基于電磁輔助成形的汽車覆蓋件成形工藝研究

崔學習，萬敏，吳向東，金銘，龍安林

（北京航空航天大學 機械工程及自動化學院，北京 100191）

隨著汽車工業(yè)向輕量化方向快速發(fā)展，采用輕質合金材料（主要是鋁合金）是實現(xiàn)汽車零件輕量化的有效途徑[1—2]。鋁合金材料在普通加工工藝（沖壓、拉深等）中表現(xiàn)出明顯的流動性差、回彈量大、貼模度低等問題，給汽車覆蓋件的生產帶來了巨大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)工藝與新興的電磁成形技術相結合為復雜汽車覆蓋件的制造開創(chuàng)了新的思路——電磁輔助成形。電磁成形技術是一種利用脈沖磁場產生洛倫茲力，并將其施加到具有較高電導率工件上，使其快速變形的工藝[3]，被稱為電磁脈沖成形。電磁成形作為一種高能率金屬塑性加工技術，具有能提高難成形金屬的成形性能、減小零件起皺和回彈的優(yōu)點[4]，并且成形過程綠色環(huán)保、無污染[5]，因此該成形技術為鋁合金材料的成形提供了良好的工藝方法[6—10]。

電磁輔助成形工藝是電磁成形工藝的發(fā)展和延伸。與普通電磁成形不同，電磁輔助成形結合了其他傳統(tǒng)加工方法，在成形過程中將電磁成形作為主要或次要加工方法，除了具有通用電磁成形工藝的優(yōu)點外，還具有生產效率高、可擴展性強及靈活度高等特點[11]。早在21 世紀初，Vohnout 等[12]利用埋設在模具內線圈產生的電磁力對難成形部位進行校形，最終以通用雪佛蘭Cavalier 車型AA6111-T4 鋁合金門內板成形件滿足成品要求的方式驗證了電磁輔助成形的可靠有效性。隨后，Shang 和Daehn[13]將線圈嵌入到拉深凸模中，僅使用單一凸模及壓邊設備，經電磁成形多次低輸出能量結合傳統(tǒng)拉深過程，大大提高了材料的拉深極限。Woodward 等[14]結合軋輥成形和電磁成形兩種加工工藝的復合加工方法，完成了“L 形”截面并具有加強筋特征的長條板件。該加工過程首先對軋輥成形出的“L 形”截面半成品零件進行局部電磁擊打，而后成形出半成品零件一側的筋、肋特征，該特征能起到強化材料和增強其抗彎能力的作用，因而該方法被認為是復合了電磁成形與輥彎成形的一種電磁輔助成形工藝[15]。Cui 等[16]提出了一種新的徑向電磁壓力增量式電磁輔助沖壓工藝，該方法用于圓柱形深沖壓，與傳統(tǒng)沖壓工藝相比，連續(xù)3 個線圈放電后的成形深度可增加31%。劉大海[17]研究了5052 鋁合金板材在電磁脈沖輔助沖壓成形過程中的變形機理研究。從微觀角度研究了動態(tài)變形和準靜態(tài)變形機理，指出了塑性變形的微觀機制均為位錯滑移機制，表明了低輸入能量的多次電磁成形可抑制成形過程中慣性力產生，從而有效減小了零件回彈量，改善了零件圓角、倒角位置材料的應力分布。

文中采用一種可復用的薄層電磁線圈，結合成形試驗系統(tǒng)進行電磁輔助成形，通過有限元仿真與試驗驗證相結合的方式，確定試驗最佳工藝參數組合，總結適用于成形復雜曲面板料的工藝流程，為汽車鋁合金覆蓋件的高效、批量生產提供有效方法。

1 試驗

1.1 材料

文中針對廣泛應用于汽車及航空航天領域的鋁合金2524-T3 材料進行汽車覆蓋件的仿真和成形工藝研究，該材料的化學成分如表1 所示。該材料室溫下的力學性能參考文獻[18]，其詳細參數如下：密度為2.78×10-6kg/mm3，彈性模量為73 100 MPa，泊松比為0.33，屈服強度為345 MPa，抗拉強度為483 MPa，伸長率為18%，電阻率為5.82×10-8Ω·m。

表1 AA2524-T3 化學成分（質量分數）[7]Tab.1 The chemical composition limits of 2524-T3 aluminum alloy (mass fraction) %

1.2 工藝參數

文中針對鋁合金汽車覆蓋件進行仿真和成形工藝試驗研究。圖1 展示了汽車覆蓋件的模具特征，為得到最佳的成形工藝參數，將該覆蓋件標記為試驗件和目標件。首先對形狀簡單的試驗件進行正交試驗及仿真分析，獲得最佳工藝參數；最后基于最佳工藝參數組合對目標件進行成形試驗。試驗件為中心150 mm×150 mm 的區(qū)域，如圖1b 所示，目標件為覆蓋件的對稱區(qū)域，其大小為600 mm×150 mm。

