在現(xiàn)代汽車制造中，車身質(zhì)量大約占汽車總質(zhì)量的 50%左右。鋁合金材料以其自身獨(dú)特的低密度、 耐腐蝕、比強(qiáng)度和比剛度較高以及回收利用率高等 一系列優(yōu)點(diǎn)，得以大批量應(yīng)用于汽車車門等區(qū)域， 而鋁合金車門沖壓件容易出現(xiàn)開(kāi)裂和回彈等缺陷， 甚至報(bào)廢，大大降低了汽車企業(yè)生產(chǎn)效率和產(chǎn)品利潤(rùn)，所以提高鋁合金車門沖壓成形性具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。
目前汽車覆蓋件成形性研究主要通過(guò)數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)模具結(jié)構(gòu)與沖壓工藝參數(shù)分別進(jìn)行優(yōu)化，利用有限元軟件對(duì)鋁合金車門外板結(jié)構(gòu)與沖壓工藝參數(shù)進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化，解決車門外板沖壓成形破裂等問(wèn)題。1 鋁合金車門材料性能與結(jié)構(gòu)分析以某輕卡車門為研究對(duì)象，選用 6016-T4P 鋁合金作為車門材料，合金化學(xué)成分見(jiàn)表 1，材料 力學(xué)性能參數(shù)見(jiàn)表 2，在 3 種軋制方向上的拉伸試驗(yàn)工程應(yīng)力應(yīng)變曲線見(jiàn)圖 1。
從圖 1 可以看出，6016-T4P 板料強(qiáng)度高、塑性好，具有良好的綜合性能，平面各向異性指數(shù)低，有利于降低板材在沖壓成形過(guò)程的制耳率，易于成形加工，完全適用于車門外板的成形。 汽車車門外板總體尺寸較大，大部分的零件表面 為較為平滑的空間曲面結(jié)構(gòu)，棱線清楚，且車門外板的局部位置（如車窗與門把手處）是較為復(fù)雜的不規(guī)則結(jié)構(gòu)，零件示意見(jiàn)圖 2。
零件表面質(zhì)量要求較高， 需要具有良好的協(xié)調(diào)性、均勻性。除此之外，與該零 件相配合的環(huán)境件較多，零件的裝配精度要求較高， 這對(duì)車門外板的成形精度提出了不小的挑戰(zhàn)。采用 AutoForm 軟件進(jìn)行成形工藝的模擬分析， 沖壓工藝示意見(jiàn)圖 3。首先在軟件中導(dǎo)入某輕卡車門 的零件模型，零件外形幾何尺寸為 1490 mm× 1050 mm×70 mm，厚度為 1 mm，將 6016-T4P 板料 的力學(xué)性能導(dǎo)入軟件中建立材料屬性。經(jīng)過(guò)初步分 析，確定其沖壓成形工序流程如下：拉延、修邊、沖孔及翻邊整形工序，平面壓料面選擇隨零件表面曲率變化的壓料面，設(shè)置凸模圓角半徑為15 mm，凹模圓 角半徑為10 mm，傾斜角度 θ=15°。
再確定零件的沖壓中心和沖壓方向。零件的沖壓中心采用重心，沖壓方向的選擇需要保證零件盡可能地沒(méi)有沖壓負(fù)角。拉延工序設(shè)置完成后， 需要進(jìn)行修邊沖孔，依據(jù)零件的修邊線，采用修邊模對(duì)其進(jìn)行精修，提高零件輪廓的成形性。在修邊工序后需要對(duì)該車門外板的外圍、門框孔、門把手孔這三處位置進(jìn)行翻邊整形，進(jìn)一步提高零件的成 形精度，在整形工序后需要測(cè)量該零件的成形精度，因此還需增加一步回彈工序來(lái)模擬沖壓后該零件的 回彈情況。在工序設(shè)定好之后，設(shè)置壓邊力為 120t，摩擦因數(shù)為 0.15，沖壓速度為1 m/s 的工藝參數(shù)條件下對(duì) 該車門進(jìn)行成形模擬。拉延工序后有限元分析結(jié)果見(jiàn) 圖 4，翻邊工序后有限元分析結(jié)果見(jiàn)圖 5，對(duì)應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)試制結(jié)果見(jiàn)圖 6。
在圖 4 和圖 5 顯示的有限元模擬結(jié)果中，所標(biāo)注出的局部區(qū)域代表沖壓后具有一定的破裂、過(guò)度減薄風(fēng)險(xiǎn)，現(xiàn)場(chǎng)試制產(chǎn)品的局部區(qū)域也產(chǎn)生了破裂缺陷， 因此需要對(duì)原成形工藝進(jìn)行優(yōu)化，且有限元模擬出具有一定拉裂風(fēng)險(xiǎn)的區(qū)域與現(xiàn)場(chǎng)試制發(fā)生破裂缺陷的區(qū)域在同一位置，進(jìn)一步驗(yàn)證了有限元模擬的準(zhǔn)確性 和可靠性。3 車門沖壓工藝優(yōu)化與試驗(yàn)驗(yàn)證 3.1 車門結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案 在工廠試制的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)拉延工序后車門的 側(cè)邊經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂，出現(xiàn)這樣的問(wèn)題是由于車門 外板的斜度較小，拉延時(shí)板料在該位置處會(huì)承受較 大的應(yīng)力，從而出現(xiàn)開(kāi)裂。