鋁合金汽車發動機罩外板沖壓成形規律研究

文/余萬銓,胡志力,華林·武漢理工大學現代汽車零部件技術湖北省重點實驗室

胡文治,楊冰·東風汽車公司技術中心

伴隨著日益嚴峻的環境資源壓力以及嚴苛的節能減排法律法規，輕量化已成為汽車產業發展不容忽視的主題。輕質材料的使用是實現汽車輕量化的重要途經，而鋁合金材料以其比強度高、良好的耐腐蝕性及焊接性等優點，在汽車生產中的應用越來越廣泛。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起皺、開裂、回彈等缺陷，特別是對于結構復雜、相對厚度小、表面質量要求高的大型外覆蓋件（如頂蓋外板、發動機罩外板等），鋁合金材料在成形性上的劣勢就更為突出。如何克服鋁合金板材在成形性能上的不足，促進鋁合金材料在汽車輕量化中的應用，已成為業內關注的熱點問題。

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構、材料性能、成形工藝以及模具設計等。在車身外覆蓋件沖壓成形過程中，對沖壓工藝參數及模具結構的優化是提高制件成形質量的主要方式。國內外已經有眾多學者對鋁合金板材在沖壓成形過程中出現的開裂、回彈、起皺等缺陷及其影響因素進行了研究，分析了材料性能、模具結構及工藝參數等對沖壓成形性能的影響，極大推動了鋁合金材料在汽車輕量化中的應用。

本文通過AutoForm軟件平臺對鋁合金汽車發動機罩外板的沖壓成形過程仿真分析，研究了模具型面結構優化及相關沖壓工藝參數對鋁合金板材成形性的影響，同時采用型面補償的方法有效減小了發動機罩外板的回彈。最終通過沖壓試驗實現了沖壓件的試制，試驗結果與仿真優化結果保持了一致性。

模具型面設計與優化

利用三維建模軟件CATIA對鋁合金汽車機罩外板進行型面優化，其后基于AutoForm軟件平臺對板料的成形過程進行數值模擬，討論型面結構優化對板材成形性的影響，主要集中在可成形性與回彈兩方面進行研究。

初始型面設計

根據外板的尺寸大小，取坯料尺寸為1850mm×1245mm×1mm，型面結構如圖1所示。

利用AutoForm軟件平臺進行成形分析。材料選用6016-T4鋁合金，本構模型采用Ludwik公式：σ=Kεn，其中σ為真應力，ε為對數塑性應變，n和K為材料常數。模擬單元為彈塑性殼單元，設置壓邊力為850kN，摩擦系數設為0.15，模具間隙設為t（即板料厚度），沖壓速度為1mm/s。分析結果如圖2 所示，從中可見產品開裂嚴重，在翼子板與玻璃交接處的圓角、機罩前端都出現了破裂，故該結果不滿足成形要求，需對型面進行進一步改進。

圖1 初始型面結構

圖2 初始型面成形性分析

第一次型面優化

坯料尺寸不變，在初始型面的基礎上，在型面兩側增加拉延筋，并將拉延筋半徑從8mm增加至10mm，其他較初始型面無改變，型面結構如圖3所示。

圖4為成形仿真分析結果，雖然開裂問題有所改善，但是擋風玻璃與翼子板交界側的圓角處仍出現明顯破裂問題，需對型面進行進一步改進。

圖3 第一次型面優化結構

圖4 第一次型面優化成形性分析

第二次型面優化

設定坯料尺寸為1929mm×1320mm×1mm，型面結構在第一次優化的基礎上在玻璃側增加余肉造型，增大圓角改善材料流動，并將分模線向外偏移15mm，對圓弧進行適當的優化，其型面結構如圖5所示。

圖5 第二次型面優化結構

第二次型面優化結構成形仿真結果如圖6所示，圖中可見增加的余肉有效地解決了零件破裂問題，優化后的圓弧尺寸及圓角半徑使得零件成形充分，減薄率、應變分布均勻，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，出現在零件中部靠近擋風玻璃的局部負向回彈區域，回彈量仍然較大。

圖6 第二次型面優化分析

工藝參數的影響

工藝參數對零件成形質量有顯著影響，通常考慮的工藝因素有壓邊力、模具間隙、沖壓速度等。在室溫條件下，材料性能隨應變速率的變化不明顯，因此沖壓速度對成形性的影響幾乎可以忽略。本文重點關注壓邊力和模具間隙對成形質量的影響。

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從而使起皺趨勢增大，而過大的壓邊力則會使材料流動變得困難，破裂趨勢增大。同時壓邊力會影響板料塑性變形中的應力狀態，對其成形質量產生影響。采用不同壓邊力對零件沖壓過程進行分析，結果表明隨著壓邊力的增大，外板起皺趨勢減小，零件的整體回彈有所減小，但變化不明顯，局部區域的負向回彈則出現增大。零件的減薄率與最大回彈量隨壓邊力的變化規律如圖7所示。由分析結果可見，外板的起皺趨勢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，直接影響模具與板料之間的接觸情況，進而影響板料在變形過程中的應力-應變狀態，對零件的成形質量影響顯著。模具間隙分別設為t，1.05t和1.1t（t為板料厚度），并對零件減薄率和回彈進行了分析（圖8）。由分析結果可見，外板的起皺趨勢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 壓邊力對板料減薄率和回彈的影響

圖8 模具間隙對板料減薄率和回彈的影響

如前所述，通過初步的型面優化，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。在沖壓生產過程中，工藝參數的調整對回彈的改善效果有限，型面補償是解決回彈問題的主要方法，因此在第二次型面優化的基礎上，以回彈量為依據，進一步對型面進行補償優化。同時根據工藝參數對回彈和成形性的影響對其進行調整，達到減小回彈的目的。圖9中經型面補償后零件的回彈可以控制在±1mm以內。

圖9 型面補償及回彈分析

試驗驗證

基于以上分析和優化，進行模具試制和調試，并對鋁合金汽車機罩外板進行沖壓試驗。試驗設備采用800t液壓機（圖10），所得制件如圖11b所示。由仿真結果可見，零件大部分區域的減薄率分布在2%～5%范圍內，板料的減薄均勻，保證了零件的剛度，同時最大減薄率為20.59%，避免了過度減薄（圖11a），制件易發生破裂的區域（擋風玻璃與翼子板交界側的圓角處）未出現破裂。另外通過對零件進行精度測試，測得零件的總體回彈量能夠控制在±1mm以內（圖11b），與仿真結果較為接近，說明實際沖壓結果與仿真優化結果取得了較好的一致性。

圖10 沖壓試驗設備

圖11 零件減薄率與回彈分析

結束語

通過對鋁合金汽車發動機罩外板沖壓成形過程仿真分析，優化了模具型面結構，改善了板料流動，進而減少了由局部結構引起的成形缺陷，提高了外板的成形質量。此外還研究了工藝參數對板料減薄及回彈的影響。在600～1800kN范圍內，選用600kN壓邊力和適當的模具間隙有利于緩解板料減薄，提高了零件的精度和強度。我們最終采用了面補償配合工藝參數調整，使得零件的最大正回彈減小至0.69mm，最大負回彈減小至0.89mm。對鋁合金板料成形質量的影響規律研究與模具型面優化，可以作為實際生產的理論基礎和重要參考。模具的制造和調試及對發動機罩外板的沖壓成形進行試驗驗證，試驗結果與仿真優化結果保持了一致性。