何 成，周晶晶，佘 威，崔禮春

（安徽江淮汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司 技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

鋁合金具有密度小、質(zhì)量輕、加工成形性好及可重復(fù)回收利用等特點(diǎn)。研究表明，與傳統(tǒng)鋼鐵相比，在達(dá)到同樣力學(xué)性能指標(biāo)情況下，使用的鋁合金質(zhì)量比鋼少60%；在承受同樣沖擊情況下，鋁板比鋼板多吸收50%的沖擊能量。由于鋁的斷后伸長(zhǎng)率δ低于鋼，所以鋁的成形性能要差與鋼，同時(shí)由于鋁的拉伸性能r值遠(yuǎn)低于鋼，導(dǎo)致鋁合金件易開(kāi)裂[1-2]。

充液成形是通過(guò)模具閉合，向模具型腔注入液體，并施加液體壓力得到所需零件形狀的成形技術(shù)。充液成形是解決鋁合金成形性能差的重要技術(shù)途徑之一，通過(guò)充液成形技術(shù)的應(yīng)用，提高了鋁合金板材的成形性能，消除板材成形過(guò)程中的破裂、起皺、未充分拉深等成形缺陷，從而達(dá)到提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本的目的。通過(guò)專(zhuān)用充液設(shè)備、充液壓力源和模具實(shí)現(xiàn)鋁板件的成形。通過(guò)充液成形實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的工藝造型，但由于部分產(chǎn)品在充液成形方向上存在負(fù)角，無(wú)法通過(guò)充液成形一次成形到位，需要輔助冷沖工藝和模具實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的最終特征[3-5]。

1 零件分析

本文以某新款車(chē)型的發(fā)蓋外板（圖1）為研究對(duì)象。該零件材料為6016鋁合金，厚度為1mm，尺寸約為1490mm×900mm×100mm，其形狀如圖1所示。

圖1 零件數(shù)模

2 充液工藝及模具

充液工藝主要研究發(fā)蓋包邊型面和包邊展開(kāi)面的特征的一次性成型。通過(guò)拉延筋的布置及優(yōu)化，液室壓力和壓邊力的模擬與分析，最終模擬固化充液工藝，并完成充液模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2.1 包邊線的確定

通過(guò)補(bǔ)充包邊工藝型面并通過(guò)軟件計(jì)算包邊線，通過(guò)多次型面的補(bǔ)充與計(jì)算，最終確定型面，圖2中的黃色區(qū)域即為確定的包邊展開(kāi)面。

圖2 包邊型面

2.2 充液工藝參數(shù)優(yōu)化

板材充液成形的幾何模型包括上模具、下模具、壓邊圈及板料組成，如圖3所示。模擬分析中假設(shè)模具為沒(méi)有任何變形的剛體，板料為Belyschko-Tsay模型的殼體單元，厚度1mm，該假設(shè)的模擬仿真符合板材充液成形的實(shí)際情況。實(shí)驗(yàn)中材料為各項(xiàng)異性是充液成形過(guò)程中非常重要的，因此采用三參數(shù)的Baralat各項(xiàng)異性材料模型，拉延筋為整體的。模擬分析采用已被金屬成形工業(yè)廣泛應(yīng)用的Dynaform軟件，其求解器是非線性動(dòng)態(tài)顯示算法的LSDYNA。其中凸、凹模及壓邊圈定為剛性體，采用剛性4節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格單元進(jìn)行離散化處理，板材采用4節(jié)點(diǎn)BT殼單元[6-7]。坯料與凹模、壓邊圈和凸模的摩擦因數(shù)分別設(shè)置為0.005、0.10和0.15。本文采用定壓邊力方式控制料的流動(dòng)。經(jīng)優(yōu)化后的坯料尺寸大小為1400mm×1950mm。

圖3 模擬幾個(gè)模型

在充液成形過(guò)程中拉延筋不僅起到拉延板料的作用，同時(shí)在一定程度上起密封作用，因此采用全拉延筋的方式，由于板料每處的形狀不同，進(jìn)料也速度不同，每處需要的拉延阻力不同，因此在不同位置通過(guò)拉延筋形狀與高度不同來(lái)調(diào)整，拉延筋的分布如圖4所示，由于該零件為對(duì)稱(chēng)件，文中以1/2模型的板料對(duì)應(yīng)的拉延筋進(jìn)行編號(hào)研究。

