鋁合金充液和冷沖復合成形工藝及模具應用

何 成，周晶晶，佘 威，崔禮春

（安徽江淮汽車集團股份有限公司 技術中心，安徽 合肥 230601）

鋁合金具有密度小、質量輕、加工成形性好及可重復回收利用等特點。研究表明，與傳統鋼鐵相比，在達到同樣力學性能指標情況下，使用的鋁合金質量比鋼少60%；在承受同樣沖擊情況下，鋁板比鋼板多吸收50%的沖擊能量。由于鋁的斷后伸長率δ低于鋼，所以鋁的成形性能要差與鋼，同時由于鋁的拉伸性能r值遠低于鋼，導致鋁合金件易開裂[1-2]。

充液成形是通過模具閉合，向模具型腔注入液體，并施加液體壓力得到所需零件形狀的成形技術。充液成形是解決鋁合金成形性能差的重要技術途徑之一，通過充液成形技術的應用，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，從而達到提高產品質量，降低生產成本的目的。通過專用充液設備、充液壓力源和模具實現鋁板件的成形。通過充液成形實現了產品的工藝造型，但由于部分產品在充液成形方向上存在負角，無法通過充液成形一次成形到位，需要輔助冷沖工藝和模具實現產品的最終特征[3-5]。

1 零件分析

本文以某新款車型的發蓋外板（圖1）為研究對象。該零件材料為6016鋁合金，厚度為1mm，尺寸約為1490mm×900mm×100mm，其形狀如圖1所示。

圖1 零件數模

2 充液工藝及模具

充液工藝主要研究發蓋包邊型面和包邊展開面的特征的一次性成型。通過拉延筋的布置及優化，液室壓力和壓邊力的模擬與分析，最終模擬固化充液工藝，并完成充液模具結構設計。

2.1 包邊線的確定

通過補充包邊工藝型面并通過軟件計算包邊線，通過多次型面的補充與計算，最終確定型面，圖2中的黃色區域即為確定的包邊展開面。

圖2 包邊型面

2.2 充液工藝參數優化

板材充液成形的幾何模型包括上模具、下模具、壓邊圈及板料組成，如圖3所示。模擬分析中假設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1mm，該假設的模擬仿真符合板材充液成形的實際情況。實驗中材料為各項異性是充液成形過程中非常重要的，因此采用三參數的Baralat各項異性材料模型，拉延筋為整體的。模擬分析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LSDYNA。其中凸、凹模及壓邊圈定為剛性體，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[6-7]。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。本文采用定壓邊力方式控制料的流動。經優化后的坯料尺寸大小為1400mm×1950mm。

圖3 模擬幾個模型

在充液成形過程中拉延筋不僅起到拉延板料的作用，同時在一定程度上起密封作用，因此采用全拉延筋的方式，由于板料每處的形狀不同，進料也速度不同，每處需要的拉延阻力不同，因此在不同位置通過拉延筋形狀與高度不同來調整，拉延筋的分布如圖4所示，由于該零件為對稱件，文中以1/2模型的板料對應的拉延筋進行編號研究。

圖4 等效拉延筋的分布

本文采用半圓形拉延筋，拉延筋的幾何形狀如圖5所示。拉延筋參數包括凸筋圓角，凸筋高度及凹槽圓角等。根據該零件的特點，主要是凸筋圓角高度H1影響板料流動的阻力，文中通過調整拉延筋參數中半圓高度H1獲得最佳的進料阻力。

圖5 半圓形拉延筋參數

通過正交試驗法優化拉延筋高度對減薄率的影響，獲得拉延筋的優化高度分布如表1所示，設定該拉延筋參數獲得最大減薄率4%～13%左右，保證了零件不產生破裂、起皺失穩現象并使板料充分拉深。

表1 拉延筋的高度H1

采用被動式充液成形進行數值模擬，結果如圖6、圖7所示。由圖中可以看出汽車發動機蓋板頂部減薄大于4.8%，變形較為充分，可減小成形之后的回彈。最大減薄為15.4%。

圖6 零件減薄

由圖7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，零件外表面成形質量較好。

圖7 成形極限圖

2.3 充液成形模具結構

充液工藝完成后完成充液模具的設計，充液模具主要有凹模，凸模和壓邊圈組成。模具結構區別于當前冷沖模具為雙動結構，凸模在上方，按照充液工藝造型加工，凹模為空腔面，工作時通過高壓液體實現產品的充液成型。壓邊圈起到提供拉延筋和壓邊力作用，并起到封閉隔水的作用。如圖8所示。

圖8 充液成形模具

3 冷沖工藝及模具

在充液成形基礎上采用激光切割工藝替代修邊模工藝，快速驗證修邊線的可行性。通過翻邊和側翻邊模具最終實現產品包邊特征，第一次翻邊主要正翻邊發蓋的包邊面，如圖9所示，第二輪側翻邊主要實現包邊角度要求，通過側翻邊實現最終的產品翻邊造型，如圖10所示，翻邊模具如圖11所示。

圖9 正翻邊工藝圖

圖10 側翻邊工藝圖

圖11 翻邊模具圖

在優化的工藝參數下進行充液成形工藝試驗，并通過激光切割，翻邊和側翻邊模具整形，最終得到合格零件如圖12所示，證明了鋁合金充液成形和冷沖復合成形工藝及模具的方案可行。

圖12 汽車發動機外板合格件

4 結論

通過工藝分析，得到如下的結論：

（1）汽車發動機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生。

（2）通過充液成形技術的應用，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，從而達到提高產品質量，降低生產成本的目的。

（3）鋁合金充液成形和冷沖復合成形工藝的應用，解決了充液成形部分產品特征無法一次成形到位的問題，拓展了充液成形的應用范圍，提高了產品應用水平。