5182鋁合金前圍板沖壓工藝研究

王濤　孫占軍　武彩峰

摘 要：通過(guò)0°、45°、90°三個(gè)方向單向拉伸實(shí)驗(yàn)，建立基于Barlat-89屈服準(zhǔn)則的5182各向異性材料模型。通過(guò)Pamstamp有限元模擬軟件分析鋁合金前圍板沖壓工藝可行性，優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和沖壓工藝設(shè)計(jì)，獲得理想的沖壓成形工藝方案。優(yōu)化鋁合金模具結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)模具調(diào)試，實(shí)現(xiàn)5182鋁合金前圍板批量生產(chǎn)。關(guān)鍵詞：Barlat-89屈服準(zhǔn)則;各向異性材料模型;前圍板;鋁合金中圖分類號(hào)：U466 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）08-178-04

Abstract： Through the uniaxial tensile experiments at 0°， 45°， and 90°， a 5182 anisotropic material model based on the Barlat-89 yield criterion is established. Pamstamp finite element simulation software was used to analyze the feasibility of the aluminum alloy dash panel stamping process， optimized the product and stamping process， and obtained the ideal stamping process plan. Optimized the structure of stamping mold and debugging at production， realized the mass production of 5182 aluminum alloy dash panel.Keywords： Barlat-89 yield criterion; Anisotropic material model; Dash panel;?Aluminum alloyCLC NO.： U466 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）08-178-04

引言

隨著我國(guó)的環(huán)保法規(guī)日益嚴(yán)格，消費(fèi)者對(duì)新能源汽車?yán)m(xù)航里程需求日益增加，汽車輕量化設(shè)計(jì)已成為各大汽車制造商提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力重要戰(zhàn)略性措施之一。鋁合金作為一種輕質(zhì)合金，具有良好成形性能、使用性能以及環(huán)境友善等優(yōu)點(diǎn)，是一種非常理想的車身輕量化材料[1]。

鋁合金板材沖壓成形相比較傳統(tǒng)冷軋鋼板有較大差異，沖壓成形性能較差，容易造成縮頸、開裂和起皺等沖壓缺陷。本文結(jié)合國(guó)內(nèi)某款新能源汽車鋁合金前圍板的開發(fā)，通過(guò)板材的拉伸實(shí)驗(yàn)建立5182鋁合金沖壓數(shù)值分析模型，利用Pamstamp沖壓有限元軟件對(duì)沖壓工藝進(jìn)行數(shù)值模擬，為量產(chǎn)模具設(shè)計(jì)和生產(chǎn)調(diào)試提供支持。

1?實(shí)驗(yàn)材料和數(shù)值模型

1.1?鋁合金材料牌號(hào)和料厚

車身用鋁合金主要是5系和6系鋁合金。5182鋁板沖壓成形性能優(yōu)異，能夠成形復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件，且成本較6系鋁合金低，適用于內(nèi)板類結(jié)構(gòu)件。前圍板周邊布置較多，較多零件總成需要安裝在前圍板上，對(duì)前圍板的剛度和強(qiáng)度提出較高要求，同時(shí)考慮NVH性能影響，零件料厚選擇1.5mm。

1.2?5182鋁合金材料數(shù)值模型

鋁合金板材經(jīng)軋制后具有各向異性，為保證沖壓有限元模擬分析精度，建立5182鋁合金板材各向異性的材料數(shù)值模型非常重要。分別從鋁板上沿軋制方向0°、45°和90°方向取樣，利用萬(wàn)能拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，獲得鋁板各向異性參數(shù)和應(yīng)力應(yīng)變曲線，為獲取板材準(zhǔn)確成形極限曲線，利用Zwick成形試驗(yàn)機(jī)和ARAMIS動(dòng)態(tài)光學(xué)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)獲取5182鋁板的成形極限曲線。實(shí)驗(yàn)設(shè)備和拉伸試樣尺寸如圖1所示。

