基于CAE技術的汽車鋁板發(fā)動機蓋剛度研究

林再新，胡鵬，鮑益東，趙同躍

(1. 南京航空航天大學 機電學院，江蘇 南京 210016； 2. 福特汽車工程研究工程(南京)有限公司 制造部，江蘇 南京 211000)

0 引言

隨著節(jié)能減排及環(huán)保要求的提升，汽車輕量化成為汽車制造領域的主要發(fā)展趨勢。相關研究表明，汽車每減輕10%的質量，燃油效率提高8%～10%, 排放量降低約4%[1-2]。由此可見，降低汽車自身的質量對于汽車行業(yè)的可持續(xù)、綠色發(fā)展有十分重要的意義。鋁合金材料具有密度小、強度高、抗腐蝕性強、可回收循環(huán)利用等諸多優(yōu)點。另外，鋁合金彈性高，安全性高，發(fā)生碰撞時吸能效果好，鋁合金吸能約是鋼的1.5倍[3]。因此，采用鋁合金板材替代傳統(tǒng)低碳鋼板作為車身材料，可達到減重效果，并可回收和循環(huán)利用，是一種非常優(yōu)良的輕量化材料，被越來越多地應用到汽車車身制造中。

隨著有限元法的日趨成熟，板料成形的數(shù)值模擬技術在制造業(yè)尤其是汽車行業(yè)中的應用也越來越廣泛。有限元軟件Autoform具有計算速度快、容易操作等優(yōu)點，尤其在工藝方案的優(yōu)化和復雜型面的模具設計方面具有獨特的優(yōu)勢，在汽車沖壓行業(yè)應用廣泛[4]。

由于發(fā)動機蓋形狀特征少，通常會有拉延不充分而導致的強度不足問題，而鋁合金材質的發(fā)動機蓋強度問題尤為嚴重。

本文中的鋁板CAE模擬是以Autoform模擬的發(fā)動機蓋成形結果，與實際生產(chǎn)過程中的成形性和剛度進行對比，并對最終的成形結果進行合理的預測。

1 車身用鋁合金板材種類及特點

目前車身鋁合金板材主要有兩個系列，分別為5000系和6000系，可用于發(fā)動機罩、前翼子板、頂蓋、車門、行李箱蓋、動力電池殼體、車廂底板結構件甚至全鋁車身等[5]。

6000系合金屬于熱處理可強化鋁合金，由于加入了Mg-Si 合金元素，具有較高的強度、較好的塑性和優(yōu)良的耐腐蝕性。此外，6000系是烘烤強化合金，在沖壓成形后，經(jīng)油漆烘烤硬化(baking harden，BH)后可達到強化目的，性能進一步提升[6]?，F(xiàn)階段，6000系合金是車身板主要材料，如制作汽車底盤、車門等。

下面以汽車覆蓋件外板常用的鋼板CR4和6000系鋁板6061為例，對兩種材料分別進行板料拉伸試驗和板料成形極限試驗。

1.1 板料拉伸試驗

拉伸試驗被用來測定材料在承受軸向拉伸載荷下的成形性能，包括屈服強度、抗拉強度、強化系數(shù)、硬化指數(shù)、各向異性、延伸率等。本次試驗設備為UTM5504X電子萬能試驗機，額定載荷為50kN,精度等級為0.5級，拉伸速度為13mm/min。為了保證試驗數(shù)據(jù)盡可能的精準，采用加引伸計的室溫拉伸。當拉伸試驗機判斷試件斷裂時，自動停止拉伸。圖1為各試樣拉伸變形圖，計算機記錄引伸計的變形情況和載荷的大小，實時進行數(shù)據(jù)輸出，將試驗得到的數(shù)據(jù)進行相關處理，得到低碳鋼和鋁板的真實應力應變曲線，如圖2所示。

圖1 拉伸試驗后試樣

圖2 鋁合金與鋼的應力-應變曲線

1.2 板料成形極限試驗

在板料變形過程中，板面內(nèi)兩個主應力比例發(fā)生變化時，相應的兩個主應變的極限值也會發(fā)生變化，這些數(shù)值從本質上體現(xiàn)出材料的性能。通過改變面內(nèi)兩個主應力的比例，得到多種應力狀態(tài)下對應的兩個主應變的極限值，然后將數(shù)值偏大的主應變作為縱坐標、數(shù)值偏小的主應變列為橫坐標建立坐標系，由獲得的點構成的曲線叫做成形極限圖FLD(forming limit diagram)，也叫成形極限曲線 FLC(forming limit curve)。其目的是測定材料不發(fā)生塑性失穩(wěn)破壞時的極限應變值。本次實驗設備為NHMA80金屬板材成形性能試驗機，圖3為材料破裂后的試樣，圖4為實驗測得的鋁合金與鋼的成形極限圖。