圖1 汽車鋁合金覆蓋件模具Fig.1 The die of automobile aluminum alloy

對試驗件的成形工藝參數詳細研究過程參見文獻[18]，該文獻通過成形工藝分析，確定了電壓峰值、線圈厚度、線圈層數及放電擊打次數等主要影響因素，選取試驗件進行正交試驗，最終得到了影響成形結果的各工藝參數優(yōu)先順序及最佳工藝參數組合，并指出對于成形R1曲率半徑，線圈厚度×線圈層數交叉作用效果最為明顯；而成形R2曲率半徑時，峰值電壓×線圈層數交叉作用效果最佳。文中基于文獻[18]確定了成形試驗件的電壓和線圈層數工藝參數，進一步研究成形汽車覆蓋件的電流放電次數和線圈工位最佳工藝參數。

1.3 方法

根據覆蓋件的成形工藝分析，將成形工藝分為兩個工序：沖壓預成形工序和電磁輔助終成形工序。沖壓預成形工序將板料與線圈置于模具內指定位置后，進行合模沖壓，為終成形過程做準備。電磁輔助終成形工序是將預成形的板料和線圈固定并封閉于模具之間，通過高壓絕緣線將線圈接入電磁成形電氣系統(tǒng)，最終形成閉環(huán)電路。在保證試驗環(huán)境高度絕緣和各夾具緊密配合的條件下，執(zhí)行充、放電過程完成電磁輔助終成形。試驗工裝及電磁輔助成形線圈如圖2 所示。由于目標件為對稱細長形零件，故選取其對稱部分進行試驗工藝研究，在進行電磁輔助終成形工序時采用4 個工步，依次進行成形如圖1b 所示。試驗所使用的可復用線圈如圖2b 所示，該線圈為單層電導系數較高的黃銅薄板材，其厚度為0.5 mm，根據覆蓋件的模具尺寸進一步設計了線圈外形尺寸?？紤]到線圈需要連接電磁放電設備，將其端部設計為超出線圈底部50 mm；為使線圈盡可能覆蓋到整個板料表面并保證相鄰換向部位在成形過程中不容易相互接觸，故將線圈氣隙寬度設計成5 mm。線圈整體采用激光切割工藝制造。為了避免線圈在較高電壓（8 kV）環(huán)境下工作時被擊穿出現(xiàn)短路情況，特在線圈表面纏繞厚度為0.125 mm 的聚酰亞胺高壓絕緣層。制作單層線圈時僅包含單張金屬銅薄板，文中使用到的3 層線圈是指將3 張單層線圈完全重疊并固定在相對應的工位進行放電。最后，所設計的線圈主要成形區(qū)域范圍是150 mm×150 mm。

圖2 電磁輔助成形系統(tǒng)及線圈Fig.2 Electromagnetic assisted forming system and coil

2 結果與分析

文中采用試驗與有限元相結合的方法對汽車覆蓋件的成形工藝進行研究，其中有限元的分析流程為：首先對輸入模型進行初步的網格劃分，使用HPERMESH 軟件內置TCL 語言根據網格特征修改對應單元的節(jié)點編號，從而逐步完成網格信息的關聯(lián)過程。然后進行電磁場和結構場的單向耦合分析，分別使用ANSYS APDL 和ABAQUS 軟件的宏指令進行編寫、運算。最后，通過Windows 批處理指令，可將仿真過程程式化，僅通過修改程序指令便可實現(xiàn)成形工藝的參數化分析，詳細說明參見文獻[11]。

2.1 線圈模擬結果分析

對已確定的試驗件（見圖1b）進行試驗與仿真，對于半徑R1和R2處的成形工藝所需要的線圈和電壓參數，文中采用文獻[18]推薦的工藝參數：成形半徑為R1時，選擇峰值電壓為8 kV，線圈層數為單層的成形參數，而在成形半徑為R2時，選擇峰值電壓為8 kV，線圈層數為3 的成形參數。對單層線圈進行電磁場模擬，其結果如圖3a 所示，電磁力在平行段數值較低但分布均勻，而在邊緣的位置顯示出較高的電磁力。仿真發(fā)現(xiàn)，脈沖電流在輸入線圈后會產生“集邊效應”，導致電磁力集中于線圈轉角和邊緣位置；線圈內電流方向經過轉角位置后發(fā)生改變，導致流入和流出轉角位置的電磁力方向相反。為充分利用該線圈電磁力的這種特性，設計了在每個工步中均設計2個工位進行放電擊打，詳細工位位置如圖3b 所示。

圖3 試驗件電磁力分析及擊打工位位置Fig.3 The electromagnetic force analysis and working position of the test piece

