汽車后備箱門內板充液成形數值模擬與試驗驗證*

郎利輝，丁少行，楊希英，孫志瑩，黃祥煜，佟振宇

(1.北京航空航天大學機械工程及自動化學院，北京 100191； 2.北京比亞迪模具有限公司，北京 101111)

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2015107

汽車后備箱門內板充液成形數值模擬與試驗驗證*

郎利輝1，丁少行1，楊希英1，孫志瑩1，黃祥煜2，佟振宇2

(1.北京航空航天大學機械工程及自動化學院，北京 100191； 2.北京比亞迪模具有限公司，北京 101111)

對汽車后備箱門內板的充液成形-局部沖壓成形復合工藝過程進行了數值模擬，分析拉延筋高度、液室壓力、壓邊間隙和初始反脹高度等工藝參數對板件的減薄率的影響，最終獲得一組最優的工藝參數，并據此制作了樣件，試驗結果表明零件合格，驗證了充液成形工藝及其數值模擬技術的可行性。

汽車覆蓋件；充液成形；數值模擬

前言

板材充液成形技術是利用液體介質代替剛性凹模或凸模，依靠液體介質壓力使板材成形的一種工藝。在成形過程中，液體壓力使坯料緊緊貼在凸模上，增大坯料與凸模之間的有益摩擦力，形成“摩擦保持”效果；合適的液室壓力可使液體從板料法蘭和凹模之間溢出，減小坯料與凹模之間的有害摩擦力，形成“流體潤滑”效果。“摩擦保持”和“流體潤滑”效果均有利于零件的拉深成形，可大大提高零件的成形極限。近幾年來，由于結構輕量化、整體化、精密化、精品化和復合成形技術的需要，充液成形技術得到迅速發展，尤其在汽車、航空航天等領域[1-6]。

與一般沖壓件相比，汽車覆蓋件具有材料薄、形狀復雜、自由曲面多、結構尺寸大和表面質量要求高等特點[7-8]。對于大型汽車覆蓋件，傳統沖壓制造工藝一般需要多步成形工序，制造過程較繁瑣。利用充液成形技術制造該類零件可減少成形工序，避免多次定位，減少工序與工序間不必要的時間浪費，提高生產效率。另外，充液成形工藝可有效提高板材成形性，產品尺寸精度高，表面質量好。針對該類汽車大型覆蓋件，研究充液成形中的失穩形式，工藝參數對成形失穩的影響規律，以及避免失穩的方法，為以后此類零件的充液成形工藝提供指導作用。

1 零件外形尺寸及材料

本文中研究的零件是汽車后備箱門內板件，外形尺寸如圖1所示，長1 553.21mm，寬1 290.86mm，高383.12mm，具有大尺寸、弱剛度、局部小特征多和曲面法蘭等特點。

零件材料為深沖鋼SPCEN，板料厚度為0.8mm，材料力學性能如表1所示。SPCEN板材具有優良沖壓成形性能，成形零件具有表面光潔平滑特性，適于制造各種沖壓零件，用途廣泛。

表1 材料的性能參數

2 充液成形工藝分析及有限元模型

該零件的傳統生產工藝為多道次拉深成形，為了減少成形工序，提高成形質量和節約成本，可以采用充液成形-局部沖壓成形復合工藝，對局部難成形小特征部位進行剛性模整形，兼具兩種工藝的優點，并且降低充液成形的設備噸位。由圖1側視圖可以看出，該零件外形似V形，故稱此時零件方向為V向。該零件充液成形有多種方式，包括主動成形與被動成形，V向與Λ向成形。經大量數值模擬與理論研究發現：V向充液成形容易發生起皺失穩，起皺狀況不易消除；Λ向主動成形局部減薄量大，且成形不充分。因此，采用Λ向被動充液成形方式。