圖3 成形極限試驗后的試樣

圖4 鋁合金與鋼的FLD曲線

通過板料拉伸試驗和板料成形極限試驗，最后進行數(shù)據(jù)處理獲得低碳鋼CR4和鋁合金6061的材料參數(shù)性能，如表1所示。

表1 鋼板與鋁板材料性能比較

表1中：σs為屈服強度；σb為材料的強度極限；n為硬化指數(shù)；r為塑性應變比；fFLC0為單向最大應變。由此可以發(fā)現(xiàn)，鋁板塑性遠低于鋼板，抗拉強度低，延伸性差，易產(chǎn)生開裂缺陷。模擬調(diào)試過程中，為提高零件剛度，需要在保證成形不開裂的情況下，使零件產(chǎn)生足夠的塑性變形。

2 鋁板剛度不足問題原因分析

鋁板沖壓件很容易出現(xiàn)剛度不足的問題，尤其是像發(fā)動機蓋外板這些成形特征少的扣合件外板。本文從回彈和塑性變形準則兩個方面闡述鋁板剛度不足產(chǎn)生的原因。

a)回彈理論

回彈是彎曲成形中普遍存在的現(xiàn)象，是由卸載過程中內(nèi)力重新分布引起的。根據(jù)塑性理論，回彈角可表示為

(1)

其中：s為屈服應力；E為彈性模量；t為板料厚度；θ為彎曲角度；ρ0為回彈前的曲率。由式(1)可知，板材的回彈量主要由材料的彈性模量決定的。鋁材的彈性模量E為鋼板的1/3，故變形中彈性應變占比大，回彈比鋼板要大3倍左右。如圖5所示，同樣的應變條件下卸載，鋁板的回彈比普通鋼板要大得多。

圖5 鋁板、軟鋼和高強鋼的應力-應變曲線

鋁板要盡量避免二次成形或整形，回彈的整改一般在拉伸過程中實施。根據(jù)這一特點，在設計鋁合金沖模時必須充分考慮。根據(jù)回彈現(xiàn)象，需要使鋁板件產(chǎn)生足夠的塑性變形，以控制回彈量。

b)FLD分區(qū)

有限元軟件Autoform根據(jù)板料的材料性能和主次應變狀態(tài)將FLD分為7個區(qū)域，如圖6所示，分別為：破裂區(qū)(crack)、破裂危險區(qū)(risk of crack)、過度減薄區(qū)(excessive thinning)、安全區(qū)(safe)、拉伸不充分區(qū)(insufficient stretching)、起皺趨勢區(qū)(wrinkle Tendency) 和起皺區(qū)(wrinkle)。

其中將拉延不充分評判準則分為兩類：

1)板料的厚度方向應變εt≤2%(此值為required thinning,即圖6中區(qū)域5)。

2)板料受壓應力作用，但主、副應變都很小(≤0.001)(此值為acceptable thickening, 即圖6中區(qū)域6)。

圖6 成型極限圖

3 CAE分析設置及結果分析

仿真過程中所采用的材料為鋁6061，板料厚度為0.9mm，板料尺寸為2 162mm×1 757mm,其主要力學參數(shù)見表1。在 Process generator中，選取增量計算法(incremental)進行模擬，根據(jù)實際生產(chǎn)經(jīng)驗分別對Blank(毛坯的尺寸、形狀、材料性能等)、Tools (凸模、凹模及壓邊圈的初始位置)、Lube(潤滑條件)、Drawbead(拉延筋)、Process(凸模、凹模及壓邊圈的運動過程和壓邊力) 等參數(shù)進行定義，壓邊圈行程為 175mm，壓邊力為125t，摩擦系數(shù)為0.17，拉延筋采用真實筋的形式，拉延的總成形力為265t，所建立拉延模擬的幾何模型，如圖7所示。

