導(dǎo)讀：本文對(duì)鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板充液成形工藝進(jìn)行了研究,，確定了零件包邊線位置,，依據(jù)最優(yōu)坯料流動(dòng)方式給出了型面補(bǔ)償方案。同時(shí)，在Dynaform中建立了發(fā)蓋外板充液成形過程的有限元模型,，研究了關(guān)鍵工藝參數(shù)的加載路徑及壓邊力對(duì)零件失穩(wěn)控制的影響,，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。研究結(jié)果表明,，充液成形工藝對(duì)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(zhì)量輕,、加工成形性好及可重復(fù)回收利用等特點(diǎn)。研究表明,，與傳統(tǒng)鋼鐵相比,，在達(dá)到同樣力學(xué)性能指標(biāo)的情況下，使用鋁合金質(zhì)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(zhǎng)率δ低于鋼,，因此鋁的成形性能要差,；鋁的拉伸性能r值遠(yuǎn)低于鋼，導(dǎo)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(nèi)注入液體，并施加液體壓力得到所需零件形狀的成形技術(shù),。通過對(duì)充液成形技術(shù)的應(yīng)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(dá)到提高產(chǎn)品質(zhì)量,，降低生產(chǎn)成本的目的。通過專用充液設(shè)備,、充液壓力源和模具實(shí)現(xiàn)鋁板件的成形,。

零件分析

國(guó)內(nèi)對(duì)于鋁合金覆蓋件的研究和應(yīng)用較少，本文以江淮汽車公司某新款車型的發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板（以下簡(jiǎn)稱“發(fā)蓋外板”）為研究對(duì)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(zhì)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(jìn)行成形工藝分析,。

圖1 零件數(shù)模

通過多次型面的補(bǔ)充與計(jì)算,，最終確定型面。由于本項(xiàng)目最終采用的是激光切割,，對(duì)包邊線的要求不高,，且不同單位包邊方式的不同對(duì)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(jìn)行改動(dòng),。圖2中的黃色區(qū)域即為確定的包邊型面。

圖2 包邊型面

工藝型面

因?yàn)椴捎帽粍?dòng)式充液成形,，所以工藝型面的補(bǔ)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(bǔ)充型面如圖3所示,，該型面主要成形難點(diǎn)為紅色區(qū)域內(nèi)的過渡圓角要合理,，防止局部減薄過大。圖3中紅色區(qū)域?yàn)槲ｋU(xiǎn)區(qū),，容易產(chǎn)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(kuò)大凹模圓角的方法減小減薄,，如圖4中紅色區(qū)所示,。

該零件在成形過程中底部變形較小，容易產(chǎn)生較大回彈,，為了減小起皺趨勢(shì),，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(jìn)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(shù)優(yōu)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(shè)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(shè)的模擬仿真符合板材充液成形的實(shí)際情況,。模擬分析采用已被金屬成形工業(yè)廣泛應(yīng)用的Dynaform軟件,，其求解器是非線性動(dòng)態(tài)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(jié)點(diǎn)網(wǎng)格單元進(jìn)行離散化處理，板材采用4節(jié)點(diǎn)BT殼單元,。坯料與凹模,、壓邊圈和凸模的摩擦因數(shù)分別設(shè)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(dòng),，經(jīng)優(yōu)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(jìn)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(diào)整拉延筋的分布,，如圖6所示,。由于該零件為對(duì)稱件，本文以1/2模型的板料對(duì)應(yīng)的拉延筋進(jìn)行編號(hào)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(shù)包括凸筋圓角、凸筋高度及凹槽圓角等,。根據(jù)該零件的特點(diǎn),，主要是凸筋圓角高度H1影響板料流動(dòng)的阻力，文中通過調(diào)整拉延筋參數(shù)中半圓高度H1獲得最佳的進(jìn)料阻力,。通過正交試驗(yàn)法優(yōu)化拉延筋高度對(duì)減薄率的影響,，獲得拉延筋的優(yōu)化高度分布見表1，設(shè)定該拉延筋參數(shù)獲得最大減薄率為4%～13%,，保證零件不產(chǎn)生破裂,、起皺失穩(wěn)現(xiàn)象并使板料充分拉深。

表1 拉延筋的高度H1

采用被動(dòng)式充液成形進(jìn)行數(shù)值模擬,，結(jié)果如圖7、8所示,。從圖7中可以看出汽車發(fā)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(zhì)量較好,。

圖7 零件減薄

圖8 成形極限圖

試驗(yàn)研究

通過工藝參數(shù)優(yōu)化方法獲取凸模行程與液室壓力的匹配關(guān)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(qū)域,，零件的補(bǔ)充型面部分有起皺趨勢(shì)，但不影響零件的成形過程及合格件的獲取,。

圖9 發(fā)蓋外板充液成形成形極限

試驗(yàn)過程中調(diào)整工藝參數(shù),，失穩(wěn)情況分為兩種：⑴當(dāng)壓邊力較大時(shí)，零件將發(fā)生開裂,，在壓邊力為300t時(shí)兩側(cè)頂角處開裂,，如圖10所示。⑵當(dāng)液室壓力過小時(shí),，零件頂角處易起皺,，如圖11所示。優(yōu)化工藝參數(shù)后,，進(jìn)行充液成形工藝試驗(yàn),，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(fā)蓋外板出件合格后，輔助激光切割工藝,，實(shí)現(xiàn)發(fā)蓋外板翻邊前的料邊切割,，再輔助剛性翻邊模具實(shí)現(xiàn)發(fā)蓋外板包邊工藝面的成形，最終實(shí)現(xiàn)了發(fā)蓋外板的成形,，如圖13所示,。

圖10 發(fā)蓋外板破裂

圖11 發(fā)蓋外板起皺

圖12 汽車發(fā)蓋外板合格充液件

圖13 汽車發(fā)蓋外板合格件

結(jié)論

⑴汽車發(fā)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(fā)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(dá)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(zhì)量。

⑶通過充液成形技術(shù)的應(yīng)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(dá)到提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)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(shí)現(xiàn)沖壓件的最終成形，達(dá)到產(chǎn)品量產(chǎn)指標(biāo),。

作者簡(jiǎn)介

何成,，沖壓工藝主管，工程師,，主要從事汽車車身沖壓工藝規(guī)劃和設(shè)計(jì),，沖壓模檢具的開發(fā)與調(diào)試工作，負(fù)責(zé)公司多款車型的沖壓件開發(fā)和調(diào)試工作,，參與公司重大科技專項(xiàng)汽車大型鋁合金覆蓋件充液成形技術(shù)與裝備項(xiàng)目,，擁有1項(xiàng)發(fā)明專利，5項(xiàng)實(shí)用新型專利,。