本試驗采用已被金屬成形工業廣泛應用的dynaform軟件，其求解器是非線性動態顯示算法的LS-DYNA。模型中，凸、凹模及壓邊圈視為剛性體，采用剛性4節點網格單元進行離散化處理，板材采用4節點BT殼單元。由于有“摩擦保持”和“流體潤滑”作用，坯料與凹模、壓邊圈和凸模的摩擦因數分別設置為0.005、0.10和0.15。采用定間隙壓邊方式。經優化后的坯料大小為1 770mm×1 580mm。有限元模型如圖2所示。

3 充液成形過程數值模擬

3.1 拉延筋對減薄率的影響

當零件形狀不規則時，在拉深成形中零件變形復雜，各部分所受應力往往差別很大，坯料沿凹模口的流動速度不均衡，以致極易出現破裂和起皺等缺陷[9]。如何改善進料阻力對于提高產品質量顯得至關重要。拉延筋具有穩定、有效、靈活和均勻控制壓料力的優點，其作用包括調節進料阻力分布、降低壓料面精度要求、增加零件剛性、糾正板料的不平整缺陷、提高板料表面質量和可在一定程度上降低壓床噸位等[10]。

設置合適的液室壓力加載曲線、反脹高度和較小的壓邊間隙，不設置拉延筋，所得模擬結果如圖3所示。在坯料尺寸充足、壓邊間隙較小的情況下，坯料兩側被凸模拉進液室而使得成形失敗，可知本試驗需設置拉延筋，增加進料阻力以及避免起皺的產生。

根據充液成形過程中板料流動規律，拉延筋主要布置在法蘭直邊，如圖4所示白色線條部分。本文中采用半圓形拉延筋，如圖5所示，拉延筋的幾何外形(如凸筋圓角、凸筋高度和凹槽圓角等)對進料阻力起至關重要的作用。本試驗固定半圓形拉延筋其他幾何形狀，只通過調節凸筋高度H來達到尋求最佳進料阻力的目的[11]。

采用最優液室壓力加載曲線(圖6)，壓邊間隙為0.94mm，反脹高度為5mm，拉延筋圓角半徑為2.5mm，筋高度分別設置為2、2.5、3、3.5、4、4.5和5mm。不同筋高度下，充液成形后的零件最大減薄率模擬結果如圖7所示。由圖可見，最大減薄率隨著筋高度的增加而增大，這是由于隨著筋高度的增加，板料經過拉延筋時的彎曲反彎曲變形力增大而致使進料阻力增大導致的。當筋高為2.5、3和3.5mm時，最大減薄率最小，但如圖8所示，零件上、下底部中間起皺，而筋高度為4、4.5、5mm時無起皺現象發生。由此確定最優筋高度為4mm。

3.2 液室壓力對減薄率的影響

在充液拉深過程中，液室壓力起著至關重要的作用，合適的液室壓力形成的“摩擦保持”和“流體潤滑”效果可以改善拉深過程中的應力應變狀況，提高材料的拉深極限，有效抑制傳統拉深中凸模圓角破裂、懸空區起皺等缺陷[12]。

3.2.1 初始反脹壓力對減薄率的影響

取最優拉延筋高度4mm，固定成形壓力為4MPa，壓邊間隙為0.94mm，反脹高度為5mm，改變初始反脹壓力以研究其對減薄率的影響，不同初始反脹壓力加載路徑如圖9所示。

圖10為數值模擬結果。由圖可見，隨著初始反脹壓力的增大，最大減薄率先減小后增加。之所以會出現這種情況，是因為當初始反脹壓力較小時，坯料沒有在成形初期緊緊貼在凸模上形成初期“摩擦保持”效果，也沒有在凸凹模之間充分脹形以達到為成形過程補料的效果；當初始反脹壓力過大時，成形初期板材因脹形過量、彎曲反彎曲應力應變大導致減薄量已經很大。由圖10可確定最優初始脹形壓力為1MPa。

3.2.2 成形壓力對減薄率的影響

取最優拉延筋高度4mm，固定初始反脹壓力為1MPa，壓邊間隙為0.94mm，反脹高度為5mm，改變成形壓力以研究其對減薄率的影響，不同成形壓力加載路徑如圖11所示。

