汽车前围内板铝合金冲压工艺设计

2023-06-15 19:32| 来源: 网络整理| 查看: 265

摘要：目前使用轻质材料是实现汽车轻量化的重要途经。通过对某全铝合金汽车前围内板冲压工艺方案的设计，论述了铝合金汽车板在冲压过程中发生的起皱、开裂、减薄、回弹等问题，并使用有限元分析软件，对前围内板工艺方案进行仿真分析，根据分析结果对工艺方案进行优化设计，并验证其可行性。最终确定的工艺方案为铝合金汽车覆盖件的开发、产品试制提供了技术支持和理论基础。关键词：铝合金；轻量化；前围内板；冲压工艺；前言随着日益严峻的环境问题出现以及节能减排法律法规的实施，轻量化已经成为汽车行业不得不重视的课题。研究表明，约75%的汽车油耗与整车质量有关，每降低重量10%，汽车燃油效率可以提高6%～8%，而排放则下降4%。因此，轻量化对节能减排、环境保护具有重大意义。汽车车身零部件中约70%是冲压完成的，所以使用轻质合金是实现轻量化的重要途径之一。轻质材料中，铝合金因其耐冲击载荷好、强度高、密度小、且耐腐蚀等优点受到了各大车企的喜爱。但铝合金材料在冲压成型方面的特性与钢板又不完全相同，很多情况下不能套用钢板的变形规律，如铝板的弹性模量是钢板的1/3，而回弹量却是钢板的3倍，所以更容易出现开裂、回弹等缺陷。本文针对铝合金前围内板的成型过程进行研究，对其冲压工艺进行分析、优化和总结，加深仿真成型对制定冲压工艺的认知，使之更好地为生产服务，从而验证仿真成型对传统冲压的优越性，并为铝合金板材的应用提供理论技术指导。 1、铝合金轻质材料性能参数 5×××系铝合金属于应变硬化铝合金，适用于汽车内板。为保证冲压成型性及强度需求，前围内板选用5182-O铝合金板，其力学性能见表1[1]。

2、零件冲压工艺分析前围内板形状如图1所示，零件外形尺寸327 mm×879 mm×215 mm，料厚1.2 mm。与之装配的零件有地板前端、前挡板横梁等零件，尺寸精度要求较高。同时前围内板形状复杂、变形量较大，零件成型后的回弹、扭曲对其精度有较大影响，因此需要充分的塑性变形来保证足够的刚性。

图1前围板内板下面从三个方面对零件进行分析： (1）零件表面质量要求：前围内板是非外观表面，不允许有裂纹、过大起皱、破裂等缺陷。 (2）零件装配关系：前围内板存在装配关系的零件有：前地板前端、前挡板横梁、左右前轮包等，存在有焊接关系、铆接关系、粘接关系，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]。

2.1零件拉伸起皱、开裂部位分析由于板料厚度方向和平面方向上的尺寸存在较大的落差，致使拉伸时造成厚度方向不稳定，当平面方向的应力达到一定程度时，厚度方向失稳，从而产生起皱现象。仿真分析后可知该零件有2处较为明显的起皱，如图2所示。在成型过程中，急剧的断面形状变化造成材料堆积，形成较大的波纹即起皱。

图2件起皱部位、开裂部位零件开裂部位在图2中所示的拐角处。由于拐角和根部R都比较小，拉伸成型或整形都难以达到要求，因此仿真分析后提出产品ECR变更，要求加大根部尖角处R，便于成型。图2中，三条棱线相交的断差大、R小，形成尖角，使应力集中而顶破板料。因此，增加过渡筋可以缓解起皱，避免开裂。 2.2零件回弹及扭曲前围内板经过拉延、修边和整形后，在内应力作用下，零件回弹产生扭曲变形，尤其易出现在右侧焊接边缘部位。对策：尽量拉伸成形，减少整形成形；保证最小变形要求，提高刚度；保证流入材料的平衡性。实在不行则增加整形工序，将回弹部分整形到公差范围以内。 2.3修边冲孔和安装配合面的整形前围内板修边主要集中在周圈修边以及内部的冲孔。为了保证修边质量，局部采用斜锲修边，其他采用正切修边；冲孔采用正冲冲孔，内部斜面冲孔斜锲无法冲裁，故采用压料芯斜锲冲裁，提高冲裁质量[3]。拉延时局部造型圆角拉延不到位的，后序整形到位；修边角度锐角不超过15°、钝角不超过20°，修边角度过大容易产生毛刺，影响精度，且修边刃口磨损较快，会降低模具寿命；废料长度小于600 mm，利于排料[2]。在修边时还要考虑废料的排出。针对铝合金板材特性，要求将废料排出到工作台面外，所以废料滑道不小于30°，滑板附加滚珠网。通过以上分析确定前围内板的冲压工序，共需5道工序完成：①落料→②拉延→③侧修边、冲孔→④修边、冲孔、侧冲孔→⑤整形。由于回弹需求，在完成正常的冲压工艺工序以外，再增加回弹测量工序，以便查看零件的回弹情况，所以CAE工艺安排为：①落料→②拉延→③侧修边、冲孔→④修边、冲孔、侧冲孔→⑤整形→⑥回弹。前围内板冲压工艺图如图3所示。

