文/余萬銓,胡志力,華林·武漢理工大學(xué)現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

胡文治,楊冰·東風(fēng)汽車公司技術(shù)中心

伴隨著日益嚴(yán)峻的環(huán)境資源壓力以及嚴(yán)苛的節(jié)能減排法律法規(guī)，輕量化已成為汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展不容忽視的主題。輕質(zhì)材料的使用是實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的重要途經(jīng)，而鋁合金材料以其比強(qiáng)度高、良好的耐腐蝕性及焊接性等優(yōu)點(diǎn)，在汽車生產(chǎn)中的應(yīng)用越來越廣泛。但鋁合金彈性模量小、室溫條件下成形性較差，因此在沖壓成形過程中極易出現(xiàn)起皺、開裂、回彈等缺陷，特別是對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、相對(duì)厚度小、表面質(zhì)量要求高的大型外覆蓋件（如頂蓋外板、發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板等），鋁合金材料在成形性上的劣勢(shì)就更為突出。如何克服鋁合金板材在成形性能上的不足，促進(jìn)鋁合金材料在汽車輕量化中的應(yīng)用，已成為業(yè)內(nèi)關(guān)注的熱點(diǎn)問題。

通常來說，影響汽車零部件成形性能的主要因素包括零件結(jié)構(gòu)、材料性能、成形工藝以及模具設(shè)計(jì)等。在車身外覆蓋件沖壓成形過程中，對(duì)沖壓工藝參數(shù)及模具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化是提高制件成形質(zhì)量的主要方式。國內(nèi)外已經(jīng)有眾多學(xué)者對(duì)鋁合金板材在沖壓成形過程中出現(xiàn)的開裂、回彈、起皺等缺陷及其影響因素進(jìn)行了研究，分析了材料性能、模具結(jié)構(gòu)及工藝參數(shù)等對(duì)沖壓成形性能的影響，極大推動(dòng)了鋁合金材料在汽車輕量化中的應(yīng)用。

本文通過AutoForm軟件平臺(tái)對(duì)鋁合金汽車發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板的沖壓成形過程仿真分析，研究了模具型面結(jié)構(gòu)優(yōu)化及相關(guān)沖壓工藝參數(shù)對(duì)鋁合金板材成形性的影響，同時(shí)采用型面補(bǔ)償?shù)姆椒ㄓ行p小了發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板的回彈。最終通過沖壓試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了沖壓件的試制，試驗(yàn)結(jié)果與仿真優(yōu)化結(jié)果保持了一致性。

模具型面設(shè)計(jì)與優(yōu)化

利用三維建模軟件CATIA對(duì)鋁合金汽車機(jī)罩外板進(jìn)行型面優(yōu)化，其后基于AutoForm軟件平臺(tái)對(duì)板料的成形過程進(jìn)行數(shù)值模擬，討論型面結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)板材成形性的影響，主要集中在可成形性與回彈兩方面進(jìn)行研究。

初始型面設(shè)計(jì)

根據(jù)外板的尺寸大小，取坯料尺寸為1850mm×1245mm×1mm，型面結(jié)構(gòu)如圖1所示。

利用AutoForm軟件平臺(tái)進(jìn)行成形分析。材料選用6016-T4鋁合金，本構(gòu)模型采用Ludwik公式：σ=Kεn，其中σ為真應(yīng)力，ε為對(duì)數(shù)塑性應(yīng)變，n和K為材料常數(shù)。模擬單元為彈塑性殼單元，設(shè)置壓邊力為850kN，摩擦系數(shù)設(shè)為0.15，模具間隙設(shè)為t（即板料厚度），沖壓速度為1mm/s。分析結(jié)果如圖2 所示，從中可見產(chǎn)品開裂嚴(yán)重，在翼子板與玻璃交接處的圓角、機(jī)罩前端都出現(xiàn)了破裂，故該結(jié)果不滿足成形要求，需對(duì)型面進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)。

圖1 初始型面結(jié)構(gòu)

圖2 初始型面成形性分析

第一次型面優(yōu)化

坯料尺寸不變，在初始型面的基礎(chǔ)上，在型面兩側(cè)增加拉延筋，并將拉延筋半徑從8mm增加至10mm，其他較初始型面無改變，型面結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖4為成形仿真分析結(jié)果，雖然開裂問題有所改善，但是擋風(fēng)玻璃與翼子板交界側(cè)的圓角處仍出現(xiàn)明顯破裂問題，需對(duì)型面進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)。

圖3 第一次型面優(yōu)化結(jié)構(gòu)

圖4 第一次型面優(yōu)化成形性分析

第二次型面優(yōu)化

設(shè)定坯料尺寸為1929mm×1320mm×1mm，型面結(jié)構(gòu)在第一次優(yōu)化的基礎(chǔ)上在玻璃側(cè)增加余肉造型，增大圓角改善材料流動(dòng)，并將分模線向外偏移15mm，對(duì)圓弧進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化，其型面結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 第二次型面優(yōu)化結(jié)構(gòu)

第二次型面優(yōu)化結(jié)構(gòu)成形仿真結(jié)果如圖6所示，圖中可見增加的余肉有效地解決了零件破裂問題，優(yōu)化后的圓弧尺寸及圓角半徑使得零件成形充分，減薄率、應(yīng)變分布均勻，保證了零件的剛度。成形后板料的減薄率最大為0.04%，最小為-21.50%；回彈最大值為5.98mm，最小值為-4.97mm，出現(xiàn)在零件中部靠近擋風(fēng)玻璃的局部負(fù)向回彈區(qū)域，回彈量仍然較大。

