新能源汽車前蓋內(nèi)板輕量化成形設(shè)計及優(yōu)化

林啟豪，劉萍萍，陳明福

（泉州職業(yè)技術(shù)大學(xué) 中營汽車學(xué)院，福建 晉江 362268）

隨著人們節(jié)能環(huán)保意識的提高， 新能源汽車成為重要的交通工具。與燃油車相比，新能源汽車的動能比較低，新能源汽車重量的增加，降低了新能源汽車的續(xù)航能力［1］。 汽車總重量的30%是由車身占據(jù)的，其中，車身中覆蓋件的重量占有很大比例，因此，降低覆蓋件的重量是實(shí)現(xiàn)新能源汽車輕量化的關(guān)鍵之一［2-3］。 覆蓋件的輕量化設(shè)計方法有結(jié)構(gòu)輕量化和材料輕量化2 種。 本文采用材料輕量化方法實(shí)現(xiàn)覆蓋件的輕量化設(shè)計。 材料輕量化是通過使用輕質(zhì)合金材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼材以降低重量。 在眾多輕質(zhì)合金材料中，鋁合金材料具有密度小、強(qiáng)度高、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，在覆蓋件的輕量化中廣泛使用，但鋁合金在沖壓時容易發(fā)生開裂和起皺等缺陷， 給輕量化制造造成了一定困難［4-7］。 本文采用有限元軟件對某品牌新能源汽車前蓋加強(qiáng)板鋁合金板材沖壓成形的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以提高其成形質(zhì)量。

1 材料輕量化研究

某品牌新能源汽車前蓋加強(qiáng)板的設(shè)計圖如圖1所示，材料為DL03 鋼，設(shè)計厚度為0.8 mm。

圖1 前蓋加強(qiáng)板的設(shè)計圖

本實(shí)驗使用AA5186 系列的鋁合金板材代替原設(shè)計的DL03 板材，為確保使用新材料后零件的強(qiáng)度和剛度，需要對鋁合金板材的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行校核。使用鋁合金板材后零件的強(qiáng)度提升可以通過增加板材厚度實(shí)現(xiàn)，鋁合金板材厚度計算如下。

（1）從彎曲剛度角度計算鋁合金板材厚度，計算公式為

式中，t鋁為鋁合金板的厚度，t鋼為鋼板的厚度，E鋼為鋼板的彈性模量，E鋁為鋁合金板的彈性模量。 經(jīng)計算可得鋁合金板材的厚度為1.43 mm。

（2）從彎曲強(qiáng)度角度計算鋁合金板材的厚度，計算公式為

式中，σ鋼為鋼板的屈服強(qiáng)度，σ鋁為鋁合金板的屈服強(qiáng)度。 計算可得鋁合金板材的厚度為1.48 mm。

由于新能源汽車前蓋尺寸和重量均較大， 前蓋內(nèi)板承受的載荷較大， 對前蓋內(nèi)板的強(qiáng)度和剛度要求都較高，為了滿足強(qiáng)度和剛度要求，本實(shí)驗選用鋁合金板材的厚度為1.5 mm。

2 新能源汽車前蓋內(nèi)板沖壓成形設(shè)計

2.1 沖壓工序設(shè)計

某新能源汽車前蓋加強(qiáng)板零件的尺寸大、 拉延深度小，沖壓時易出現(xiàn)拉伸不足和發(fā)生開裂、回彈等缺陷。為避免這些缺陷的產(chǎn)生，根據(jù)零件的特點(diǎn)設(shè)置前蓋加強(qiáng)板的沖壓工序（圖2）為拉延、切邊、整形。

圖2 汽車前蓋加強(qiáng)板的沖壓工序

2.2 拉延模型面設(shè)計

由前蓋加強(qiáng)板的設(shè)計圖（圖1）可知，汽車廠給出的是零件設(shè)計圖，該圖無法直接用于拉延工藝，需要按照拉延工藝模具的要求構(gòu)建拉延模型面， 構(gòu)建的拉延模型面設(shè)計包括沖壓方向選定、 壓邊圈面設(shè)計、工藝補(bǔ)充面設(shè)計和拉延筋的設(shè)計。

2.2.1 沖壓方向選定

沖壓方向的選定直接影響到拉延模型面的可行性。在設(shè)計汽車前蓋內(nèi)板時以車身坐標(biāo)為參考，拉延設(shè)計時需要調(diào)整坐標(biāo)方向以符合沖壓設(shè)計規(guī)范。 通過Dynaform 對零件的沖壓角進(jìn)行分析， 確保只需要一次完成拉延，最終獲得沖壓方向為-Z 方向，如圖3所示。

