汽車鋁板頂蓋成形回彈優化的數值模擬論文

　　1 引 言

為滿足汽車輕量化要求，輕量化材料得到了迅猛發展。與鋼板相比，鋁合金具有密度小、比強度高、耐鏽蝕等優點，能滿足汽車輕量化的要求，成為汽車輕量化技術中替代鋼板的主要材料之一。由於微觀結構差異，汽車用鋁合金板的成形性能與汽車鋼板相比有較大的差異，傳統鋼板的成形理論和技術不能直接應用到鋁合金板上。汽車用鋁合金板的衝壓成形機理和規律是國際學術研究的前沿技術。頂蓋作為汽車最重要的大型外覆蓋件之一，其質量的好壞直接影響整車的外觀和質量。回彈是汽車頂蓋主要缺陷之一，會造成頂蓋外觀變形和裝配困難。以下通過採用不同的衝壓工藝方案，探索解決汽車鋁板頂蓋回彈的方法。

　　2 零件衝壓工藝分析

汽車頂蓋，外形尺寸為 1 792 mm×1 244 mm×131 mm。中 A 段為車頭部分，C為車尾部分，B段與D段對稱。零件衝壓工藝如下：①拉深;②正修邊、側修邊和A段整形;③衝孔、修邊和C段整形;④衝孔、修邊及B、D段側翻邊。

　　3 CAE 回彈結果分析

由於零件B、D段對稱，其工藝性質一致，僅對A、B、C 3 段採用 Autoform 進行仿真分析。零件各工序模擬回彈結果，工序①的回彈主要集中在零件周邊的工藝補充面上;經工序②切邊後，板料內應力得以釋放，零件回彈量整體減小;工序③的回彈主要集中在B、C段天窗翻邊處，零件外邊緣回彈量較小;工序④的天窗翻邊處回彈量減小，但A、C段的回彈與工序③相比明顯增大。對比工序③、④的工藝和仿真回彈分析，零件天窗區域翻邊是工序④回彈量增大的主要原因。

　　4減小天窗翻邊回彈的措施

根據回彈結構分析，優化零件天窗區域翻邊工藝。

方案2：保持板料原有形狀，僅改變天窗翻邊的工藝補充面形狀，在拉深工序進行局部天窗翻邊，將翻邊R角由R2.5mm增至R3mm，特徵深度8 mm，底部圓角R6 mm。經分析，R3 mm圓角處開裂嚴重，原因是新增凹坑會在成形中增大板料向內流動的阻力，板料流經R3mm圓角時受力大於材料的抗拉強度，導致失穩破裂。

方案3：天窗翻邊處工藝補充面不變，在板料中間開孔。根據方案2的工藝缺陷，凹坑特徵處的板料僅由外部板料補充，R角處受到較大拉應力以致開裂。在板料中間開孔後，天窗區域板料不再是單獨脹形，板料開孔邊界會隨着拉深進程向外擴張，補充凹坑處的板料。成形仿真結果可知，在板料中間開孔後大大降低了零件中間區域的應力，板料R3 mm圓角處的開裂消失，零件E面(不易充分拉深，另外板料開孔處圓角部分受力不均，易失穩開裂。

方案4：板料尺寸和凹坑與方案3相同，但在板料開孔處加上壓料板並施加350 kN的壓力。

如圖6所示，以凹坑內邊界為界限設計上壓料板，並在上壓料板上設置加強筋，圖6(b)為A-A截面的尺寸參數，圖6(c)為B-B截面的尺寸參數。

方案4仿真成形結果，在板料開孔處加上壓料板後，板料開孔區域拉深狀態得到改善，上壓料板拉深筋外側區域成形充分。因上壓料板對板料流動的控制作用，板料開孔區域向外擴展的.過程中變形均勻，圓角處開裂消失。

方案5：外側壓邊圈與方案4相同，將板料中間開孔處的上壓料板換為內壓邊圈，並在該處設置台階，加強內壓邊圈對板料的成形作用。

方案5仿真成形結果，板料開孔圓角部分受力不均，易失穩開裂，但與方案3相比，零件E面拉深較充分。

　　5 結果比較

　　5.1 拉深減薄率對比

方案1、4、5拉深減薄率對比，方案1 減薄率較大區域出現在零件 A、C 段的 R 角區域(最大減薄率0.18)，方案4減薄率較大區域出現在零件天窗圓角翻邊處(最大減薄率0.228)，方案5減薄率較大區域出現在內壓邊圈台階的R角處(最大減薄率0.21)，尚滿足標準。綜上所述，對比方案1、方案4和方案5的減薄率，零件E面的減薄率基本相同，但在局部圓角處的減薄率存在差異。

　　5.2 回彈對比

圖11所示為方案1、4、5在成形零件經過工序④後的回彈分析圖，對比如下：

(1)方案4與方案1相比：零件A段的回彈量超差區域減小，該處回彈最大值由9.52 mm降至6.34mm;C 段整形區域的回彈量超差區域基本消失，優化效果明顯，回彈最大值由4.29 mm降至3.24 mm;B 段翻邊區域的回彈量整體降低。

(2)方案5與方案1相比：零件A段的回彈量超差區域減小，但回彈的整體趨勢與方案1相反;B段翻邊區域的回彈量整體增大以致超差，該處回彈最大值為9.39mm;C段翻邊區域優化效果明顯，回彈超差區域基本消失。

綜上所述，施加上壓料板優化零件整體回彈狀態，天窗翻邊處回彈優化效果明顯;施加內壓邊圈對零件A、C段的回彈狀態優化效果明顯，但天窗翻邊處的回彈狀態惡化。

　　6 結束語

(1)單獨在零件天窗區域增加凹坑(方案2)雖可成形出部分天窗翻邊，減小後續天窗翻邊所造成的回彈，但板料R角處易開裂;在板料中間開孔(方案3)雖可消除板料R角處開裂，但因釋放零件中部應力導致靠近開孔處拉深不充分。

(2)在板料開孔處加上壓料板(方案4)和施加內壓邊圈(方案5)，零件E面的減薄率基本相同，但在局部圓角處的減薄率存在差異。

(3)在板料開孔處加上壓料板(方案4)，開口圓角部分開裂消失且零件E面拉深充分;零件整體回彈狀態得以改善，天窗翻邊區域回彈優化效果明顯。施加內壓邊圈(方案5)可優化零件E面的拉深狀態，但板料開孔R角處易開裂;零件A、C區的回彈狀態效果明顯，但天窗翻邊處的回彈狀態惡化。相對而言，施加上壓料板對控制零件整體回彈的果較好。