板式液壓成形技術在汽車輕量化中的應用

崔禮春，黃頂社，徐迎強，趙烈偉，張國兵

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

0 引 言

為了降低汽車油耗，減少環境惡化，節約能源，增強汽車性能，在汽車制造工業中應用輕量化技術意義重大，因此采用輕量化材料勢在必行。板式液壓成形是指以高壓液體為傳力介質，代替剛性的凹模或凸模，使坯料在傳力介質的壓力作用下貼合凸模或凹模成形的一種柔性制造工藝，成形過程如圖1所示。該工藝在鋁合金等輕金屬板材成形方面具有獨特的技術優勢：①提升成形極限；②表面與柔性介質接觸，成形的零件表面質量高。

圖1 板式液壓成形過程

1 工藝分析

1.1 工藝規劃

液壓成形工藝如圖2所示，包括液壓成形、修邊沖孔、翻邊及包邊工序，其中液壓成形可采用液體代替凸模或凹模，如代替凸模，沖壓方向與普通拉深相反，因此后工序的修邊整形需要借助工裝或輔具旋轉180°。

1.2 CAE分析

當前主流分析軟件AutoForm及DynaForm均提供了板式液壓成形的仿真分析功能，且與普通拉深CAE分析近似，CAE參數設計如圖3所示，頂蓋外板CAE分析結果如圖4所示。

圖4 頂蓋外板CAE分析結果

1.3 工藝設計

（1）分模線設計。代替凹模形式，壓邊圈設計時分模線需外延，否則會造成液壓反脹時聚料，后期無法拉開而產生缺陷，如圖5所示。

（2）壓料面設計。拉深筋中心線與分模線之間的距離加大，比普通拉深距離加大一個R角的距離，否則會造成壓料面不足，無法控制板料流動，如圖6所示。

圖6 壓料面增加

（3）液壓力分析。過小的液壓力不能使板料貼緊凸模底部，無法形成良好的摩擦保持效果而造成凸模底部坯料過度減薄，但過大的液壓力則會使法蘭區材料向液壓室凹模圓角處流動，造成凹模圓角和懸空區直壁段的過度減薄，不利于成形。因此需經CAE仿真分析，選擇最優液壓力，發動機蓋內板CAE仿真分析如圖7所示。

圖7 CAE仿真分析

（4）加載路徑規劃。根據凸模行程，設計圖8所示的5種液壓室壓力加載路徑進行數值模擬，結果顯示路徑1、2、3最大減薄率過大，路徑4、5的最大減薄率在控制范圍內，如圖9所示。

圖8 加載路線

圖9 加載路徑與壁厚減薄率

破裂原因分析：路徑1、2、3液壓室壓力加載過早，導致側壁懸空區起皺和疊料后在凸模的擠壓下發生破裂，如圖10所示。凸模運動30～40 mm后進行液壓加載較合理，此時板料已經進行了一定程度的拉深，然后加載液壓力，有利于零件的成形。

圖10 破裂原因分析

1.4 模具設計

剛柔耦合整形結構設計，由于成形小R角需要較大的液壓室壓強，對模具的密封性提出較高要求。為避免成形零件不到位，增加剛性凹模，成形到底時起整形作用，同時提高成形零件精度，如圖11和圖12所示。

圖11 剛柔耦合整形結構設計

圖12 剛柔耦合整形結構實物

2 管式液壓在汽車零件上的應用

現采用板材液壓成形技術開發了鋁合金發動機蓋內外板和頂蓋外板，如圖13所示。通過CAE建模進行沖壓成形性分析，如圖14所示，并完成了工藝設計和模具結構設計，零件經多次裝車，滿足試驗要求，達到精度指標，其中裝配面公差為±0.5 mm，非裝配面公差為±1.0 mm，搭接止口公差為±0.7 mm，零件實物如圖15所示。

圖13 板材液壓成形零件

圖14 發動機蓋外板CAE分析

圖15 零件實物

3 鋁合金發動機蓋外板開裂和貼模度問題解決

3.1 問題描述

某鋁合金發動機蓋外板液壓成形調試時一直存在開裂、貼模度不足的問題，無法進行小批量生產，如圖16所示。

圖16 開裂和貼模度不足問題

3.2 原因分析

（1）CAE模擬設置拉深筋，未考慮充液成形對密封性的特殊要求，導致該零件在沒有拉深筋的位置密封性較差，液壓壓強一直達不到要求。

（2）液壓加載曲線設置，本項目調試初期，液體壓力采用被動加載式，即無加壓泵，靠容積變化使液體壓力上升，但由于模具密封性和鋁板小特征成型壓力較大，成形零件貼膜度不足，直接采用主動加壓，成形初期階段壓力過大，導致成形零件外觀面與凸模完全貼合，板料流動阻力過大，局部區域減薄過大開裂。

3.3 結果確認

通過調整模具零件研合率、增加拉深筋、確保模具密封性，液壓室加載由被動增壓更改為到底后液壓室主動增壓，如圖17所示。該零件已批量生產，沒有出現問題，得到如下結論：①建立CAE審查標準，鋁板允許成形極限按17%、摩擦系數按0.17約束；②鋁板較軟，在相同的拉深筋下，其進料阻力相對鋼板較小，需要另外建立知識庫；③5×104kN雙動壓力機及目前開發的模具充液液壓室為被動加載，無法達到理論要求的加載曲線，需要增加壓強感應和溢流閥等。

圖17 液壓加載優化

4 結束語

為減輕汽車的整體質量，采用輕量化材料勢在必行，而板式液壓在鋁合金等輕金屬成形方面具有獨特的技術優勢，發展迅速。現以發動機蓋內外板零件為例，分析了板式液壓工藝規劃、CAE分析、工藝設計及模具設計技術要點和調試方案。列舉了板式液壓成形技術應用項目，其零件經多次裝車，滿足試驗要求，達到精度指標還分享了項目攻關經驗，為后期項目開發提供指導。