汽车铝板顶盖成形回弹优化的数值模拟论文

　　1 引 言

为满足汽车轻量化要求，轻量化材料得到了迅猛发展。与钢板相比，铝合金具有密度小、比强度高、耐锈蚀等优点，能满足汽车轻量化的要求，成为汽车轻量化技术中替代钢板的主要材料之一。由于微观结构差异，汽车用铝合金板的成形性能与汽车钢板相比有较大的差异，传统钢板的成形理论和技术不能直接应用到铝合金板上。汽车用铝合金板的冲压成形机理和规律是国际学术研究的前沿技术。顶盖作为汽车最重要的大型外覆盖件之一，其质量的好坏直接影响整车的外观和质量。回弹是汽车顶盖主要缺陷之一，会造成顶盖外观变形和装配困难。以下通过采用不同的冲压工艺方案，探索解决汽车铝板顶盖回弹的方法。

　　2 零件冲压工艺分析

汽车顶盖，外形尺寸为 1 792 mm×1 244 mm×131 mm。中 A 段为车头部分，C为车尾部分，B段与D段对称。零件冲压工艺如下：①拉深;②正修边、侧修边和A段整形;③冲孔、修边和C段整形;④冲孔、修边及B、D段侧翻边。

　　3 CAE 回弹结果分析

由于零件B、D段对称，其工艺性质一致，仅对A、B、C 3 段采用 Autoform 进行仿真分析。零件各工序模拟回弹结果，工序①的回弹主要集中在零件周边的工艺补充面上;经工序②切边后，板料内应力得以释放，零件回弹量整体减小;工序③的回弹主要集中在B、C段天窗翻边处，零件外边缘回弹量较小;工序④的天窗翻边处回弹量减小，但A、C段的回弹与工序③相比明显增大。对比工序③、④的工艺和仿真回弹分析，零件天窗区域翻边是工序④回弹量增大的主要原因。

　　4减小天窗翻边回弹的措施

根据回弹结构分析，优化零件天窗区域翻边工艺。

方案2：保持板料原有形状，仅改变天窗翻边的工艺补充面形状，在拉深工序进行局部天窗翻边，将翻边R角由R2.5mm增至R3mm，特征深度8 mm，底部圆角R6 mm。经分析，R3 mm圆角处开裂严重，原因是新增凹坑会在成形中增大板料向内流动的阻力，板料流经R3mm圆角时受力大于材料的抗拉强度，导致失稳破裂。

方案3：天窗翻边处工艺补充面不变，在板料中间开孔。根据方案2的工艺缺陷，凹坑特征处的板料仅由外部板料补充，R角处受到较大拉应力以致开裂。在板料中间开孔后，天窗区域板料不再是单独胀形，板料开孔边界会随着拉深进程向外扩张，补充凹坑处的板料。成形仿真结果可知，在板料中间开孔后大大降低了零件中间区域的应力，板料R3 mm圆角处的开裂消失，零件E面(不易充分拉深，另外板料开孔处圆角部分受力不均，易失稳开裂。

方案4：板料尺寸和凹坑与方案3相同，但在板料开孔处加上压料板并施加350 kN的压力。

如图6所示，以凹坑内边界为界限设计上压料板，并在上压料板上设置加强筋，图6(b)为A-A截面的尺寸参数，图6(c)为B-B截面的尺寸参数。

方案4仿真成形结果，在板料开孔处加上压料板后，板料开孔区域拉深状态得到改善，上压料板拉深筋外侧区域成形充分。因上压料板对板料流动的控制作用，板料开孔区域向外扩展的.过程中变形均匀，圆角处开裂消失。

方案5：外侧压边圈与方案4相同，将板料中间开孔处的上压料板换为内压边圈，并在该处设置台阶，加强内压边圈对板料的成形作用。

方案5仿真成形结果，板料开孔圆角部分受力不均，易失稳开裂，但与方案3相比，零件E面拉深较充分。

　　5 结果比较

　　5.1 拉深减薄率对比

方案1、4、5拉深减薄率对比，方案1 减薄率较大区域出现在零件 A、C 段的 R 角区域(最大减薄率0.18)，方案4减薄率较大区域出现在零件天窗圆角翻边处(最大减薄率0.228)，方案5减薄率较大区域出现在内压边圈台阶的R角处(最大减薄率0.21)，尚满足标准。综上所述，对比方案1、方案4和方案5的减薄率，零件E面的减薄率基本相同，但在局部圆角处的减薄率存在差异。

　　5.2 回弹对比

图11所示为方案1、4、5在成形零件经过工序④后的回弹分析图，对比如下：

(1)方案4与方案1相比：零件A段的回弹量超差区域减小，该处回弹最大值由9.52 mm降至6.34mm;C 段整形区域的回弹量超差区域基本消失，优化效果明显，回弹最大值由4.29 mm降至3.24 mm;B 段翻边区域的回弹量整体降低。

(2)方案5与方案1相比：零件A段的回弹量超差区域减小，但回弹的整体趋势与方案1相反;B段翻边区域的回弹量整体增大以致超差，该处回弹最大值为9.39mm;C段翻边区域优化效果明显，回弹超差区域基本消失。

综上所述，施加上压料板优化零件整体回弹状态，天窗翻边处回弹优化效果明显;施加内压边圈对零件A、C段的回弹状态优化效果明显，但天窗翻边处的回弹状态恶化。

　　6 结束语

(1)单独在零件天窗区域增加凹坑(方案2)虽可成形出部分天窗翻边，减小后续天窗翻边所造成的回弹，但板料R角处易开裂;在板料中间开孔(方案3)虽可消除板料R角处开裂，但因释放零件中部应力导致靠近开孔处拉深不充分。

(2)在板料开孔处加上压料板(方案4)和施加内压边圈(方案5)，零件E面的减薄率基本相同，但在局部圆角处的减薄率存在差异。

(3)在板料开孔处加上压料板(方案4)，开口圆角部分开裂消失且零件E面拉深充分;零件整体回弹状态得以改善，天窗翻边区域回弹优化效果明显。施加内压边圈(方案5)可优化零件E面的拉深状态，但板料开孔R角处易开裂;零件A、C区的回弹状态效果明显，但天窗翻边处的回弹状态恶化。相对而言，施加上压料板对控制零件整体回弹的果较好。