圖7 拉延初始位置結構圖

采用真實拉延筋進行模擬， 成型過程穩(wěn)定沒有起皺趨勢，型面部分都顯示已達到塑性變形，成型極限圖8中顯示為綠色。由于采用了真實拉延筋進行模擬，在拉延筋區(qū)域超過FLD曲線，顯示開裂風險，根據(jù)以往分析和現(xiàn)場經(jīng)驗，這些區(qū)域開裂風險可控。檢查滑移線，沒有進入產(chǎn)品外觀面內(nèi)部。綜合分析Autoform 模擬結果，認為可以開始啟動加工和調(diào)試工作(因本刊為黑白印刷，有疑問之處可咨詢作者)。

圖8 CAE成形圖及FLD圖

成形后主次應變數(shù)值如圖9所示。

圖9 主應變及副應變值

如圖所示，基于Autoform模擬的主次應變值，等效應變都>0.03，其中主應變高于0.025，副應變高于0.15,滿足工程實際評判準則，模擬結果可以接受。

4 現(xiàn)場實驗及CAE結果對比

模具加工后，在進行沖壓調(diào)試前需要對壓邊圈和上模進行研合，保證沖壓過程各模具之間沒有間隙，且材料是能夠均勻流動。圖10為現(xiàn)場沖壓后零件成型圖，將壓邊力設置為125 t。

圖10 拉延后零件狀態(tài)

現(xiàn)場通過測量板件邊緣到拉延筋的距離對比進料情況。從圖11可知，相較于CAE分析結果來說，現(xiàn)場實際情況板料進料更多，此時存在零件拉延不充分的缺陷。

圖11 拉延材料進料與Autoform結果對比

為進一步確定成型零件缺陷，對零件中心部位進行零件厚度測量，結果如圖12所示，這4個區(qū)域的板料變薄情況沒有達到CAE模擬的結果。

圖12 拉延材料變薄與Autoform結果對比

通過CMM檢測零件在檢具上的偏差量，如圖13所示，這4個點超出覆蓋件表面偏差1mm的公差要求，零件的剛度不足，塌陷嚴重。

圖13 CMM測量報告

對板料印刷網(wǎng)格拉延后進行了FLD測試，測量點位及測量數(shù)據(jù)如圖14所示。

圖14 FLD測試結果

圖14中，點7和點11的厚向應變值分別是1.309%和1.789%，零件中心部位明顯沒有達到足夠的塑性變形。綜上所述，該零件不滿足實際生產(chǎn)要求，需要對成形工藝參數(shù)進行適當?shù)恼{(diào)整。

5 基于實踐對比后的整改方案

針對現(xiàn)場情況與CAE模擬結果不匹配的問題，經(jīng)過多次實驗測試整改發(fā)現(xiàn)CAE分析結果與實際生產(chǎn)現(xiàn)場不同的主要原因有兩點：

1) 實體拉延筋的高度與CAE中虛擬筋的系數(shù)不匹配，需將拉延筋高度增加1mm。

2) 壓邊力過大，材料流動阻力過大，應調(diào)整壓邊力減小到120t。

通過修正拉延筋高度和壓邊力大小，現(xiàn)場拉延的材料進料量和材料變薄量與CAE分析結果基本匹配，如圖15所示。調(diào)整后的結果如圖16、圖17所示。

圖15 調(diào)整后拉延材料進料情況

圖16 調(diào)整后拉延零件變薄對比

圖17 調(diào)整后CMM測量報告

對板料印刷網(wǎng)格拉延后進行了FLD測試，測量點位及測量數(shù)據(jù)如圖18所示。

圖18 調(diào)整后FLD測試結果

從圖17的CMM零件測量報告中可以看出，零件的剛度明顯提升，零件偏差量由整改前的1.1mm降到0.4mm，符合零件公差要求。

圖18中點9和點29的厚度方向應變分別是5.375% 和4.171%，與整改前零件的應變對比，整改后板件的應變達到2%以上，滿足了基本的塑性變形基本要求，保證了零件的剛度。

6 結語

扣合件外板零件形狀特征少，為保證零件的剛度，達到強度變形的要求，前期CAE分析時需要保證零件中心區(qū)產(chǎn)生足夠的塑性變形，尤其是鋁板合金。CAE和現(xiàn)場零件都要達到2%以上的塑性變形,調(diào)試過程必須參考CAE模擬的狀態(tài)，對比材料的流入量與CAE結果相匹配。從零件在檢具上的塌陷量及FLD實驗測量的主次應變上都能夠很好地判斷零件的塑性變形狀態(tài)及剛度要求。