6005A 多腔型材壓彎成型分析

胡 武，張流錕，左慶華，盧有慶，廖 斌*

（1.南南鋁業(yè)股份有限公司，廣西 南寧 530200；2.中國(guó)航發(fā)貴州黎陽(yáng)航空動(dòng)力有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550014）

隨著汽車逐步實(shí)現(xiàn)電動(dòng)化、輕量化，對(duì)汽車?yán)m(xù)航能力提出了更高的要求，而決定續(xù)航能力除了電池以外，車體自身重量也起著決定性作用，有數(shù)據(jù)表明：燃油車車身重量每減重10%，不僅可以減少8%的尾氣排放以及6.8%的油耗，而且可以縮短8%加速至60 km/h的加速時(shí)間以及5%的制動(dòng)距離。同理，對(duì)于新能源汽車而言，若自身重量降低10%，電動(dòng)車?yán)m(xù)航里程可提高10%~15%；此外，電池成本還可以降低15%~20%，日常損耗成本也可以減少20%。所以汽車輕量化對(duì)于燃油車和新能源車輛均具有重大意義。

汽車輕量化方式主要包括使用輕量化材料、采用先進(jìn)制造工藝以及在設(shè)計(jì)時(shí)考慮輕量化結(jié)構(gòu)，這三種方式均與輕量化材料及零部件密切相關(guān)。鋁合金具有低密高強(qiáng)的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于汽車輕量化領(lǐng)域。其中，Al-Mg-Si 作為可熱處理型鋁合金，具有良好的熱塑性、耐蝕性能及機(jī)械性能，因而被廣泛應(yīng)用于汽車、軌道交通及建筑等領(lǐng)域[1-3]。而6005A 作為Al-Mg-Si合金中的典型代表，具有中等強(qiáng)度、良好的焊接性能以及優(yōu)良成型性能，常用于生產(chǎn)各種形狀復(fù)雜的薄壁腔體型材[4-6]。這類型材主要用于輕量化中的軌道交通及汽車領(lǐng)域，具有較好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

由于車身框架式結(jié)構(gòu)具有較好的設(shè)計(jì)減重效果，所以鋁合金車身框架結(jié)構(gòu)應(yīng)用也隨之被推廣[7]。但是，Al-Mg-Si 合金在車身框架中常以鋁型材為主，傳統(tǒng)的車身框架式結(jié)構(gòu)主要采用鋸切+焊接的方式進(jìn)行拼裝，該方法不但加工量大且整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有所下降。而采用彎曲型材進(jìn)行裝配不僅使得框架結(jié)構(gòu)具有優(yōu)美外形，而且可有效減少由于連接工藝（焊接等）導(dǎo)致的強(qiáng)度損失[8]。

然而，型材（尤其是薄壁型材）經(jīng)彎曲后易出現(xiàn)扭擰、起皺及截面變形等缺陷[9-10]。截面畸變會(huì)導(dǎo)致彎曲后型材平面度無法達(dá)到要求，造成后續(xù)機(jī)加、裝配出現(xiàn)問題。因此，本文從實(shí)際生產(chǎn)出發(fā)，以6005A 鋁合金薄壁多腔型材為研究對(duì)象，從填充材料、填充方式等方面著手，探究了薄壁多腔型材的壓彎成型性能。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為本公司擠壓的T5 態(tài)6005A 鋁合金薄壁多腔型材，其型材截面及彎曲圖如圖1 所示。從圖1（a）可以看出該款型材由6個(gè)矩形腔體構(gòu)成，且其中兩個(gè)腔體寬厚比大（寬厚比分別為32 和46）。由圖1（b）可知彎曲弧度由兩段圓弧及一段直線段組成且整段彎曲部位彎曲間距較小，考慮其余彎曲方式較難以實(shí)現(xiàn)。所以，型材彎曲成型方式選擇為壓彎。試驗(yàn)在1600T 壓力機(jī)上進(jìn)行，型材壓彎后采用三坐標(biāo)沿過渡位置處型材截面進(jìn)行取點(diǎn)測(cè)量，隨后將所得數(shù)據(jù)導(dǎo)出，采用Origin 作圖軟件進(jìn)行處理，通過過渡位置截面所測(cè)量的實(shí)際輪廓對(duì)截面畸變情況對(duì)壓彎后型材截面畸變情況進(jìn)行表征。此外，填充材料先加工為20 mm×20 mm×30 mm 的矩形壓縮試樣，其力學(xué)性能在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行壓縮，完成后導(dǎo)出數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理。

圖1 試驗(yàn)用型材信息（單位：mm）

1.2 試驗(yàn)方案

由于該款壓彎型材為多腔型材，為保證壓彎后型材截面畸變最大位置不得超過1.5 mm 的成型要求，須考慮對(duì)其寬厚比較大的腔體進(jìn)行填充，填充材料分別選擇常見的PU、PP、PVC 及PA6，試驗(yàn)填充方式如圖2 所示，圖中加粗部分代表填充材料形狀及相應(yīng)填充位置。