圖12為數值模擬結果。由圖可見，隨著成形壓力的增大，最大減薄率先減小后增加。之所以會出現這種情況，是因為當成形壓力較小時，充液成形過程相當于普通沖壓過程，沒有在成形過程中形成“摩擦保持”效果；當成形壓力較大時，因凸凹模之間有很大的空隙，過大的成形壓力致使在成形過程中板料過分脹形，同時也增加了板料與壓邊圈的有害摩擦力。此種結果與文獻[13]中液室壓力變化有一定的范圍的結論相一致。由圖12可確定最優成形壓力為4MPa。

3.3 壓邊間隙對減薄率的影響

由于在充液成形過程中難以嚴格控制壓邊力以滿足不同液室壓力下的壓邊力要求，因此采用定壓邊間隙的方式。

取最優拉延筋高度4mm，固定初始反脹壓力為1MPa，成形壓力為4MPa，反脹高度為5mm，改變壓邊間隙從0.88～0.96mm，間隔0.01mm，以研究其對減薄率的影響。

圖13為數值模擬結果。由圖可見，隨著壓邊間隙的增大，最大減薄率先減小后增加。壓邊間隙的大小影響著進料阻力，控制成形失穩的發生。過小的壓邊間隙會增大進料阻力，在凸模下行過程中板料由凹模圓角流入模腔中的阻力加大，板料應力應變增大，板料減薄嚴重；過大的壓邊間隙無法建立起液室壓力，同時因為法蘭區在成形過程中受切向應力，過大的壓邊間隙會增加法蘭起皺的趨勢。起皺失穩會增加進料阻力，加大板材減薄量，并且不利于后續加工和縮短模具壽命。由圖13可確定最優壓邊間隙是0.94mm。

3.4 反脹高度對減薄率的影響

初始反脹關鍵工藝參數有初始反脹壓力和初始反脹高度，優化后的初始反脹壓力為1MPa，下面探究初始反脹高度對減薄率的影響。

取最優拉延筋高度4mm，固定初始反脹壓力為1MPa，成形壓力為4MPa，壓邊間隙為0.94mm，改變反脹高度值從0～9mm，間隔1mm，以研究其對減薄率的影響。

圖14為數值模擬結果。由圖可見，隨著初始反脹高度的增大，最大減薄率先減小后增加。反脹高度對反脹量有很大的影響，反脹高度過高或過低對壁厚的減薄都不利。當反脹高度太小時，坯料不能充分脹形，聚料少，導致在充液成形后期料不足而加大壁厚減薄率；當反脹高度太大時，脹形過量，初始脹形應變大，板料減薄率加大，如圖15所示。由圖14可確定最優初始反脹高度為5mm，對應的最大減薄率達最小，為19.61%。圖16和圖17分別是初始反脹高度為5mm和9mm時充液成形初期壁厚減薄率分布云圖。由圖16可以看出，充液成形初期最大壁厚減薄率為18.82%，而圖17中，初始反脹高度為9mm時最大壁厚減薄率為21.99%，比初始反脹高度為5mm時大3.17%。

由以上的分析可知，優化后的工藝參數為拉延筋高度為4mm，初始反脹壓力為1MPa，成形壓力為4MPa，壓邊間隙為0.94mm，初始反脹高度為5mm。最優液室壓力加載曲線如圖16所示。在優化后的工藝參數下模擬的坯料邊線流料行為如圖18所示，進料阻力設置合理，流料光滑均勻；壁厚減薄率分布云圖如圖19所示，最大減薄率為19.61%。模擬結果顯示了本工藝的合理性。

4 試驗

在優化的工藝參數下進行充液成形-局部沖壓成形復合工藝試驗，所得合格零件如圖20所示，證明了本充液成形工藝的可行性。當壓邊間隙較小時，零件將發生開裂，圖21是在壓邊間隙為0.84mm時獲得的兩側開裂零件。當壓邊間隙較大時，零件法蘭易起皺，圖22是在壓邊間隙為1.0mm時獲得的法蘭起皺零件。圖23是在反脹高度過大時制得的零件，可見凸凹模之間聚料多，出現起皺現象。

