汽車前圍內(nèi)板鋁合金沖壓工藝設(shè)計

馬愛民，夏德偉，段廣坡

（忠旺鋁業(yè)有限公司，北京 100020）

0 前言

隨著日益嚴峻的環(huán)境問題出現(xiàn)以及節(jié)能減排法律法規(guī)的實施，輕量化已經(jīng)成為汽車行業(yè)不得不重視的課題。研究表明，約75%的汽車油耗與整車質(zhì)量有關(guān)，每降低重量10%，汽車燃油效率可以提高6%~8%，而排放則下降4%。因此，輕量化對節(jié)能減排、環(huán)境保護具有重大意義。汽車車身零部件中約70%是沖壓完成的，所以使用輕質(zhì)合金是實現(xiàn)輕量化的重要途徑之一。輕質(zhì)材料中，鋁合金因其耐沖擊載荷好、強度高、密度小、且耐腐蝕等優(yōu)點受到了各大車企的喜愛。但鋁合金材料在沖壓成型方面的特性與鋼板又不完全相同，很多情況下不能套用鋼板的變形規(guī)律，如鋁板的彈性模量是鋼板的1/3，而回彈量卻是鋼板的3 倍，所以更容易出現(xiàn)開裂、回彈等缺陷。

本文針對鋁合金前圍內(nèi)板的成型過程進行研究，對其沖壓工藝進行分析、優(yōu)化和總結(jié)，加深仿真成型對制定沖壓工藝的認知，使之更好地為生產(chǎn)服務(wù)，從而驗證仿真成型對傳統(tǒng)沖壓的優(yōu)越性，并為鋁合金板材的應(yīng)用提供理論技術(shù)指導。

1 鋁合金輕質(zhì)材料性能參數(shù)

5×××系鋁合金屬于應(yīng)變硬化鋁合金，適用于汽車內(nèi)板。為保證沖壓成型性及強度需求，前圍內(nèi)板選用5182-O鋁合金板，其力學性能見表1[1]。

表1 典型汽車鋁合金板材成型性能

2 零件沖壓工藝分析

前圍內(nèi)板形狀如圖1 所示，零件外形尺寸327 mm×879 mm×215 mm，料厚1.2 mm。與之裝配的零件有地板前端、前擋板橫梁等零件，尺寸精度要求較高。同時前圍內(nèi)板形狀復雜、變形量較大，零件成型后的回彈、扭曲對其精度有較大影響，因此需要充分的塑性變形來保證足夠的剛性。

圖1 前圍板內(nèi)板

下面從三個方面對零件進行分析：

（1）零件表面質(zhì)量要求：前圍內(nèi)板是非外觀表面，不允許有裂紋、過大起皺、破裂等缺陷。

（2）零件裝配關(guān)系：前圍內(nèi)板存在裝配關(guān)系的零件有：前地板前端、前擋板橫梁、左右前輪包等，存在有焊接關(guān)系、鉚接關(guān)系、粘接關(guān)系，以及密封要求。

（3）零件精度要求：零件精度要求如表2 所示[2]。

表2 零件精度要求

2.1 零件拉伸起皺、開裂部位分析

由于板料厚度方向和平面方向上的尺寸存在較大的落差，致使拉伸時造成厚度方向不穩(wěn)定，當平面方向的應(yīng)力達到一定程度時，厚度方向失穩(wěn)，從而產(chǎn)生起皺現(xiàn)象。仿真分析后可知該零件有2處較為明顯的起皺，如圖2所示。在成型過程中，急劇的斷面形狀變化造成材料堆積，形成較大的波紋即起皺。

圖2 件起皺部位、開裂部位

零件開裂部位在圖2中所示的拐角處。由于拐角和根部R都比較小，拉伸成型或整形都難以達到要求，因此仿真分析后提出產(chǎn)品ECR 變更，要求加大根部尖角處R，便于成型。圖2 中，三條棱線相交的斷差大、R小，形成尖角，使應(yīng)力集中而頂破板料。因此，增加過渡筋可以緩解起皺，避免開裂。