圖3 沖壓方向

2.2.2 壓邊圈面設(shè)計

壓邊圈面是零件輪廓外的型面， 它是沖壓成形重要部分， 壓邊圈面的優(yōu)劣對汽車沖壓件的沖壓成形有著十分重要的影響。 設(shè)計壓邊圈面時應(yīng)滿足壓邊圈面變化均勻和平緩、 形狀簡單、 加工方便等要求。根據(jù)汽車前蓋內(nèi)板的特點(diǎn)，設(shè)計的壓邊圈面形狀為矩形（圖4）。

圖4 壓邊圈面

2.2.3 工藝補(bǔ)充面設(shè)計

工藝補(bǔ)充面是零件外輪廓與壓邊圈面之間的過渡面和零件中間孔槽的填充面， 主要起著零件外輪廓與壓邊圈面之間橋接作用，使板料更加充分成形。設(shè)計工藝補(bǔ)充面時需要考慮補(bǔ)充面的光順性和對后續(xù)工序的影響。 根據(jù)零件外輪廓和壓邊圈面的特點(diǎn)設(shè)計工藝補(bǔ)充面（圖5）。

圖5 工藝補(bǔ)充面

2.2.4 拉延筋設(shè)計

拉延筋的作用是增加拉延成形時板料在壓邊圈面和凹模之間的摩擦力， 以及控制板料的流動性以提高板料的塑性變形。 合理設(shè)計的拉延筋能改善零件成形質(zhì)量、 減少能量損耗。 在仿真分析中，拉延筋有真實(shí)拉延筋和等效拉延筋2 種，真實(shí)拉延筋需要在凹模和壓邊圈面中創(chuàng)建相應(yīng)的造型， 等效拉延筋是通過相同的約束條件完成相同的拉延效果。本實(shí)驗利用Dynaform 的DRAWBRADS模塊在凹模中添加等效拉延筋（圖6）。

圖6 設(shè)計的等效拉延筋

3 鋁合金汽車前蓋內(nèi)板成形優(yōu)化研究

3. 1 成形質(zhì)量評價

汽車前蓋內(nèi)板沖壓成形過程復(fù)雜， 材料內(nèi)部會發(fā)生滑移造成板料厚度不均勻， 可以通過成形后板料的最大減薄率和最大增厚率來判斷成形質(zhì)量的優(yōu)劣。 最大減薄率和最大增厚率是成形質(zhì)量評價的重要評價指標(biāo)，最大減薄率RL 和最大增厚率RH 分別定義為

式中，t0為板料成形前的厚度，t1為板料成形后的厚度。

鋁合金板材沖壓成形后容易產(chǎn)生剛性弱和發(fā)生回彈缺陷， 這2 個缺陷與塑性變形程度有著直接的關(guān)系，塑性變形程度可通過材料的應(yīng)變進(jìn)行評價，應(yīng)變ε 定義為

式中，r 為彎曲半徑，ε1為主應(yīng)變，ε2為次應(yīng)變。

3.2 鋁合金汽車前蓋內(nèi)板正交試驗設(shè)計

影響鋁合金汽車前蓋內(nèi)板成形質(zhì)量的因素有很多， 如果將每個因素組合均進(jìn)行試驗需要很多次試驗。 正交試驗可以從實(shí)驗組合中選取少量的均勻分散、齊整可比、代表性較強(qiáng)的試驗方案，并且通過統(tǒng)計學(xué)方法對所選的方案進(jìn)行分析獲得最佳方案組合。 根據(jù)汽車前蓋內(nèi)板的特點(diǎn)和沖壓工序安排， 本試驗主要對拉延工序的工藝參數(shù)進(jìn)行研究，以汽車前蓋內(nèi)板最大減薄率小于20%、最大增厚率小于5%以及塑性變形程度作為評價目標(biāo)，選壓邊力、摩擦系數(shù)、模具間隙和沖壓速度4 個參數(shù)作為優(yōu)化因素進(jìn)行正交試驗， 正交試驗中各因素水平取值如表1 所示。

