5182鋁合金前圍板沖壓工藝研究

王濤　孫占軍　武彩峰

摘 要：通過0°、45°、90°三個方向單向拉伸實驗，建立基于Barlat-89屈服準則的5182各向異性材料模型。通過Pamstamp有限元模擬軟件分析鋁合金前圍板沖壓工藝可行性，優化產品結構和沖壓工藝設計，獲得理想的沖壓成形工藝方案。優化鋁合金模具結構和生產現場模具調試，實現5182鋁合金前圍板批量生產。關鍵詞：Barlat-89屈服準則;各向異性材料模型;前圍板;鋁合金中圖分類號：U466 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）08-178-04

Abstract： Through the uniaxial tensile experiments at 0°， 45°， and 90°， a 5182 anisotropic material model based on the Barlat-89 yield criterion is established. Pamstamp finite element simulation software was used to analyze the feasibility of the aluminum alloy dash panel stamping process， optimized the product and stamping process， and obtained the ideal stamping process plan. Optimized the structure of stamping mold and debugging at production， realized the mass production of 5182 aluminum alloy dash panel.Keywords： Barlat-89 yield criterion; Anisotropic material model; Dash panel;?Aluminum alloyCLC NO.： U466 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）08-178-04

引言

隨著我國的環保法規日益嚴格，消費者對新能源汽車續航里程需求日益增加，汽車輕量化設計已成為各大汽車制造商提高市場競爭力重要戰略性措施之一。鋁合金作為一種輕質合金，具有良好成形性能、使用性能以及環境友善等優點，是一種非常理想的車身輕量化材料[1]。

鋁合金板材沖壓成形相比較傳統冷軋鋼板有較大差異，沖壓成形性能較差，容易造成縮頸、開裂和起皺等沖壓缺陷。本文結合國內某款新能源汽車鋁合金前圍板的開發，通過板材的拉伸實驗建立5182鋁合金沖壓數值分析模型，利用Pamstamp沖壓有限元軟件對沖壓工藝進行數值模擬，為量產模具設計和生產調試提供支持。

1?實驗材料和數值模型

1.1?鋁合金材料牌號和料厚

車身用鋁合金主要是5系和6系鋁合金。5182鋁板沖壓成形性能優異，能夠成形復雜結構零件，且成本較6系鋁合金低，適用于內板類結構件。前圍板周邊布置較多，較多零件總成需要安裝在前圍板上，對前圍板的剛度和強度提出較高要求，同時考慮NVH性能影響，零件料厚選擇1.5mm。

1.2?5182鋁合金材料數值模型

鋁合金板材經軋制后具有各向異性，為保證沖壓有限元模擬分析精度，建立5182鋁合金板材各向異性的材料數值模型非常重要。分別從鋁板上沿軋制方向0°、45°和90°方向取樣，利用萬能拉伸實驗機進行拉伸實驗，獲得鋁板各向異性參數和應力應變曲線，為獲取板材準確成形極限曲線，利用Zwick成形試驗機和ARAMIS動態光學應變測量系統獲取5182鋁板的成形極限曲線。實驗設備和拉伸試樣尺寸如圖1所示。

1.3?鋁合金材料屈服準則

因材料參數獲取方便，各向異性材料模型一般應用Hill-48屈服準則，在厚向異性系數r>1鋼板應用廣泛，而對于厚向異性系數r<1的鋁板，Hill-48屈服準則計算精度有一定偏差，推薦應用三參數Barlat-89屈服準則[2-6]。鋁合金是面心立方結構，材料參數m=8[7]，通過拉伸實驗獲取的r0、r45、r90，可以計算出Barlat-89屈服準則的a、h、c和p等參數。

將拉伸實驗參數及真實應力應變曲線以及成形極限導入Pamstamp軟件，建立5182鋁板各向異性的材料模型。

2 鋁合金前圍板沖壓有限元模擬

2.1?拉延工藝補充模面設計

前圍板與周邊零部件連接點較多，同時腳踏板、制動泵、空調壓縮機及儀表盤支架等部件都需要在前圍板上布置安裝點，所以前圍板結構非常復雜，且質量要求高。前圍板產品結構如圖2所示。

拉延工藝補充設計是零件沖壓工藝設計關鍵。對于復雜結構的零件，拉延工藝設計應注意以下幾點：（1）盡可能拉延成形出所有零件結構，減少翻邊整形或二次拉延;（2）鋁合金零件回彈嚴重，應保證拉延零件變形充分，降低厚向的應力梯度;（3）拉延工藝補充的圓角半徑應該大一些，防止拉延缺陷，提高零件變形量。拉延工藝補充設計如圖3所示。

2.2?沖壓成形有限元模擬

將材料模型和拉延工藝設計導入Pamstamp沖壓有限元分析軟件，建立前圍板沖壓成形數值分析模型，如圖4所示。

沖壓成形數值模型關鍵參數設定：

（1）摩擦系數設定。鋁合金板材硬度低于冷軋鋼板，拉延時板材與模具間的摩擦力大，摩擦系數設置為0.17。

（2）拉延筋設定。在模型調試階段一般使用虛擬拉延筋，便于參數調整，提高計算效率。當計算模型穩定后，為提高計算準確性，根據虛擬拉延筋阻力值設計真實拉延筋斷面和布置。