1.3?鋁合金材料屈服準(zhǔn)則

因材料參數(shù)獲取方便，各向異性材料模型一般應(yīng)用Hill-48屈服準(zhǔn)則，在厚向異性系數(shù)r>1鋼板應(yīng)用廣泛，而對(duì)于厚向異性系數(shù)r<1的鋁板，Hill-48屈服準(zhǔn)則計(jì)算精度有一定偏差，推薦應(yīng)用三參數(shù)Barlat-89屈服準(zhǔn)則[2-6]。鋁合金是面心立方結(jié)構(gòu)，材料參數(shù)m=8[7]，通過(guò)拉伸實(shí)驗(yàn)獲取的r0、r45、r90，可以計(jì)算出Barlat-89屈服準(zhǔn)則的a、h、c和p等參數(shù)。

將拉伸實(shí)驗(yàn)參數(shù)及真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線以及成形極限導(dǎo)入Pamstamp軟件，建立5182鋁板各向異性的材料模型。

2 鋁合金前圍板沖壓有限元模擬

2.1?拉延工藝補(bǔ)充模面設(shè)計(jì)

前圍板與周邊零部件連接點(diǎn)較多，同時(shí)腳踏板、制動(dòng)泵、空調(diào)壓縮機(jī)及儀表盤支架等部件都需要在前圍板上布置安裝點(diǎn)，所以前圍板結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，且質(zhì)量要求高。前圍板產(chǎn)品結(jié)構(gòu)如圖2所示。

拉延工藝補(bǔ)充設(shè)計(jì)是零件沖壓工藝設(shè)計(jì)關(guān)鍵。對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零件，拉延工藝設(shè)計(jì)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：（1）盡可能拉延成形出所有零件結(jié)構(gòu)，減少翻邊整形或二次拉延;（2）鋁合金零件回彈嚴(yán)重，應(yīng)保證拉延零件變形充分，降低厚向的應(yīng)力梯度;（3）拉延工藝補(bǔ)充的圓角半徑應(yīng)該大一些，防止拉延缺陷，提高零件變形量。拉延工藝補(bǔ)充設(shè)計(jì)如圖3所示。

2.2?沖壓成形有限元模擬

將材料模型和拉延工藝設(shè)計(jì)導(dǎo)入Pamstamp沖壓有限元分析軟件，建立前圍板沖壓成形數(shù)值分析模型，如圖4所示。

沖壓成形數(shù)值模型關(guān)鍵參數(shù)設(shè)定：

（1）摩擦系數(shù)設(shè)定。鋁合金板材硬度低于冷軋鋼板，拉延時(shí)板材與模具間的摩擦力大，摩擦系數(shù)設(shè)置為0.17。

（2）拉延筋設(shè)定。在模型調(diào)試階段一般使用虛擬拉延筋，便于參數(shù)調(diào)整，提高計(jì)算效率。當(dāng)計(jì)算模型穩(wěn)定后，為提高計(jì)算準(zhǔn)確性，根據(jù)虛擬拉延筋阻力值設(shè)計(jì)真實(shí)拉延筋斷面和布置。

（3）壓邊力設(shè)定。在模型調(diào)試階段，根據(jù)板材屈服強(qiáng)度和凹?？陂L(zhǎng)度預(yù)估壓邊力值，根據(jù)模擬結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，而當(dāng)采用真實(shí)拉延筋時(shí)，考慮到拉延筋頂升力影響，一般采用定間隙壓料。壓邊圈和凹模的間隙設(shè)置為1.05t～1.1t之間（t表示板材厚度）。

（4）坯料網(wǎng)格尺寸。坯料網(wǎng)格最小尺寸一般設(shè)置為0.8t。

經(jīng)多次拉延工藝補(bǔ)充優(yōu)化和參數(shù)調(diào)整，前圍板沖壓成形極限、減薄率分布云圖如圖5所示。拉延變形充分，除少數(shù)點(diǎn)存在減薄嚴(yán)重的風(fēng)險(xiǎn)外，整體沖壓成形性良好。

3 沖壓模具設(shè)計(jì)和調(diào)試

3.1?沖壓模具設(shè)計(jì)