2.2 零件回彈及扭曲

前圍內(nèi)板經(jīng)過拉延、修邊和整形后，在內(nèi)應(yīng)力作用下，零件回彈產(chǎn)生扭曲變形，尤其易出現(xiàn)在右側(cè)焊接邊緣部位。對策：盡量拉伸成形，減少整形成形；保證最小變形要求，提高剛度；保證流入材料的平衡性。實在不行則增加整形工序，將回彈部分整形到公差范圍以內(nèi)。

2.3 修邊沖孔和安裝配合面的整形

前圍內(nèi)板修邊主要集中在周圈修邊以及內(nèi)部的沖孔。為了保證修邊質(zhì)量，局部采用斜鍥修邊，其他采用正切修邊；沖孔采用正沖沖孔，內(nèi)部斜面沖孔斜鍥無法沖裁，故采用壓料芯斜鍥沖裁，提高沖裁質(zhì)量[3]。拉延時局部造型圓角拉延不到位的，后序整形到位；修邊角度銳角不超過15°、鈍角不超過20°，修邊角度過大容易產(chǎn)生毛刺，影響精度，且修邊刃口磨損較快，會降低模具壽命；廢料長度小于600 mm，利于排料[2]。在修邊時還要考慮廢料的排出。針對鋁合金板材特性，要求將廢料排出到工作臺面外，所以廢料滑道不小于30°，滑板附加滾珠網(wǎng)。

通過以上分析確定前圍內(nèi)板的沖壓工序，共需5道工序完成：①落料→②拉延→③側(cè)修邊、沖孔→④修邊、沖孔、側(cè)沖孔→⑤整形。由于回彈需求，在完成正常的沖壓工藝工序以外，再增加回彈測量工序，以便查看零件的回彈情況，所以CAE工藝安排為：①落料→②拉延→③側(cè)修邊、沖孔→④修邊、沖孔、側(cè)沖孔→⑤整形→⑥回彈。

前圍內(nèi)板沖壓工藝圖如圖3所示。

圖3 前圍內(nèi)板沖壓工藝分析

3 拉延工藝設(shè)計及仿真結(jié)果

拉延是利用拉延模將平板毛坯變?yōu)殚_口空心零件的沖壓工序。具體指毛坯在壓料力的作用下，使坯料在凸凹模、壓邊圈之間產(chǎn)生流動，得到所需制件形狀的過程。

拉延工藝在仿真軟件中進行工藝設(shè)計和仿真計算，經(jīng)反復修改和優(yōu)化后確定最優(yōu)工藝方案。CAD分析模型的步驟：導入模型（軟件自動進行網(wǎng)格劃分）、網(wǎng)格檢查及空洞填充、確定模具基準、料厚及沖壓方式、工具設(shè)定、坯料尺寸確定、材料選擇、拉深筋布置、工藝參數(shù)設(shè)置和分析計算等。

3.1 沖壓方向的選擇

根據(jù)前圍內(nèi)板的結(jié)構(gòu)特點確定其沖壓方向。在汽車坐標系下，零件Z方向上高度差較大，因此在考慮拉延沖壓方向的時候，零件沿車身Y 軸旋轉(zhuǎn)145°，降低零件的高度差，以保證在拉延初期零件的腰線部分要首先接觸到坯料，不能使棱線產(chǎn)生滑移，并保證不能出現(xiàn)負角。

3.2 壓料面的設(shè)計

壓料面是工藝補充的重要組成部分，是指凹模圓角半徑以外的部分，對成形起著重要作用。壓料面應(yīng)盡量保證坯料平展，各部位進料阻力平衡，拉延深度大致相同。

設(shè)計壓料面：前圍內(nèi)板周圈搭接面平緩，沒有劇烈起伏，沒有參與法蘭面位置，不采用翻邊工藝。所以在這種情況下，壓料面的形狀是已定的，即采用外壓料形式，外壓料面基本保持一致。

在Autoform中構(gòu)建壓料面，根據(jù)以上要求，用U、V線來控制壓料面的形狀和深度。

3.3 工藝補充設(shè)計以及拉深筋和模擬參數(shù)的設(shè)定

（1）工藝補充設(shè)計。為了創(chuàng)造良好的拉延條件，需要將制件上的孔填平，有凸起時可以改造平滑使其成為有利成型的壓料面；無凸起時需要建造一個有利進料的光滑順暢壓料面，并設(shè)置調(diào)整進料阻力的筋或坎，這些增添的部分統(tǒng)稱為工藝補充部分。前圍內(nèi)板拉延工藝模型如圖4所示。

