增加（即加壓時間提前），頂部減薄率逐漸減小，且最大減薄率先減小、后增大。為滿足頂蓋剛度要求，頂部變形量越大越好，而為避免破裂的出現(xiàn)，最大減薄率越小越好，因此加壓時間越晚越好，這也與上述分析一致。根據(jù)上述分析，確定凸模行程剩余10mm時加液體壓力較好。

圖5 壓力加載行程對減薄率的影響

2. 最大液室壓力的確定

為確定最大加載壓力對成形結(jié)果的影響，使用壓邊力為1.45x106N，凸模行程最后10mm時加載液體壓力，取最大液體壓力分別為0.2MPa、0.7MPa、2MPa和5MPa。分析結(jié)果如圖6所示。由圖可知，當(dāng)液體壓力小于1MPa時，頂部減薄率隨著最大液室壓力的增大迅速減小，最大減薄率則迅速增大，因此增大液室壓力不利于頂蓋的成形。當(dāng)液體壓力大于1MPa時，頂部減薄率和最大減薄率變化不大。當(dāng)液體壓力為0.7MPa時，頂部減薄率為2.836%，略小于3%，最大減薄率為15.084%，略大于15%。因此液室壓力應(yīng)小于0.5MPa。

圖6 最大液室壓力對減薄率的影響

3. 壓邊力的確定

為確定壓邊力對成形結(jié)果的影響，使用上述分析中較優(yōu)的結(jié)果，即最大液室壓力位0.2MPa，凸模行程最后10mm開始加載液室壓力。模擬結(jié)果如圖7所示，可見隨著壓邊力的增大，頂部減薄率和最大減薄率均相應(yīng)增大，且頂部減薄率變化速度小于最大減薄率變化速度，由圖可知，頂部減薄率增大0.7%，而最大減薄率增大5.14%。另外，壓邊力也不能過小，當(dāng)壓邊力為1.00x106N時，頂部減薄率僅為2.59%。而壓邊力取1.45x106N時，頂部減薄率和最大減薄率均能滿足要求，故而采用該壓邊力。

圖7 壓邊力對減薄率的影響

四、充液成形模擬結(jié)果分析

減薄率分析如圖8所示，可見頂部及頂角處減薄率均能滿足要求，而側(cè)壁處減薄率最大為14.8%，即不超過15%滿足鋁合金成形要求，且與頂角處減薄率接近，滿足一致性要求。最大增厚出現(xiàn)在底角處，如圖9，其增厚量為4.74%，此增厚量不會產(chǎn)生明顯皺紋。

圖9 底角增厚情況

如圖10成形極限圖所示，頂部成形充分，且頂角處無破裂，但側(cè)邊有破裂危險（安全余量為7%），根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，此處處于安全范圍，但在后續(xù)修模過程仍應(yīng)注意該區(qū)域。同時從成形極限圖可以看出，底角處有輕微起皺趨勢。

圖10 成形極限圖

板料流料情況如圖11所示，單位為mm，由圖可知，右側(cè)板料流動量相對較少（比左側(cè)少3～4.5mm），尤其是左側(cè)圓角處，板料流動較小，其對成形的影響是有利于圓角的成形，即減小圓角的破裂危險。

圖11 板料流動量

五、結(jié)論

綜上所述，頂蓋零件使用該工藝加工，其最大減薄率為14.8%，最大增厚量為4.74%，頂部變形量均大于3%。該結(jié)果既能滿足頂部變形量的要求，又沒有破裂（最大減薄率為）和起皺等缺陷的產(chǎn)生。 □