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.