（3）壓邊力設定。在模型調試階段，根據板材屈服強度和凹模口長度預估壓邊力值，根據模擬結果進行適當調整，而當采用真實拉延筋時，考慮到拉延筋頂升力影響，一般采用定間隙壓料。壓邊圈和凹模的間隙設置為1.05t～1.1t之間（t表示板材厚度）。

（4）坯料網格尺寸。坯料網格最小尺寸一般設置為0.8t。

經多次拉延工藝補充優化和參數調整，前圍板沖壓成形極限、減薄率分布云圖如圖5所示。拉延變形充分，除少數點存在減薄嚴重的風險外，整體沖壓成形性良好。

3 沖壓模具設計和調試

3.1?沖壓模具設計

前圍板沖壓成形工藝設計為5序：OP10拉延成形，OP20修邊沖孔，O30修邊沖孔，O40翻邊整形，OP50沖孔整形。沖壓工序設計如圖6所示。

鋁合金零件與鋼零件的沖壓模具結構基本相同，但因鋁板材性能與冷軋鋼板差異較大，在模具設計時應注意以下幾點：

（1）鋁合金板成形性能較鋼板低，在拉延時局部容易產生縮頸、開裂等缺陷，拉延工藝補充要適當大一些，圓角半徑也要大一些，有利于模具內板材流動控制。

（2）鋁合金板材成形硬化比較嚴重，二次變形潛力低，盡可能一次成形出所有結構（翻邊除外），避免二次拉延和大變形量整形。翻邊盡可能一序完成，避免成形和翻邊交接處棱線屈曲影響搭接面匹配質量。

（3）鋁合金板材較輕，壓機開模時容易帶件，需要增加頂料銷;在不影響表面質量情況增加通氣孔尺寸和數量，適當降低沖壓節拍;廢料下滑有困難，推薦廢料滑道為?30° ，使用網紋板。

（4）板材在拉延筋處變形和摩擦大，易產生碎屑，應避免使用方筋，拉延筋圓角半徑為6t以上。

（5）鋁板修邊沖孔時容易產生廢屑，粘在模具表面形成積屑瘤，影響沖壓件表面質量。減少廢屑的工藝方案如下：采用多序修邊，避免使用廢料刀;斜楔修邊時拉延筋局部應斷開避讓處理;盡可能減少直修和側修交刀;修邊沖孔刃口不宜太鋒利，推薦刃口為R0.3～0.5mm;修邊沖孔上模刃口一般要做成2°負角，下模刃口0.5°負角，減少與斷口摩擦產生的廢屑;翻邊上、下模能采用整體式鑲塊，避免拼接縫產生廢屑;模具需要增加除屑裝置，縮短模具清理周期。

（6）為避免沖孔廢料堵塞，沖孔凸模全部采用頂料型沖頭。

（7）翻邊和整形壓料面應盡可能窄，其他區域全部空開，防止壓傷零件表面。

（8）模具表面光潔度要求較高，需要進行表面激光淬火后鍍鉻處理。

3.2?模具現場調試

經鑄造、機加工、裝配等工作后，拉延模具上模如圖7所示。在前圍板模具早期試模階段，拉延件的側壁、局部尖點和凹坑開裂嚴重，這與沖壓成形有限元模擬分析結果基本一致。沖壓成形有限元模型優化經驗可以有效指導模具現場調試工作。通過放大拉延工藝補充圓角，打磨模具結構尖點，研磨壓料面和調整拉延筋圓角半徑和深度，調整壓邊力等手段，成形出合格拉延制件。合格拉延制件如圖8所示。

3?結論

（1）通過0°、45°、90°三個方向單向拉伸實驗，建立基于Barlat-89屈服準則的5182各向異性材料模型。

（2）通過有限元模擬分析，優化拉延工藝和模具結構，沖壓成形出5182鋁合金前圍板合格零件，有限元模擬結果與調試結果吻合較好。

（3）有限元模型調試經驗對模具調試有指導意義，有效提高模具調試效率，縮短調試周期。

參考文獻

[1]?謝朋飛，宋貴鋒，路東東.汽車沖壓板材鋁合金的應用[J].汽車工程師，2018（04）：49-51.

[2]?余海燕，沈嘉怡，王友.屈服準則和硬化模型對5052鋁板回彈仿真的影響[J].材料科學與工藝，2015，23（03）：29-34.

[3]?彭本棟，張建，畢大森，武晉.鋁合金頂蓋沖壓成形過程的數值模擬[J].礦山機械，2008，36（22）：104-107.

[4]?柳澤，楊寶林，李淑慧，白志斌.板料成型中的三參數Barlat-Lian材料模型[J].汽車技術，1998（10）：21-23.

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[7]?傅壘，李利，黃鳴東，劉成.基于Pamstamp的5182鋁合金發動機罩內板沖壓數值模擬[J].輕合金加工技術，2019，47（07）：48-53.