一種鋁合金前罩內(nèi)板結(jié)構(gòu)的沖壓可行性研究

羅 賓，馬春麗，唐道雄，楊祥偉

（1.遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼寧 遼陽(yáng) 111003；2.青島大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266071）

隨著社會(huì)的高速發(fā)展，汽車的用量將會(huì)越來(lái)越多，伴隨著汽車擁有量的與日劇增，同時(shí)帶來(lái)了嚴(yán)重的負(fù)面影響，諸如安全、污染、資源等一系列社會(huì)問(wèn)題。而鋁合金具有優(yōu)良的力學(xué)性能、較好的成形性、豐富的資源等優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)汽車輕量化最理想的材料。鋁合金前罩內(nèi)板也開始逐漸在市場(chǎng)上進(jìn)行應(yīng)用[1]。

1 零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1 前罩內(nèi)板

圖1為自主設(shè)計(jì)的某款汽車前罩內(nèi)板，外形尺寸為1152.8mm×1513.7mm×284.5mm，材料5182-O，料厚1.2mm，質(zhì)量為4.032Kg。該結(jié)構(gòu)除了遵循使用鋼材料設(shè)計(jì)的一般性原則外，考慮到鋁合金與鋼材的材料特性及料厚選擇上的不同，對(duì)零件結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，針對(duì)可成形性復(fù)雜程度，零件的中間特征，鋼材一般采用最小拔模角度在20°以上，鋁合金設(shè)置為25°以上，且由于該結(jié)構(gòu)縱向曲率較大，可適當(dāng)增大角度。在滿足扭轉(zhuǎn)、彎曲、模態(tài)等性能要求外，增加減重孔，相比于同等尺寸的鋼材料，(料厚取值0.7mm，質(zhì)量為6.836Kg)，減重達(dá)到41%。

2 零件沖壓成形工藝分析

2.1 零件成形方式及拉深方向的確定

對(duì)形狀復(fù)雜、拉深深度較深的前罩內(nèi)板，由于其臺(tái)階、凸臺(tái)形狀較多，且斷面長(zhǎng)度差較大，采取拉深的方式成形，通過(guò)調(diào)整壓邊圈的形狀、拉延筋的布置、毛坯的外形尺寸等因素來(lái)控制零件各處的進(jìn)料情況[2]。

拉深方向是否合理會(huì)影響到零件的成形性，還涉及到零件工藝補(bǔ)充部分形狀和尺寸的大小，對(duì)后工序的工藝排布也有較大的影響。在確定前罩內(nèi)板成形的拉深方向時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮以下3個(gè)因素：

（1）無(wú)拉深負(fù)角。拉深負(fù)角會(huì)造成凸模和凹模的干涉，有時(shí)會(huì)直接損壞凸、凹模，借助成形工藝分析軟件對(duì)零件擬確定的拉深方向進(jìn)行負(fù)角檢測(cè)[3]，確保拉深方向的最小脫模角度在3°以上。

（2）拉深凸模開始拉深時(shí)與拉深毛坯的接觸面積要盡量大、接觸特征要盡量多，且要分散，保證有2個(gè)或2個(gè)以上的位置同時(shí)接觸。假設(shè)前罩內(nèi)板直接以車身坐標(biāo)Z軸為拉深方向，凸模開始拉深時(shí)與板料的接觸面積較小，凸模最先與毛坯前端板料接觸，導(dǎo)致板料產(chǎn)生應(yīng)力集中，產(chǎn)生裂紋。因此，需調(diào)整零件成形的拉深方向，繞Y軸旋轉(zhuǎn)14°。調(diào)整后，凸模與毛坯板料幾乎同時(shí)接觸，明顯增大了拉深初始階段凸模接觸板料的面積，極大改善了零件的成形性。

經(jīng)過(guò)以上分析，該前罩內(nèi)板的拉深方向?yàn)椋阂攒嚿碓甲鴺?biāo)系的Y軸旋轉(zhuǎn)14°，繞Z軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，以新坐標(biāo)系的Z軸為沖壓方向。