圖4 等效拉延筋的分布

本文采用半圓形拉延筋，拉延筋的幾何形狀如圖5所示。拉延筋參數(shù)包括凸筋圓角，凸筋高度及凹槽圓角等。根據(jù)該零件的特點(diǎn)，主要是凸筋圓角高度H1影響板料流動(dòng)的阻力，文中通過(guò)調(diào)整拉延筋參數(shù)中半圓高度H1獲得最佳的進(jìn)料阻力。

圖5 半圓形拉延筋參數(shù)

通過(guò)正交試驗(yàn)法優(yōu)化拉延筋高度對(duì)減薄率的影響，獲得拉延筋的優(yōu)化高度分布如表1所示，設(shè)定該拉延筋參數(shù)獲得最大減薄率4%～13%左右，保證了零件不產(chǎn)生破裂、起皺失穩(wěn)現(xiàn)象并使板料充分拉深。

表1 拉延筋的高度H1

采用被動(dòng)式充液成形進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果如圖6、圖7所示。由圖中可以看出汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)蓋板頂部減薄大于4.8%，變形較為充分，可減小成形之后的回彈。最大減薄為15.4%。

圖6 零件減薄

由圖7可以看出零件底部全部為綠色，變形較為充分，且成形過(guò)程中液體代替凹模，零件外表面成形質(zhì)量較好。

圖7 成形極限圖

2.3 充液成形模具結(jié)構(gòu)

充液工藝完成后完成充液模具的設(shè)計(jì)，充液模具主要有凹模，凸模和壓邊圈組成。模具結(jié)構(gòu)區(qū)別于當(dāng)前冷沖模具為雙動(dòng)結(jié)構(gòu)，凸模在上方，按照充液工藝造型加工，凹模為空腔面，工作時(shí)通過(guò)高壓液體實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的充液成型。壓邊圈起到提供拉延筋和壓邊力作用，并起到封閉隔水的作用。如圖8所示。

圖8 充液成形模具

3 冷沖工藝及模具

在充液成形基礎(chǔ)上采用激光切割工藝替代修邊模工藝，快速驗(yàn)證修邊線的可行性。通過(guò)翻邊和側(cè)翻邊模具最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品包邊特征，第一次翻邊主要正翻邊發(fā)蓋的包邊面，如圖9所示，第二輪側(cè)翻邊主要實(shí)現(xiàn)包邊角度要求，通過(guò)側(cè)翻邊實(shí)現(xiàn)最終的產(chǎn)品翻邊造型，如圖10所示，翻邊模具如圖11所示。

圖9 正翻邊工藝圖

圖10 側(cè)翻邊工藝圖

圖11 翻邊模具圖

在優(yōu)化的工藝參數(shù)下進(jìn)行充液成形工藝試驗(yàn)，并通過(guò)激光切割，翻邊和側(cè)翻邊模具整形，最終得到合格零件如圖12所示，證明了鋁合金充液成形和冷沖復(fù)合成形工藝及模具的方案可行。

圖12 汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)外板合格件

4 結(jié)論

通過(guò)工藝分析，得到如下的結(jié)論：

（1）汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)蓋外板充液拉深過(guò)程中，主要失效形式有凸模大圓角處的破裂與起皺，合理的壓邊間隙和壓力加載路徑，可以有效控制起皺和破裂的發(fā)生。

（2）通過(guò)充液成形技術(shù)的應(yīng)用，提高了鋁合金板材的成形性能，消除板材成形過(guò)程中的破裂、起皺、未充分拉深等成形缺陷，從而達(dá)到提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本的目的。

（3）鋁合金充液成形和冷沖復(fù)合成形工藝的應(yīng)用，解決了充液成形部分產(chǎn)品特征無(wú)法一次成形到位的問(wèn)題，拓展了充液成形的應(yīng)用范圍，提高了產(chǎn)品應(yīng)用水平。