一種鋁合金前罩內板結構的沖壓可行性研究

羅 賓，馬春麗，唐道雄，楊祥偉

（1.遼寧忠旺集團有限公司，遼寧 遼陽 111003；2.青島大學材料科學與工程學院，山東 青島 266071）

隨著社會的高速發展，汽車的用量將會越來越多，伴隨著汽車擁有量的與日劇增，同時帶來了嚴重的負面影響，諸如安全、污染、資源等一系列社會問題。而鋁合金具有優良的力學性能、較好的成形性、豐富的資源等優點是實現汽車輕量化最理想的材料。鋁合金前罩內板也開始逐漸在市場上進行應用[1]。

1 零件結構設計

圖1 前罩內板

圖1為自主設計的某款汽車前罩內板，外形尺寸為1152.8mm×1513.7mm×284.5mm，材料5182-O，料厚1.2mm，質量為4.032Kg。該結構除了遵循使用鋼材料設計的一般性原則外，考慮到鋁合金與鋼材的材料特性及料厚選擇上的不同，對零件結構進行相應調整，針對可成形性復雜程度，零件的中間特征，鋼材一般采用最小拔模角度在20°以上，鋁合金設置為25°以上，且由于該結構縱向曲率較大，可適當增大角度。在滿足扭轉、彎曲、模態等性能要求外，增加減重孔，相比于同等尺寸的鋼材料，(料厚取值0.7mm，質量為6.836Kg)，減重達到41%。

2 零件沖壓成形工藝分析

2.1 零件成形方式及拉深方向的確定

對形狀復雜、拉深深度較深的前罩內板，由于其臺階、凸臺形狀較多，且斷面長度差較大，采取拉深的方式成形，通過調整壓邊圈的形狀、拉延筋的布置、毛坯的外形尺寸等因素來控制零件各處的進料情況[2]。

拉深方向是否合理會影響到零件的成形性，還涉及到零件工藝補充部分形狀和尺寸的大小，對后工序的工藝排布也有較大的影響。在確定前罩內板成形的拉深方向時，應重點考慮以下3個因素：

（1）無拉深負角。拉深負角會造成凸模和凹模的干涉，有時會直接損壞凸、凹模，借助成形工藝分析軟件對零件擬確定的拉深方向進行負角檢測[3]，確保拉深方向的最小脫模角度在3°以上。

（2）拉深凸模開始拉深時與拉深毛坯的接觸面積要盡量大、接觸特征要盡量多，且要分散，保證有2個或2個以上的位置同時接觸。假設前罩內板直接以車身坐標Z軸為拉深方向，凸模開始拉深時與板料的接觸面積較小，凸模最先與毛坯前端板料接觸，導致板料產生應力集中，產生裂紋。因此，需調整零件成形的拉深方向，繞Y軸旋轉14°。調整后，凸模與毛坯板料幾乎同時接觸，明顯增大了拉深初始階段凸模接觸板料的面積，極大改善了零件的成形性。

經過以上分析，該前罩內板的拉深方向為：以車身原始坐標系的Y軸旋轉14°，繞Z軸順時針旋轉90°，以新坐標系的Z軸為沖壓方向。

2.2 壓料面和工藝補充面的設計

要確保鋁合金覆蓋件質量過關，對工藝補充面和壓料面進行科學的設計，同時要將零件的拉伸性能考慮進去，嚴格把關零件生產工序，產出后的毛邊修復等。

因法蘭面周圍起伏較大，若將鋁合金板料直接拉伸，則會出現一個高度差，產出零件的拉伸性能會大幅度降低，所以，將法蘭面放置凸模上，根據內板的形狀做出隨形的二階臺，臺階面高度建議設置為25mm左右，鋁合金拉深成形壓邊力取值在800KN～1200KN。制作完成后的拉深面效果見圖2。

圖2 前罩內板工藝補充面

2.3 等效拉延筋的布置

等效拉延筋可起增大板料的局部進料阻力、控制材料的流動速度的作用。拉延筋布置是否合理將影響毛坯的尺寸及零件的成形質量[4]。由于該內板拉深成形的回彈較大，初步考慮拉延筋進行整圈布置，設置位置分模線向外偏移20mm處，摩擦阻力系數賦值0.5，但是由于法蘭面的起伏較大，且鉸鏈安裝位置有較大轉角，需要進行分段設置系數，使材料流動速率均勻，即在轉角處賦較小值，在較為光滑區適當加大系數值。

3 沖壓成形分析

前罩內板的初步成形工藝方案確定，使用沖壓成形工藝分析軟件進行模擬運算，材料5182-O基本性能如表1。

表1 5182-O基本性能參數

圖3 第一次沖壓成形結果

圖3所示零件第一次成形分析結果，兩側及前端出現拉延不充分現象。可通過采取增大拉延筋系數以控制材料流動速率的方法來解決。圖4所示為增大拉延筋系數后的分析結果，零件拉延不充分問題基本解決。

圖4 修改后沖壓成形結果

4 零件后續工藝排布

根據零件后續沖孔、修邊角度、沖壓方向進行后續的工藝排布：

OP30：修邊+斜楔修邊+沖孔；

OP40：修邊+斜楔修邊+沖孔；

OP50：斜楔沖孔；

最終零件產品如圖5所示：

圖5 最終零件結果

5 結語

利用沖壓成形工藝分析軟件對該鋁合金前罩內板結構的沖壓成形過程進行了數值模擬仿真，再對仿真過程出現的不同缺陷進行分析，在滿足各項設計開發要求的前提下，中部特征最小拔模角度大于25°，通過對影響成形的拉深方向、壓邊力、工藝補充面、等效拉延筋等影響因子做相應調整，得到了較好的沖壓結果，表明該結構可進行沖壓成形，為鋁合金前罩內板工程化提供了設計參考。