前圍板沖壓成形工藝設(shè)計(jì)為5序：OP10拉延成形，OP20修邊沖孔，O30修邊沖孔，O40翻邊整形，OP50沖孔整形。沖壓工序設(shè)計(jì)如圖6所示。

鋁合金零件與鋼零件的沖壓模具結(jié)構(gòu)基本相同，但因鋁板材性能與冷軋鋼板差異較大，在模具設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（1）鋁合金板成形性能較鋼板低，在拉延時(shí)局部容易產(chǎn)生縮頸、開裂等缺陷，拉延工藝補(bǔ)充要適當(dāng)大一些，圓角半徑也要大一些，有利于模具內(nèi)板材流動(dòng)控制。

（2）鋁合金板材成形硬化比較嚴(yán)重，二次變形潛力低，盡可能一次成形出所有結(jié)構(gòu)（翻邊除外），避免二次拉延和大變形量整形。翻邊盡可能一序完成，避免成形和翻邊交接處棱線屈曲影響搭接面匹配質(zhì)量。

（3）鋁合金板材較輕，壓機(jī)開模時(shí)容易帶件，需要增加頂料銷;在不影響表面質(zhì)量情況增加通氣孔尺寸和數(shù)量，適當(dāng)降低沖壓節(jié)拍;廢料下滑有困難，推薦廢料滑道為?30° ，使用網(wǎng)紋板。

（4）板材在拉延筋處變形和摩擦大，易產(chǎn)生碎屑，應(yīng)避免使用方筋，拉延筋圓角半徑為6t以上。

（5）鋁板修邊沖孔時(shí)容易產(chǎn)生廢屑，粘在模具表面形成積屑瘤，影響沖壓件表面質(zhì)量。減少?gòu)U屑的工藝方案如下：采用多序修邊，避免使用廢料刀;斜楔修邊時(shí)拉延筋局部應(yīng)斷開避讓處理;盡可能減少直修和側(cè)修交刀;修邊沖孔刃口不宜太鋒利，推薦刃口為R0.3～0.5mm;修邊沖孔上模刃口一般要做成2°負(fù)角，下模刃口0.5°負(fù)角，減少與斷口摩擦產(chǎn)生的廢屑;翻邊上、下模能采用整體式鑲塊，避免拼接縫產(chǎn)生廢屑;模具需要增加除屑裝置，縮短模具清理周期。

（6）為避免沖孔廢料堵塞，沖孔凸模全部采用頂料型沖頭。

（7）翻邊和整形壓料面應(yīng)盡可能窄，其他區(qū)域全部空開，防止壓傷零件表面。

（8）模具表面光潔度要求較高，需要進(jìn)行表面激光淬火后鍍鉻處理。

3.2?模具現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試

經(jīng)鑄造、機(jī)加工、裝配等工作后，拉延模具上模如圖7所示。在前圍板模具早期試模階段，拉延件的側(cè)壁、局部尖點(diǎn)和凹坑開裂嚴(yán)重，這與沖壓成形有限元模擬分析結(jié)果基本一致。沖壓成形有限元模型優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)可以有效指導(dǎo)模具現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試工作。通過(guò)放大拉延工藝補(bǔ)充圓角，打磨模具結(jié)構(gòu)尖點(diǎn)，研磨壓料面和調(diào)整拉延筋圓角半徑和深度，調(diào)整壓邊力等手段，成形出合格拉延制件。合格拉延制件如圖8所示。

3?結(jié)論

（1）通過(guò)0°、45°、90°三個(gè)方向單向拉伸實(shí)驗(yàn)，建立基于Barlat-89屈服準(zhǔn)則的5182各向異性材料模型。

（2）通過(guò)有限元模擬分析，優(yōu)化拉延工藝和模具結(jié)構(gòu)，沖壓成形出5182鋁合金前圍板合格零件，有限元模擬結(jié)果與調(diào)試結(jié)果吻合較好。

（3）有限元模型調(diào)試經(jīng)驗(yàn)對(duì)模具調(diào)試有指導(dǎo)意義，有效提高模具調(diào)試效率，縮短調(diào)試周期。

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