對于線圈層數的選擇，文中依據文獻[19]對線圈層數的研究成果確定線圈層數，該文獻指出在使用5層線圈成形6 mm 厚板料時，超過第3 層的線圈出現(xiàn)了電磁力方向與成形方向相反的情況，而該現(xiàn)象會造成電磁力直接作用在相鄰線圈而非作用于成形對象上，而容易導致線圈變形、損壞甚至失效。有限元模擬不同線圈的電磁力方向如圖4 所示，在放電時第1層線圈獲得的電磁力較大，第2 層和第3 層依次減小，從第4 層開始出現(xiàn)電磁力反向作用，故文中選擇線圈的層數為1 和3 進行工藝參數優(yōu)化。

圖4 有限元仿真所得不同層數的電磁力方向[19]Fig.4 The distribution and change rule of magnetic force in each layer of a four-layer coil

2.2 目標件仿真結果分析

基于試驗件的仿真和試驗對比分析，獲得了成形目標件的最佳工藝組合。在仿真計算前，還需對不同工步中的區(qū)域進行實際放電擊打試驗，以獲取目標件成形時不同工位的電流-時間曲線，即8 組可供電磁場分析調用的電流數據?；趯崪y電流數據的模擬，不同工位的打擊次數預測結果如表2 所示，各工步中不同工位的打擊次數分別獨立計數，例如工步1 中首先定位到工位1 位置放電擊打22 次；然后調整位置到工位2，重新計數，放電擊打34 次。不同工位的打擊次數隨工步1 至4 逐漸增大。

表2 有限元模擬放電擊打次數Tab.2 The number of discharge hits for finite element simulation

采用上述最佳工藝組合，對目標件進行試驗，試驗后的目標件如圖5 所示。目標件工步4 區(qū)域的曲面形狀最為復雜，明顯觀察到區(qū)域中的“凸臺”及“筋肋”特征，但由于這兩個特征存在法蘭連接過渡部位，且電磁力在板料最下端的較小，難以起到壓料作用，導致了板料最下端出現(xiàn)了微小翹曲現(xiàn)象。

圖5 基于電磁輔助成形工藝的目標件成形結果Fig.5 The forming result of target part based on electromagnetic assisted forming process

使用三維掃描儀對目標件的成形結果進行三維掃描及幾何重構，如圖6 所示，通過數據云圖的方式展現(xiàn)了試驗結果和目標形狀的尺寸誤差。從整體來看，基于電磁輔助成形的試驗結果誤差較小且均勻分布在兩圓角特征附近。由圖6b 可知，成形出R1曲率半徑特征誤差較小，誤差基本為0，可認為與理論尺寸幾乎重合；同時R2曲率半徑特征絕大部分誤差為0，最大誤差才達到0.8 mm，處于可接受的誤差范圍。此外，覆蓋件底部的誤差均勻且表現(xiàn)為0～0.7 mm，也處于可接受的誤差范圍。值得注意的是，覆蓋件最復雜的第4 工步中區(qū)域的“凸臺”特征中下部誤差為0～0.5 mm，說明該特征已基本成形。但是，由于“凸臺”和“筋肋”特征連通，造成了成形“凸臺”上部位置所需電磁力數值要求更高，因而該部分成形誤差相對較大，最大誤差達到1～1.47 mm，且表現(xiàn)了數值相反誤差，說明存在局部扭曲現(xiàn)象，該區(qū)域的工藝參數有待進一步優(yōu)化。由于對試驗后的目標件采用了三維掃描逆向重構建模技術，所獲得重構件可以認為是真實變形后的零件，與之對比的是從模具型腔內提取出的型面，兩者之間的絕對誤差即為相對誤差。

圖6 目標件的三維幾何重構及誤差云圖Fig.6 Three-dimensional geometric reconstruction of target part and error nephogram

3 結語

針對電磁輔助成形工藝，制定了線圈、工裝和正交試驗設計及有限元單向耦合仿真模擬成形過程的研究方案?；谠囼灲Y果和仿真的對比、分析，驗證了使用成本低、可快速制造和替換的可復用薄層線圈進行電磁輔助成形加工的可行性，并得到如下結論。

1）通過試驗與有限元仿真分析驗證了電磁輔助成形的可行性，同時提出了采用單層可復用線圈進行電磁輔助成形的方法，為大型復雜零件的局部特征成形提供了新的思路。

2）通過有限元仿真確定了基于電磁輔助成形鋁合金覆蓋件的最佳成形工藝參數。基于試驗與仿真結果分析，不同圓角特征的成形過程應采用不同的工藝參數組合：即成形R1采用峰值電壓為8 kV 的單層0.5 mm 線圈的成形參數，4 個工步中工位1 的放電次數依次為22，28，36，44；成形R2采用峰值電壓為8 kV 的3 層0.5 mm 線圈的成形參數，4 個工步中工位2 的放電次數依次為34，42，46，58。

該方法目前還處于探索的初期階段，未來有望從以下方面進一步改進：提高線圈在電磁輔助成形中的加工效率；擬合試驗電流數據，減少試驗次數；改善試驗環(huán)境以提高成形系統(tǒng)能量利用率等。