鋁合金發蓋外板充液成形工藝研究與應用

文/何成，周晶晶·安徽江淮汽車集團股份有限公司

孫志瑩·北京航空航天大學

本文對鋁合金發動機罩外板充液成形工藝進行了研究，確定了零件包邊線位置，依據最優坯料流動方式給出了型面補償方案。同時，在Dynaform中建立了發蓋外板充液成形過程的有限元模型，研究了關鍵工藝參數的加載路徑及壓邊力對零件失穩控制的影響，并進行了試驗驗證。研究結果表明，充液成形工藝對汽車外板類覆蓋件具有較好的適用性。

鋁合金具有密度小（鋁的密度約為鋼的1/3）、質量輕、加工成形性好及可重復回收利用等特點。研究表明，與傳統鋼鐵相比，在達到同樣力學性能指標的情況下，使用鋁合金質量比鋼少60%；在承受同樣沖擊的條件下，鋁板比鋼板多吸收50%的沖擊能量。鋁的斷后伸長率δ低于鋼，因此鋁的成形性能要差；鋁的拉伸性能r值遠低于鋼，導致鋁合金件易開裂。

充液成形是通過模具閉合，向模具型腔內注入液體，并施加液體壓力得到所需零件形狀的成形技術。通過對充液成形技術的應用，提高了鋁合金板材的成形性能，消除板材成形過程中的破裂、起皺、未充分拉深等成形缺陷，從而達到提高產品質量，降低生產成本的目的。通過專用充液設備、充液壓力源和模具實現鋁板件的成形。

零件分析

國內對于鋁合金覆蓋件的研究和應用較少，本文以江淮汽車公司某新款車型的發動機罩外板（以下簡稱“發蓋外板”）為研究對象。該零件為大型蒙皮類零件，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。且在零件周邊有包邊，在成形過程中要考慮包邊余量，確定包邊線。該汽車覆蓋件在成形過程中要注意零件表面質量與回彈，減小回彈的方式主要是控制零件型面的變形量，通常減薄在4.5%～5%的情況下，零件的回彈較小，因此采用充液成形進行成形工藝分析。

圖1 零件數模

通過多次型面的補充與計算，最終確定型面。由于本項目最終采用的是激光切割，對包邊線的要求不高，且不同單位包邊方式的不同對包邊型面的要求不同，所以在確定包邊工藝合作單位之后，該型面可能要進行改動。圖2中的黃色區域即為確定的包邊型面。

圖2 包邊型面

工藝型面

因為采用被動式充液成形，所以工藝型面的補充主要是凸模與凹模的工藝型面。在考慮包邊的情況下，凸模補充型面如圖3所示，該型面主要成形難點為紅色區域內的過渡圓角要合理，防止局部減薄過大。圖3中紅色區域為危險區，容易產生破裂，因此考慮減小該處的流料阻力，在凹模圓角局部采用擴大凹模圓角的方法減小減薄，如圖4中紅色區所示。

該零件在成形過程中底部變形較小，容易產生較大回彈，為了減小起皺趨勢，在成形的過程中考慮加入拉延筋以增加流料阻力，拉延筋的布置如圖5所示（紅色面）。在成形過程中零件周圈所需要的進料阻力不同，因此拉延筋分成了幾段，每段的拉延筋高度略有不同。

圖3 凸模型面

圖4 凹模型面

圖5 拉延筋的布置

工藝參數優化

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。模擬分析中假設模具為沒有任何變形的剛體，板料為Belyschko–Tsay模型的殼體單元，厚度為1mm，該假設的模擬仿真符合板材充液成形的實際情況。模擬分析采用已被金屬成形工業廣泛應用的Dynaform軟件，其求解器是非線性動態顯示算法的LSDYNA。其中凸、凹模及壓邊圈定為剛性體，采用剛性4節點網格單元進行離散化處理，板材采用4節點BT殼單元。坯料與凹模、壓邊圈和凸模的摩擦因數分別設置為0.005、0.10和0.15。本文采用定壓邊力方式控制料的流動，經優化后的坯料尺寸大小為1400mm×1950mm。

在充液成形過程中拉延筋不僅起到拉延板料的作用，還在一定程度上起密封作用。采用全拉延筋的方式，由于板料每處的形狀不同，進料速度不同，每處需要的拉延阻力不同，因此在不同位置通過不同的拉延筋形狀與高度來調整拉延筋的分布，如圖6所示。由于該零件為對稱件，本文以1/2模型的板料對應的拉延筋進行編號研究。

圖6 等效拉延筋的分布

本文采用半圓形拉延筋，拉延筋的參數包括凸筋圓角、凸筋高度及凹槽圓角等。根據該零件的特點，主要是凸筋圓角高度H1影響板料流動的阻力，文中通過調整拉延筋參數中半圓高度H1獲得最佳的進料阻力。通過正交試驗法優化拉延筋高度對減薄率的影響，獲得拉延筋的優化高度分布見表1，設定該拉延筋參數獲得最大減薄率為4%～13%，保證零件不產生破裂、起皺失穩現象并使板料充分拉深。

表1 拉延筋的高度H1

采用被動式充液成形進行數值模擬，結果如圖7、8所示。從圖7中可以看出汽車發蓋外板頂部減薄大于4.8%，變形較為充分，可減小成形之后的回彈，最大減薄為15.464%。從圖8可以看出零件底部全部為綠色，變形較為充分，且成形過程中液體代替凹模，零件外表面成形質量較好。

圖7 零件減薄

圖8 成形極限圖

試驗研究

通過工藝參數優化方法獲取凸模行程與液室壓力的匹配關系，在凸模下行過程中主要以拉深為主，為了保證良好的貼模度和零件的高精度，分兩階段整形，最大液室壓力為14MPa，從圖9可以看出零件部分處于安全區域，零件的補充型面部分有起皺趨勢，但不影響零件的成形過程及合格件的獲取。

圖9 發蓋外板充液成形成形極限

試驗過程中調整工藝參數，失穩情況分為兩種：⑴當壓邊力較大時，零件將發生開裂，在壓邊力為300t時兩側頂角處開裂，如圖10所示。⑵當液室壓力過小時，零件頂角處易起皺，如圖11所示。優化工藝參數后，進行充液成形工藝試驗，所得合格充液成形件，證明了充液成形工藝的可行性，如圖12所示。

剛性模具輔助翻邊

充液成形發蓋外板出件合格后，輔助激光切割工藝，實現發蓋外板翻邊前的料邊切割，再輔助剛性翻邊模具實現發蓋外板包邊工藝面的成形，最終實現了發蓋外板的成形，如圖13所示。

圖10 發蓋外板破裂

圖11 發蓋外板起皺

圖12 汽車發蓋外板合格充液件

圖13 汽車發蓋外板合格件

結論

通過工藝分析，得到以下4點結論。

⑴汽車發蓋外板充液拉深過程中，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生。

⑵合理的壓邊間隙在1.05～1.1mm之間，凸模行程在0～180mm之間，壓力不宜太大，在凸模到達成形位置后，施加最大液室壓力（值為14MPa），可有效控制起皺、破裂及表面質量。

⑶通過充液成形技術的應用，提高了鋁合金板材的成形性能，消除板材成形過程中的破裂、起皺、未充分拉深等成形缺陷，從而達到提高產品質量，降低生產成本的目的。

⑷充液成形工藝輔助修邊沖孔和翻邊剛性成形模具，可以實現沖壓件的最終成形，達到產品量產指標。