（2）拉深筋和模擬參數(shù)設(shè)定。拉深筋布置：成形過程中為了限制板料的流動，需要設(shè)置各種形狀的拉深筋。Autoform中前期分析不需要建立實際的拉深筋，而采用等效拉深筋。分析時可以通過快速調(diào)整拉深筋系數(shù)來調(diào)整拉深筋阻力，以便節(jié)省分析時間。分析成功之后再根據(jù)相應(yīng)的阻力系數(shù)來設(shè)計真實拉深筋幾何形狀[4]。等效拉深筋設(shè)置參數(shù)如圖4所示。

圖4 等效拉延筋設(shè)置參數(shù)

模擬參數(shù)設(shè)定：這一步主要是對摩擦系數(shù)、壓邊力等工藝參數(shù)進行設(shè)置。材料選用5182-O，抗拉強度255 MPa、屈服強度110 MPa、n值0.32、AG斷后延伸率為22.3%；壓邊圈行程100 mm，理論壓邊力80 t，摩擦系數(shù)選用0.15（標準下）。

前圍內(nèi)板拉延為單動外壓料形式。

3.4 仿真計算結(jié)果分析

參數(shù)設(shè)置完成后進行成形仿真計算，并對工藝補充和參數(shù)設(shè)置進行反復修改。對計算結(jié)果進行分析，主要從以下幾方面入手：

（1）壓料情況和成形過程分析。板料在重力作用下下垂，同時凹模與壓邊圈閉合壓料。圖5顯示了板料的壓料狀態(tài)以及成形期間各時間段板料的狀態(tài)。

圖5 鋁合金前圍內(nèi)板成形過程

（2）減薄率分析：鋁合金板材，料厚減薄評價。判斷準則：成型區(qū)域減薄超過18%一律視為破裂，查看FLD 指示，將減薄云圖的刻度設(shè)置為-0.18～0.03，用不同顏色來顯示[5]。減薄情況如圖6所示，產(chǎn)品內(nèi)最大減薄16%，滿足產(chǎn)品需求。

圖6 材料減薄率分布圖

（3）開裂部位分析。從圖5 可以看出，零件沒有開裂部位。圖示兩處減薄均在產(chǎn)品以外，屬于工藝補充部分可消除，對后續(xù)工藝不產(chǎn)生影響。

3.5 優(yōu)化修改后確定拉延數(shù)模和后序成形工藝

通過設(shè)變更改和調(diào)整拉深筋布置、壓邊力、拉延補充的方式，對成形分析中出現(xiàn)的問題，反復進行仿真計算，最終得到滿意的分析結(jié)果，確定工藝參數(shù)和后序成形工藝。

從鋁合金前圍內(nèi)板的沖壓工藝設(shè)計可以看出，仿真分析結(jié)果為產(chǎn)品設(shè)計人員和工藝設(shè)計人員提供了重要的參考，在產(chǎn)品設(shè)計階段發(fā)現(xiàn)沖壓問題及時更改產(chǎn)品，為后續(xù)設(shè)計節(jié)省時間和成本。同時為設(shè)計人員在以后的工藝參數(shù)調(diào)整和模具設(shè)計中，提供了技術(shù)儲備，既提高了設(shè)計質(zhì)量，又縮短了模具調(diào)試時間和模具設(shè)計制造周期。

4 零件后續(xù)工序分配及回彈結(jié)果

4.1 修邊工序工藝設(shè)計

修邊偏差控制在±0.5 mm，修邊角度會影響修邊的質(zhì)量，尤其是鋁合金板材更要注意。選擇沖裁方向時應(yīng)注意：

（1）修邊刀塊與拉延型面的法向方向夾角過大時，容易發(fā)生撕裂，產(chǎn)生毛剃，且若凸凹模刃口成銳角，強度不足易損傷刀塊，會產(chǎn)生鋁屑。一般夾角在±20°以內(nèi)，嚴格要求的話應(yīng)在±15°[5]。

（2） 修邊方向分垂直修邊、斜鍥水平修邊和斜鍥傾斜修邊，如圖7 所示。為確保模具結(jié)構(gòu)簡單、費用低、工作機構(gòu)穩(wěn)定，盡量選擇垂直修邊，或者采用斜鍥修邊[6]。