图3前围内板冲压工艺分析 3、拉延工艺设计及仿真结果拉延是利用拉延模将平板毛坯变为开口空心零件的冲压工序。具体指毛坯在压料力的作用下，使坯料在凸凹模、压边圈之间产生流动，得到所需制件形状的过程。拉延工艺在仿真软件中进行工艺设计和仿真计算，经反复修改和优化后确定最优工艺方案。CAD分析模型的步骤：导入模型（软件自动进行网格划分）、网格检查及空洞填充、确定模具基准、料厚及冲压方式、工具设定、坯料尺寸确定、材料选择、拉深筋布置、工艺参数设置和分析计算等。 3.1冲压方向的选择根据前围内板的结构特点确定其冲压方向。在汽车坐标系下，零件Z方向上高度差较大，因此在考虑拉延冲压方向的时候，零件沿车身Y轴旋转145°，降低零件的高度差，以保证在拉延初期零件的腰线部分要首先接触到坯料，不能使棱线产生滑移，并保证不能出现负角。 3.2压料面的设计压料面是工艺补充的重要组成部分，是指凹模圆角半径以外的部分，对成形起着重要作用。压料面应尽量保证坯料平展，各部位进料阻力平衡，拉延深度大致相同。设计压料面：前围内板周圈搭接面平缓，没有剧烈起伏，没有参与法兰面位置，不采用翻边工艺。所以在这种情况下，压料面的形状是已定的，即采用外压料形式，外压料面基本保持一致。在Autoform中构建压料面，根据以上要求，用U、V线来控制压料面的形状和深度。 3.3工艺补充设计以及拉深筋和模拟参数的设定 (1）工艺补充设计。为了创造良好的拉延条件，需要将制件上的孔填平，有凸起时可以改造平滑使其成为有利成型的压料面；无凸起时需要建造一个有利进料的光滑顺畅压料面，并设置调整进料阻力的筋或坎，这些增添的部分统称为工艺补充部分。前围内板拉延工艺模型如图4所示。 (2）拉深筋和模拟参数设定。拉深筋布置：成形过程中为了限制板料的流动，需要设置各种形状的拉深筋。Autoform中前期分析不需要建立实际的拉深筋，而采用等效拉深筋。分析时可以通过快速调整拉深筋系数来调整拉深筋阻力，以便节省分析时间。分析成功之后再根据相应的阻力系数来设计真实拉深筋几何形状[4]。等效拉深筋设置参数如图4所示。图片图4等效拉延筋设置参数模拟参数设定：这一步主要是对摩擦系数、压边力等工艺参数进行设置。材料选用5182-O，抗拉强度255 MPa、屈服强度110 MPa、n值0.32、AG断后延伸率为22.3%；压边圈行程100 mm，理论压边力80 t，摩擦系数选用0.15（标准下）。前围内板拉延为单动外压料形式。 3.4仿真计算结果分析参数设置完成后进行成形仿真计算，并对工艺补充和参数设置进行反复修改。对计算结果进行分析，主要从以下几方面入手： (1）压料情况和成形过程分析。板料在重力作用下下垂，同时凹模与压边圈闭合压料。图5显示了板料的压料状态以及成形期间各时间段板料的状态。图片图5铝合金前围内板成形过程 (2）减薄率分析：铝合金板材，料厚减薄评价。判断准则：成型区域减薄超过18%一律视为破裂，查看FLD指示，将减薄云图的刻度设置为-0.18～0.03，用不同颜色来显示[5]。减薄情况如图6所示，产品内最大减薄16%，满足产品需求。图片图6材料减薄率分布图 (3）开裂部位分析。从图5可以看出，零件没有开裂部位。图示两处减薄均在产品以外，属于工艺补充部分可消除，对后续工艺不产生影响。 3.5优化修改后确定拉延数模和后序成形工艺通过设变更改和调整拉深筋布置、压边力、拉延补充的方式，对成形分析中出现的问题，反复进行仿真计算，最终得到满意的分析结果，确定工艺参数和后序成形工艺。从铝合金前围内板的冲压工艺设计可以看出，仿真分析结果为产品设计人员和工艺设计人员提供了重要的参考，在产品设计阶段发现冲压问题及时更改产品，为后续设计节省时间和成本。同时为设计人员在以后的工艺参数调整和模具设计中，提供了技术储备，既提高了设计质量，又缩短了模具调试时间和模具设计制造周期。 4、零件后续工序分配及回弹结果 4.1修边工序工艺设计修边偏差控制在±0.5 mm，修边角度会影响修边的质量，尤其是铝合金板材更要注意。