铝合金发盖外板充液成形工艺研究与应用

作者：江户车侠
2020-03-24 05:20
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导读：本文对铝合金发动机罩外板充液成形工艺进行了研究，确定了零件包边线位置，依据最优坯料流动方式给出了型面补偿方案。同时，在Dynaform中建立了发盖外板充液成形过程的有限元模型，研究了关键工艺参数的加载路径及压边力对零件失稳控制的影响，并进行了试验验证。研究结果表明，充液成形工艺对汽车外板类覆盖件具有较好的适用性。

铝合金具有密度小（铝的密度约为钢的1/3）、质量轻、加工成形性好及可重复回收利用等特点。研究表明，与传统钢铁相比，在达到同样力学性能指标的情况下，使用铝合金质量比钢少60%；在承受同样冲击的条件下，铝板比钢板多吸收50%的冲击能量。铝的断后伸长率δ低于钢，因此铝的成形性能要差；铝的拉伸性能r值远低于钢，导致铝合金件易开裂。

充液成形是通过模具闭合，向模具型腔内注入液体，并施加液体压力得到所需零件形状的成形技术。通过对充液成形技术的应用，提高了铝合金板材的成形性能，消除板材成形过程中的破裂、起皱、未充分拉深等成形缺陷，从而达到提高产品质量，降低生产成本的目的。通过专用充液设备、充液压力源和模具实现铝板件的成形。

零件分析

国内对于铝合金覆盖件的研究和应用较少，本文以江淮汽车公司某新款车型的发动机罩外板（以下简称“发盖外板”）为研究对象。该零件为大型蒙皮类零件，材料为6016铝合金，厚度为1mm，尺寸约为1490mm×900mm×100mm，其形状如图1所示。且在零件周边有包边，在成形过程中要考虑包边余量，确定包边线。该汽车覆盖件在成形过程中要注意零件表面质量与回弹，减小回弹的方式主要是控制零件型面的变形量，通常减薄在4.5%～5%的情况下，零件的回弹较小，因此采用充液成形进行成形工艺分析。

图1 零件数模

通过多次型面的补充与计算，最终确定型面。由于本项目最终采用的是激光切割，对包边线的要求不高，且不同单位包边方式的不同对包边型面的要求不同，所以在确定包边工艺合作单位之后，该型面可能要进行改动。图2中的黄色区域即为确定的包边型面。

图2 包边型面

工艺型面

因为采用被动式充液成形，所以工艺型面的补充主要是凸模与凹模的工艺型面。在考虑包边的情况下，凸模补充型面如图3所示，该型面主要成形难点为红色区域内的过渡圆角要合理，防止局部减薄过大。图3中红色区域为危险区，容易产生破裂，因此考虑减小该处的流料阻力，在凹模圆角局部采用扩大凹模圆角的方法减小减薄，如图4中红色区所示。

该零件在成形过程中底部变形较小，容易产生较大回弹，为了减小起皱趋势，在成形的过程中考虑加入拉延筋以增加流料阻力，拉延筋的布置如图5所示（红色面）。在成形过程中零件周圈所需要的进料阻力不同，因此拉延筋分成了几段，每段的拉延筋高度略有不同。

图3 凸模型面

图4 凹模型面

图5 拉延筋的布置

工艺参数优化

板材充液成形的几何模型包括上模具、下模具、压边圈及板料。模拟分析中假设模具为没有任何变形的刚体，板料为Belyschko–Tsay模型的壳体单元，厚度为1mm，该假设的模拟仿真符合板材充液成形的实际情况。模拟分析采用已被金属成形工业广泛应用的Dynaform软件，其求解器是非线性动态显示算法的LSDYNA。其中凸、凹模及压边圈定为刚性体，采用刚性4节点网格单元进行离散化处理，板材采用4节点BT壳单元。坯料与凹模、压边圈和凸模的摩擦因数分别设置为0.005、0.10和0.15。本文采用定压边力方式控制料的流动，经优化后的坯料尺寸大小为1400mm×1950mm。

在充液成形过程中拉延筋不仅起到拉延板料的作用，还在一定程度上起密封作用。采用全拉延筋的方式，由于板料每处的形状不同，进料速度不同，每处需要的拉延阻力不同，因此在不同位置通过不同的拉延筋形状与高度来调整拉延筋的分布，如图6所示。由于该零件为对称件，本文以1/2模型的板料对应的拉延筋进行编号研究。

图6 等效拉延筋的分布

本文采用半圆形拉延筋，拉延筋的参数包括凸筋圆角、凸筋高度及凹槽圆角等。根据该零件的特点，主要是凸筋圆角高度H1影响板料流动的阻力，文中通过调整拉延筋参数中半圆高度H1获得最佳的进料阻力。通过正交试验法优化拉延筋高度对减薄率的影响，获得拉延筋的优化高度分布见表1，设定该拉延筋参数获得最大减薄率为4%～13%，保证零件不产生破裂、起皱失稳现象并使板料充分拉深。

表1 拉延筋的高度H1

采用被动式充液成形进行数值模拟，结果如图7、8所示。从图7中可以看出汽车发盖外板顶部减薄大于4.8%，变形较为充分，可减小成形之后的回弹，最大减薄为15.464%。从图8可以看出零件底部全部为绿色，变形较为充分，且成形过程中液体代替凹模，零件外表面成形质量较好。