圖7 修邊形式示意圖

結(jié)合上述，鋁合金前圍內(nèi)板修邊工藝安排如圖8所示。

圖8 修邊工藝圖

4.2 沖孔工序工藝設(shè)計

沖孔可以整合到修邊工序或整形翻邊工序中，這主要取決于孔的位置?？椎陌才攀欠窈侠頉Q定了孔的位置精度。沖孔的設(shè)置原則：

（1）相同功能的安裝孔，在同一工序中沖裁，保證孔與孔之間的位置公差，主副定位孔應(yīng)在同一工序沖裁，且沖孔方向與孔的法向不應(yīng)超過3°。

（2）孔所在零件平面如果有翻邊、整形等工序時，要將此類孔放在最后一道工序來加工，保證孔的精度和位置度公差。

（3）當零件中大孔與小孔距離較近時，應(yīng)先大后小，以免沖大孔時導致小孔二次變形。

（4）為了保證孔的精度和模具結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)盡量垂直沖裁。沖壓方向與孔的中心線夾角應(yīng)滿足表3要求，如不能滿足，則需要斜鍥沖孔[2]。

表3 沖孔角度要求

前圍零件沖孔信息如圖9所示：

圖9 零件沖孔信息

結(jié)合零件孔位信息和沖孔工藝要求可知：該零件沖孔采用1類孔正沖和2類孔斜鍥側(cè)沖。

4.3 整形工序工藝設(shè)計

為保證零件順利成形，拉延工序會對產(chǎn)品的某些形狀、特征進行改動，如加大圓角等，而恢復是通過整形工藝來實現(xiàn)?？紤]到鋁合金板材的特性，將其整形工序單獨作為一序來實現(xiàn)，避免出現(xiàn)劃傷和壓痕。

4.4 回彈分析

鋁合金零件的回彈是很難控制的一項缺陷，通常分為兩類：

（1）拉延回彈。當拉延過程中板料發(fā)生無法控制的復雜變形時，拉延件中會產(chǎn)生殘余內(nèi)應(yīng)力，而這些內(nèi)應(yīng)力在修邊后得以釋放，從而造成回彈。

（2）翻邊回彈。翻邊后由于板料的塑性變形不足，存在彈性變形，制件取出后，彈性變形恢復，從而引起回彈。

回彈對策：根據(jù)仿真分析回彈數(shù)據(jù)進行回彈補償。

文中只對回彈進行預(yù)測，不做補償。仿真分析結(jié)果顯示自由回彈如圖10 所示：最大自由回彈量為紅色區(qū)域，最大回彈值為4.38 mm。

圖10 自由回彈示意圖

5 生產(chǎn)驗證

采用優(yōu)化后的模擬工藝參數(shù)重新優(yōu)化設(shè)計拉延工藝模面，并進行模具設(shè)計加工，經(jīng)過調(diào)試，最終得到穩(wěn)定的合格產(chǎn)品件。生產(chǎn)調(diào)試結(jié)果與仿真分析結(jié)果基本吻合，產(chǎn)品拉延成形性良好，無起皺開裂等缺陷，回彈也符合產(chǎn)品工藝要求。

6 結(jié)論

（1）鋁合金零件在設(shè)計階段，通過仿真分析結(jié)果對產(chǎn)品提出設(shè)變，可以有效提高產(chǎn)品質(zhì)量。考慮到工藝參數(shù)波動，應(yīng)以減薄率為目標，以不產(chǎn)生破裂、起皺等缺陷為約束函數(shù)，以壓邊力、拉深筋阻力等工藝參數(shù)為設(shè)計變量進行穩(wěn)健性優(yōu)化。

（2）仿真分析軟件提供的等效拉深筋方法展現(xiàn)出了極大的優(yōu)越性，不僅便于拉深筋參數(shù)的設(shè)置，同時避免了對幾何模型反復的修改，縮短了設(shè)計時間，提高了計算效率。

（3）鋁合金覆蓋件沖壓成形的仿真，得到了許多重要參數(shù)，為其他類似零件模具的開發(fā)提供了重要的參考，為實際生產(chǎn)調(diào)試節(jié)省了時間。