2.2 壓料面和工藝補(bǔ)充面的設(shè)計(jì)

要確保鋁合金覆蓋件質(zhì)量過(guò)關(guān)，對(duì)工藝補(bǔ)充面和壓料面進(jìn)行科學(xué)的設(shè)計(jì)，同時(shí)要將零件的拉伸性能考慮進(jìn)去，嚴(yán)格把關(guān)零件生產(chǎn)工序，產(chǎn)出后的毛邊修復(fù)等。

因法蘭面周圍起伏較大，若將鋁合金板料直接拉伸，則會(huì)出現(xiàn)一個(gè)高度差，產(chǎn)出零件的拉伸性能會(huì)大幅度降低，所以，將法蘭面放置凸模上，根據(jù)內(nèi)板的形狀做出隨形的二階臺(tái)，臺(tái)階面高度建議設(shè)置為25mm左右，鋁合金拉深成形壓邊力取值在800KN～1200KN。制作完成后的拉深面效果見圖2。

圖2 前罩內(nèi)板工藝補(bǔ)充面

2.3 等效拉延筋的布置

等效拉延筋可起增大板料的局部進(jìn)料阻力、控制材料的流動(dòng)速度的作用。拉延筋布置是否合理將影響毛坯的尺寸及零件的成形質(zhì)量[4]。由于該內(nèi)板拉深成形的回彈較大，初步考慮拉延筋進(jìn)行整圈布置，設(shè)置位置分模線向外偏移20mm處，摩擦阻力系數(shù)賦值0.5，但是由于法蘭面的起伏較大，且鉸鏈安裝位置有較大轉(zhuǎn)角，需要進(jìn)行分段設(shè)置系數(shù)，使材料流動(dòng)速率均勻，即在轉(zhuǎn)角處賦較小值，在較為光滑區(qū)適當(dāng)加大系數(shù)值。

3 沖壓成形分析

前罩內(nèi)板的初步成形工藝方案確定，使用沖壓成形工藝分析軟件進(jìn)行模擬運(yùn)算，材料5182-O基本性能如表1。

表1 5182-O基本性能參數(shù)

圖3 第一次沖壓成形結(jié)果

圖3所示零件第一次成形分析結(jié)果，兩側(cè)及前端出現(xiàn)拉延不充分現(xiàn)象?？赏ㄟ^(guò)采取增大拉延筋系數(shù)以控制材料流動(dòng)速率的方法來(lái)解決。圖4所示為增大拉延筋系數(shù)后的分析結(jié)果，零件拉延不充分問(wèn)題基本解決。

圖4 修改后沖壓成形結(jié)果

4 零件后續(xù)工藝排布

根據(jù)零件后續(xù)沖孔、修邊角度、沖壓方向進(jìn)行后續(xù)的工藝排布：

OP30：修邊+斜楔修邊+沖孔；

OP40：修邊+斜楔修邊+沖孔；

OP50：斜楔沖孔；

最終零件產(chǎn)品如圖5所示：

圖5 最終零件結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

利用沖壓成形工藝分析軟件對(duì)該鋁合金前罩內(nèi)板結(jié)構(gòu)的沖壓成形過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬仿真，再對(duì)仿真過(guò)程出現(xiàn)的不同缺陷進(jìn)行分析，在滿足各項(xiàng)設(shè)計(jì)開發(fā)要求的前提下，中部特征最小拔模角度大于25°，通過(guò)對(duì)影響成形的拉深方向、壓邊力、工藝補(bǔ)充面、等效拉延筋等影響因子做相應(yīng)調(diào)整，得到了較好的沖壓結(jié)果，表明該結(jié)構(gòu)可進(jìn)行沖壓成形，為鋁合金前罩內(nèi)板工程化提供了設(shè)計(jì)參考。