表1 各因素水平取值

3.3 試驗結(jié)果分析及多目標(biāo)優(yōu)化

利用Dynaform 軟件完成L9（34）正交試驗方案表中的各組參數(shù)方案的仿真模擬， 得到汽車前蓋內(nèi)板的最大減薄率、最大增厚率和塑性變形程度情況（表2）。從表2 可知， 汽車前蓋內(nèi)板的最大減薄率的最大值為11.20%、最小值為10.32%，9 組方案的最大減薄率都符合設(shè)計要求； 汽車前蓋內(nèi)板的最大增厚率最大值為5.48%、最小值為4.21%，針對第1、第2 和第6 組方案而言，汽車前蓋內(nèi)板的最大增厚率超過允許值；汽車前蓋內(nèi)板拉延塑性變形程度均達(dá)到充分及以上。

表2 正交試驗結(jié)果

極差分析是正交試驗數(shù)據(jù)分析最常用的分析方法， 通過極差值可以判斷試驗因素對結(jié)果的影響程度。表3 和表4 分別是汽車前蓋內(nèi)板最大減薄率的極差分析結(jié)果和最大增厚率的極差分析結(jié)果。從表3 可知，影響汽車前蓋內(nèi)板最大減薄率的因素從大到小依次為壓邊力、沖壓速度、摩擦系數(shù)和模具間隙。 從表4可知，影響汽車前蓋內(nèi)板最大增厚率的因素從大到小依次為壓邊力、模具間隙、沖壓速度和摩擦系數(shù)。通過Design-Expert 軟件以最大減薄率、最大增厚率為評價目標(biāo)進(jìn)行最優(yōu)工藝參數(shù)求解，獲得汽車前蓋內(nèi)板最優(yōu)沖壓工藝參數(shù)：壓邊力為200 kN，摩擦系數(shù)為0.20，沖壓速度為3 000 mm/s，模具間隙為1.58 mm。

表3 最大減薄率的極差分析結(jié)果

表4 最大增厚率的極差分析結(jié)果

4 兩種材料最優(yōu)參數(shù)的成形質(zhì)量對比

通過上述分析可知汽車前蓋內(nèi)板的鋁合金板材成形最優(yōu)工藝參數(shù)：壓邊力為200 kN，摩擦系數(shù)為0.20，沖壓速度為3 000 mm/s，模具間隙為1.58 mm。使用相同的優(yōu)化方法可以得出汽車前蓋內(nèi)板的低碳鋼板材成形最優(yōu)工藝參數(shù)： 壓邊力為300 kN，摩擦系數(shù)為0.25，沖壓速度為4 000 mm/s，模具間隙為1.1 mm。 從2 種板材成形的最優(yōu)工藝參數(shù)可知，低碳鋼板材成形的壓邊力比鋁合金板材成形所需的壓邊力增加50%，摩擦系數(shù)和沖壓速度也有所增加。 圖8 為2 種材料采用最優(yōu)工藝參數(shù)成形后經(jīng)切邊的成形極限圖。從圖8 可知，鋁板料成形比鋼板料成形更充分，起皺區(qū)域更小。 圖9 為2 種材料最優(yōu)工藝參數(shù)的成形厚度分布圖。 從圖9（a）可以看出，鋁板料成形最小厚度為1.421 1 mm，最大厚度為1.508 1 mm，最大減薄率為5.26%，最大增厚率為0.54%；從圖9（b）可以看出，鋼板料成形最小厚度為0.681 0 mm，最大厚度為0.872 1 mm， 最大減薄率為14.87%，最大增厚率為9.01%。 使用鋁板材代替鋼后零件的最大減薄率和最大增厚率分別下降了9.61% 和8.47%，重量由12.4 kg 降低至8.15 kg，重量下降率為34.3%。

圖8 2 種材料的成形極限圖

圖9 2 種材料的成形厚度分布

5 結(jié)論

本文以新能源汽車前蓋內(nèi)板為例， 使用鋁合金板材代替低碳鋼板材， 通過正交試驗完成新能源汽車前蓋內(nèi)板沖壓工藝的參數(shù)優(yōu)化， 利用仿真軟件完成了低碳鋼板材和鋁合金板材2 種材料的沖壓成形工藝的實(shí)驗驗證。實(shí)驗表明，鋁合金板材代替低碳鋼板材成形更充分，使用鋁合金板代替低碳鋼板后，最大減薄率和最大增厚率分別下降了9.61%和8.47%，重量由12.4 kg 降低至8.15 kg， 重量下降34.3%，實(shí)現(xiàn)了前蓋內(nèi)板輕量化設(shè)計。