5 結論

(1) 大型復雜曲面法蘭薄板充液成形關鍵工藝參數包括拉延筋幾何外形、液室壓力、壓邊間隙和反脹高度。在本文優化的工藝參數下制得了合格零件。

(2) 液室壓力過大或過小都會減小成形零件的壁厚；壓邊間隙過小會加大進料阻力，壓邊間隙過大易發生法蘭起皺失穩；反脹高度過大或過小也加大零件壁厚減薄。

(3) 充液成形-局部沖壓成形復合工藝，兼具兩種工藝的優點。充液成形減少成形道次，局部沖壓成形可以成形充液成形無法形成的小特征，降低充液成形設備的噸位。

(4) 以有限元為基礎的數值模擬技術可以對成形工藝進行分析和優化，加深對成形過程的理解。試驗結果驗證了數值模擬的正確性，表明了數值模擬技術對工藝參數的確定有重要的指導作用。

[1] 郎利輝,王永銘,謝亞蘇,等.鋁合金異形件充液成形失穩控制策略[J].塑性工程學報,2011,18(5):33-37.

[2] 郎利輝,李濤,安東洋,等.鈑金液壓柔性技術及其產品設計[J].塑性工程學報,2001,8(3):6-11.

[3] Hartl C. Research and Advances in Fundamentals and Industrial Applications of Hydroforming[J]. Journal of Materials Processing Technology,2005,167(2):383-392.

[4] Siegert K, H?ussermann M, L?sch B, et al. Recent Developments in Hydroforming Technology[J]. Journal of Materials Processing Technology,2000,98(2):251-258.

[5] 李濤,郎利輝,安冬洋.復雜薄壁零件板多級充液成形及過程數值模擬[J].北京航空航天大學學報,2007,33(7):830-832.

[6] Zhang S H, Lang L H, Kang D C, et al. Hydromechanical Deep-drawing of Aluminum Parabolic Workpieces—Experiments and Numerical Simulation[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture,2000,40(10):1479-1492.

[7] 鄭金橋,黃勇,王義林,等.汽車覆蓋件沖壓工藝設計現狀及發展趨勢[J].塑性工程學報,2003,10(6):10-14.

[8] 周杰,程丹,陽德森,等.汽車后輪罩板沖壓工藝方案的改進[J].汽車工程,2008,30(7):635-638.

[9] 李小平,張俠.板料成形拉延筋技術研究現狀[J].精密成形工程,2009,1(2):52-56.

[10] 史剛.拉延筋技術[J].模具技術,2004(3):31-33.

[11] 周杰,張雯娟,陽德森,等.轉矩加強盒成形過程數值模擬與參數優化[J].汽車工程,2007,29(10):909-912.

[12] 苑世劍,等.現代液壓成形技術[M].北京:國防工業出版社,2009.

[13] 郎利輝,李濤,周賢賓,等.先進充液柔性成形技術及其關鍵參數研究[J].中國機械工程,2006(17):19-22.

Numerical Simulation and Test Verification of Hydroformingfor the Inner Panel of Vehicle Trunk Door

Lang Lihui1, Ding Shaohang1, Yang Xiying1, Sun Zhiying1, Huang Xiangyu2& Tong Zhenyu2

1.SchoolofMechanicalEngineeringandAutomation,BeihangUniversity,Beijing100191; 2.BeijingBYDMouldCo.,Ltd.,Beijing101111

A numerical simulation on the compound technology process combining hydroforming and local stamping for the inner panel of trunk door is conducted to analyze the effects of drawbead height，cavity pressure， blankholder gap and initial pre-bulge height on the thinning rate of panel. According to the analysis, a set of optimal process parameters are obtained, based on which a sample panel is produced and qualified by test, verifying the feasibility of hydrofroming process and its numerical simulation technique.

automotive closure panels; hydroforming; numerical simulation

*工信部國際科技合作項目(2010DFA52030)和國家自然科學基金(1175024)資助。

原稿收到日期為2013年6月3日，修改稿收到日期為2013年10月7日。