选择冲裁方向时应注意： (1）修边刀块与拉延型面的法向方向夹角过大时，容易发生撕裂，产生毛剃，且若凸凹模刃口成锐角，强度不足易损伤刀块，会产生铝屑。一般夹角在±20°以内，严格要求的话应在±15°[5]。 (2）修边方向分垂直修边、斜锲水平修边和斜锲倾斜修边，如图7所示。为确保模具结构简单、费用低、工作机构稳定，尽量选择垂直修边，或者采用斜锲修边[6]。图片图7修边形式示意图结合上述，铝合金前围内板修边工艺安排如图8所示。图片图8修边工艺图 4.2冲孔工序工艺设计冲孔可以整合到修边工序或整形翻边工序中，这主要取决于孔的位置。孔的安排是否合理决定了孔的位置精度。冲孔的设置原则： (1）相同功能的安装孔，在同一工序中冲裁，保证孔与孔之间的位置公差，主副定位孔应在同一工序冲裁，且冲孔方向与孔的法向不应超过3°。 (2）孔所在零件平面如果有翻边、整形等工序时，要将此类孔放在最后一道工序来加工，保证孔的精度和位置度公差。 (3）当零件中大孔与小孔距离较近时，应先大后小，以免冲大孔时导致小孔二次变形。 (4）为了保证孔的精度和模具结构简单，应尽量垂直冲裁。冲压方向与孔的中心线夹角应满足表3要求，如不能满足，则需要斜锲冲孔[2]。前围零件冲孔信息如图9所示：图片图9零件冲孔信息结合零件孔位信息和冲孔工艺要求可知：该零件冲孔采用1类孔正冲和2类孔斜锲侧冲。 4.3整形工序工艺设计为保证零件顺利成形，拉延工序会对产品的某些形状、特征进行改动，如加大圆角等，而恢复是通过整形工艺来实现。考虑到铝合金板材的特性，将其整形工序单独作为一序来实现，避免出现划伤和压痕。 4.4回弹分析铝合金零件的回弹是很难控制的一项缺陷，通常分为两类： (1）拉延回弹。当拉延过程中板料发生无法控制的复杂变形时，拉延件中会产生残余内应力，而这些内应力在修边后得以释放，从而造成回弹。 (2）翻边回弹。翻边后由于板料的塑性变形不足，存在弹性变形，制件取出后，弹性变形恢复，从而引起回弹。回弹对策：根据仿真分析回弹数据进行回弹补偿。文中只对回弹进行预测，不做补偿。仿真分析结果显示自由回弹如图10所示：最大自由回弹量为红色区域，最大回弹值为4.38 mm。图片图10 自由回弹示意图 5、生产验证采用优化后的模拟工艺参数重新优化设计拉延工艺模面，并进行模具设计加工，经过调试，最终得到稳定的合格产品件。生产调试结果与仿真分析结果基本吻合，产品拉延成形性良好，无起皱开裂等缺陷，回弹也符合产品工艺要求。 6、结论（1）铝合金零件在设计阶段，通过仿真分析结果对产品提出设变，可以有效提高产品质量。考虑到工艺参数波动，应以减薄率为目标，以不产生破裂、起皱等缺陷为约束函数，以压边力、拉深筋阻力等工艺参数为设计变量进行稳健性优化。（2）仿真分析软件提供的等效拉深筋方法展现出了极大的优越性，不仅便于拉深筋参数的设置，同时避免了对几何模型反复的修改，缩短了设计时间，提高了计算效率。（3）铝合金覆盖件冲压成形的仿真，得到了许多重要参数，为其他类似零件模具的开发提供了重要的参考，为实际生产调试节省了时间。参考文献 [1] GB/T 3880.1.2.3—2012，一般工业用铝及铝合金板、带材[S]. [2] Q/WM 1001—2003，北京福田模具设计规范与标准[S]. [3] Q/WM 1006—2003，北京福田模具设计规范与标准[S]. [4] 林通.Auroform4.0钣金冲压成形分析从入门到精通[M].北京：机械工业出版社，2012. [5] 涂小文.AutoForm原理技巧与战力手册[M].武汉：湖北科学技术出版社，2013:405-427. [6] 崔令江.汽车覆盖件冲压技术[M].北京：机械工业出版社，2003:140-141.

来源：《铝加工》

关键词：铝合金轻量化前围内板冲压工艺

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