圖6 第二次型面優(yōu)化分析

工藝參數(shù)的影響

工藝參數(shù)對(duì)零件成形質(zhì)量有顯著影響，通?？紤]的工藝因素有壓邊力、模具間隙、沖壓速度等。在室溫條件下，材料性能隨應(yīng)變速率的變化不明顯，因此沖壓速度對(duì)成形性的影響幾乎可以忽略。本文重點(diǎn)關(guān)注壓邊力和模具間隙對(duì)成形質(zhì)量的影響。

壓邊力的影響

壓邊力在板材的沖壓成形中起到非常重要的作用，通常過小的壓邊力難以控制材料的流動(dòng)從而使起皺趨勢(shì)增大，而過大的壓邊力則會(huì)使材料流動(dòng)變得困難，破裂趨勢(shì)增大。同時(shí)壓邊力會(huì)影響板料塑性變形中的應(yīng)力狀態(tài)，對(duì)其成形質(zhì)量產(chǎn)生影響。采用不同壓邊力對(duì)零件沖壓過程進(jìn)行分析，結(jié)果表明隨著壓邊力的增大，外板起皺趨勢(shì)減小，零件的整體回彈有所減小，但變化不明顯，局部區(qū)域的負(fù)向回彈則出現(xiàn)增大。零件的減薄率與最大回彈量隨壓邊力的變化規(guī)律如圖7所示。由分析結(jié)果可見，外板的起皺趨勢(shì)隨著壓邊力的增大而減小，減薄率隨著壓邊力的增大而增大，最大回彈都隨著壓邊力的增大而增大。

模具間隙的影響

模具間隙是沖壓成形中的重要參數(shù)，直接影響模具與板料之間的接觸情況，進(jìn)而影響板料在變形過程中的應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)，對(duì)零件的成形質(zhì)量影響顯著。模具間隙分別設(shè)為t，1.05t和1.1t（t為板料厚度），并對(duì)零件減薄率和回彈進(jìn)行了分析（圖8）。由分析結(jié)果可見，外板的起皺趨勢(shì)隨著模具間隙的增大而增大，減薄率隨著模具間隙的增大而減小，最大正回彈隨著模具間隙的增大而增大。

回彈控制

圖7 壓邊力對(duì)板料減薄率和回彈的影響

圖8 模具間隙對(duì)板料減薄率和回彈的影響

如前所述，通過初步的型面優(yōu)化，零件的可成形性問題得到了解決，但零件的回彈量仍然較大，精度無法保證。在沖壓生產(chǎn)過程中，工藝參數(shù)的調(diào)整對(duì)回彈的改善效果有限，型面補(bǔ)償是解決回彈問題的主要方法，因此在第二次型面優(yōu)化的基礎(chǔ)上，以回彈量為依據(jù)，進(jìn)一步對(duì)型面進(jìn)行補(bǔ)償優(yōu)化。同時(shí)根據(jù)工藝參數(shù)對(duì)回彈和成形性的影響對(duì)其進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到減小回彈的目的。圖9中經(jīng)型面補(bǔ)償后零件的回彈可以控制在±1mm以內(nèi)。

圖9 型面補(bǔ)償及回彈分析

試驗(yàn)驗(yàn)證

基于以上分析和優(yōu)化，進(jìn)行模具試制和調(diào)試，并對(duì)鋁合金汽車機(jī)罩外板進(jìn)行沖壓試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)備采用800t液壓機(jī)（圖10），所得制件如圖11b所示。由仿真結(jié)果可見，零件大部分區(qū)域的減薄率分布在2%～5%范圍內(nèi)，板料的減薄均勻，保證了零件的剛度，同時(shí)最大減薄率為20.59%，避免了過度減?。▓D11a），制件易發(fā)生破裂的區(qū)域（擋風(fēng)玻璃與翼子板交界側(cè)的圓角處）未出現(xiàn)破裂。另外通過對(duì)零件進(jìn)行精度測試，測得零件的總體回彈量能夠控制在±1mm以內(nèi)（圖11b），與仿真結(jié)果較為接近，說明實(shí)際沖壓結(jié)果與仿真優(yōu)化結(jié)果取得了較好的一致性。

圖10 沖壓試驗(yàn)設(shè)備

圖11 零件減薄率與回彈分析

結(jié)束語

通過對(duì)鋁合金汽車發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板沖壓成形過程仿真分析，優(yōu)化了模具型面結(jié)構(gòu)，改善了板料流動(dòng)，進(jìn)而減少了由局部結(jié)構(gòu)引起的成形缺陷，提高了外板的成形質(zhì)量。此外還研究了工藝參數(shù)對(duì)板料減薄及回彈的影響。在600～1800kN范圍內(nèi)，選用600kN壓邊力和適當(dāng)?shù)哪＞唛g隙有利于緩解板料減薄，提高了零件的精度和強(qiáng)度。我們最終采用了面補(bǔ)償配合工藝參數(shù)調(diào)整，使得零件的最大正回彈減小至0.69mm，最大負(fù)回彈減小至0.89mm。對(duì)鋁合金板料成形質(zhì)量的影響規(guī)律研究與模具型面優(yōu)化，可以作為實(shí)際生產(chǎn)的理論基礎(chǔ)和重要參考。模具的制造和調(diào)試及對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板的沖壓成形進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果與仿真優(yōu)化結(jié)果保持了一致性。