圖2 試驗(yàn)填充方案

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 填充材料性能測(cè)試

由于填充材料的選擇對(duì)多腔型材彎曲后截面畸變情況有著至關(guān)重要的作用，所以首先將不同填充材料進(jìn)行壓縮測(cè)試，所獲得的力學(xué)性能數(shù)據(jù)經(jīng)處理后得到的力學(xué)曲線如圖3 所示。由圖3 可以看出四種材料壓縮性能各不相同，存在一定的差異。試驗(yàn)用填充材料屈服強(qiáng)度由高到低的順序?yàn)镻A6、PVC、PP、PU，其對(duì)應(yīng)強(qiáng)度分別為73 MPa、58 MPa、40 MPa、3 MPa。所以，理想的填充材料順序?yàn)镻A6、PVC、PP、PU。

圖3 不同填充材料力學(xué)性能

但是，最適合的填充材料應(yīng)綜合生產(chǎn)成本和可行性角度進(jìn)行考慮。首先，填充材料經(jīng)填充壓彎后無法取出，亦會(huì)導(dǎo)致型材增重，所以為保證彎曲型材整體達(dá)到輕量化，保證型材最低增重效果，填充材料密度是一項(xiàng)重要的選擇指標(biāo)。其次，填充材料采購(gòu)及加工價(jià)格也應(yīng)從生產(chǎn)成本最小化的角度進(jìn)行考慮。四種填充材料密度由高至低依次為PVC、PU、PA6、PP；價(jià)格由高到低依次為PA6、PVC、PP、PU。因此，綜合密度和成本考慮，決定選擇密度較輕，價(jià)格相對(duì)便宜的PP 作為填充材料。

2.2 填充對(duì)截面畸變的影響

填充前后型材截面畸變情況如圖4 所示，可以看出未經(jīng)填充型材（圖4（a））壓彎后其截面不僅上下面發(fā)生畸變，而且型材右側(cè)面也發(fā)生畸變，尤其是兩寬厚比較大型腔位置變形尤為明顯。而型材經(jīng)填充后（圖4（b））壓彎，其截面畸變程度明顯下降，右側(cè)面畸變已基本消除，而上下面畸變程度亦有明顯好轉(zhuǎn)。通過三坐標(biāo)測(cè)量結(jié)果（圖4（c））可以看出不填充最大凹陷位于左3腔體，最大凹陷深度達(dá)8 mm；而填充PP 板后其最大凹陷深度下降至2.5 mm。

圖4 多腔型材壓彎后截面畸變情況

2.3 填充方式對(duì)截面畸變的影響

由圖4（b）中可以看出，經(jīng)PP 板填充壓彎后PP 板會(huì)發(fā)生位移，一旦PP 板填充位置發(fā)生變化，截面畸變情況將發(fā)生改變，這使得每次填充后壓彎效果難以達(dá)到一致，實(shí)際生產(chǎn)過程中成品率難以保證。為保證PP板能夠填充到理論位置，且在壓彎過程中不發(fā)生變化，決定通過對(duì)原有截面進(jìn)行調(diào)整對(duì)填充材料進(jìn)行限制，更改后型材截面如圖2（c）方案3 所示，經(jīng)不同填充壓彎后型材截面畸變情況如圖5 所示。

由圖5（b-c）可知中部量寬厚比較大型腔通過PP板填充后其截面畸變得到了有效改善，方案4 中經(jīng)PP板填充后右側(cè)面截面畸變已經(jīng)解決，但上下表面大寬厚比位置仍存在一定凹陷，通過三坐標(biāo)測(cè)量結(jié)果可知，方案4 中最大凹陷深度為5.4 mm。而方案5 中右側(cè)面和上下面截面畸變均得到了有效改善，通過三坐標(biāo)測(cè)量結(jié)果顯示，方案5 中最大截面下凹深度為0.9 mm，符合下凹深度不超過1.5 mm 要求。

此外，由圖5（a-c）可知，為獲得較好的邊部輪廓，采用對(duì)型材右側(cè)邊部型腔進(jìn)行仿形填充可有效解決右側(cè)部位截面畸變情況。但方案4 中邊部型腔填充需仿形加工，這不僅會(huì)造成生產(chǎn)成本上漲，而且使得整支型材增重較為明顯。然而通過方案5 中對(duì)凹槽內(nèi)部填充PP 板條也可以有效解決右側(cè)邊部位置型腔截面畸變問題。相較于方案4 中的填充方式，通過方案5 的方式進(jìn)行填充具有以下優(yōu)點(diǎn)：首先可以降低生產(chǎn)成本；其次對(duì)整體型材減重明顯；再者加工成本低，填充方式簡(jiǎn)單，有利于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化大批量生產(chǎn)。

圖5 多腔型材經(jīng)不同填充方式壓彎后截面畸變情況

3 結(jié)論

通過對(duì)6005A 多腔型材壓彎后成型效果的研究，得到如下結(jié)論：

（1）PA6、PP、PVC、PU 四種材料中PA6 壓縮屈服強(qiáng)度最高，PU 最低；綜合考慮填充材料力學(xué)性能、填充后型材增重情況以及生產(chǎn)成本等因素后，PP 板被選擇作為本次試驗(yàn)的最佳填充材料。

（2）多腔型材經(jīng)填充PP 板后可有效改善中部大寬厚比型腔截面畸變情況，方案2 中型材截面由不填充時(shí)最大凹陷深度8 mm 減小至2.5 mm。

（3）考慮大生產(chǎn)便利性和填充材料加工成本，得出最佳填充方案為方案5，經(jīng)該方案填充壓彎后其截面最大凹陷值為0.9 mm，滿足下凹深度不超過1.5 mm的設(shè)計(jì)要求。