針對(duì)這一情況可以對(duì)零 件結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，采取的方案是適當(dāng)加大車門外板 側(cè)壁的斜度與過(guò)渡圓角半徑，從而避免出現(xiàn)這種情 況。該零件與周圍環(huán)境件相配合的部分在沖壓工序后極易出現(xiàn)開(kāi)裂和過(guò)度減薄等風(fēng)險(xiǎn)，無(wú)法保 證零件的裝配精度，因此對(duì)于其具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行以下的優(yōu)化。
1）車門外板是一種表面較為平坦的淺拉延件， 在沖壓成形的過(guò)程中，坯料與模具的接觸面較大，隨 著凸模和凹模的閉合，坯料不同部位處的變形程度是 不同的，變形路徑也是不斷變化的，因此在拉延過(guò)程 中容易造成坯料表面拉延不足，致使其強(qiáng)度剛度達(dá)不到要求，不能滿足相應(yīng)的抗凹性，所以應(yīng)在該車門的門把手位置下方設(shè)計(jì)一個(gè)階梯狀的過(guò)渡曲面，如圖 7 所示。該結(jié)構(gòu)增加了拉延過(guò)程中材料的流動(dòng)量，避免 因?yàn)槔硬蛔愣霈F(xiàn)起皺缺陷，而且該結(jié)構(gòu)相當(dāng)于一 個(gè)加強(qiáng)筋的作用，同時(shí)提高了車門的剛性。
2）車門外板門框凸臺(tái)示意見(jiàn)圖 8a，在門框角的 三角形凸臺(tái)位置，凸臺(tái)與平面的過(guò)渡圓角半徑較小， 拉延工序時(shí)不利于材料的流動(dòng)，且凸臺(tái)尖角處的圓角 半徑較小，結(jié)構(gòu)較為尖銳，在整形工序中，該尖角處 的材料難以得到周圍材料的補(bǔ)充，易出現(xiàn)過(guò)大的減薄 率，從而使該結(jié)構(gòu)處產(chǎn)生破裂缺陷，增加了成形的難度，因此需要降低三角凸臺(tái)的反凹深度，適當(dāng)增大過(guò) 渡圓角半徑，在保證零件尺寸范圍內(nèi)，對(duì)凸臺(tái)尖角區(qū) 域進(jìn)行球化處理。
3）車門外板門框上拐角示意見(jiàn)圖 8b，在車門的門框上拐角處，拐角的曲率較大，在拉延工序后該 位置減薄率較大，在后序的翻邊工序中，該位置的材料難以得到及時(shí)的補(bǔ)充，容易出現(xiàn)破裂缺陷。針對(duì)這種情況，可以適當(dāng)減小拐角曲率，修邊時(shí)在該處多留有一些板料余量，保證該位置材料的充分流動(dòng)。4）車門外板門把手框示意見(jiàn)圖 8c，門把手框與 外板平面有一定的拉延深度，下平面的過(guò)渡圓角半徑 較小，阻礙了材料的流動(dòng)，在拉延工序后，該位置會(huì) 有較大的減薄率，容易出現(xiàn)破裂缺陷；且門把手內(nèi)部 有翻邊，翻邊工序后會(huì)進(jìn)一步加劇減薄率的升高，破 裂情況更加嚴(yán)重。為解決這樣的問(wèn)題，需要增大過(guò)渡圓角半徑，并且需要根據(jù)沖壓工藝對(duì)零件結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn) 一步優(yōu)化。3.2 車門沖壓工藝參數(shù)優(yōu)化方案 沖壓工藝參數(shù)是影響零件沖壓成形性的重要因素。通過(guò)設(shè)置多組不同的工藝參數(shù)組合來(lái)進(jìn)行模擬分析，這些工藝參數(shù)包括壓邊力、摩擦因數(shù)、沖壓速度 和坯料形狀等。經(jīng)過(guò)多組參數(shù)模擬結(jié)果對(duì)比，以成形性優(yōu)劣為標(biāo)準(zhǔn)，最終確定優(yōu)化后的工藝參數(shù)：壓邊力 為 80 t、摩擦因數(shù)為 0.15（產(chǎn)生破裂缺陷位置處摩擦 因數(shù)為 0.1）、沖壓速度為 0.5 m/s、隨形坯料。按照優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)與工藝參數(shù)，再次對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行了試制。
拉延工序完成后，按照有限元模擬的工藝參數(shù)進(jìn)行修邊、沖孔、翻邊和整形，最后得到滿足成形性能的外板零件，全工序后的有限元模擬和試制結(jié)果見(jiàn)圖 11 和圖 12，可以看出有限元模擬和試制結(jié)果都無(wú)破裂 缺陷�；谏鲜龅挠邢拊M和產(chǎn)品試制結(jié)果，證明通 過(guò)對(duì)車門外板的結(jié)構(gòu)與沖壓工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化， 可以得到滿足成形性能的車門外板零件。這說(shuō)明該調(diào) 整方案能夠較好地改善沖壓工藝中出現(xiàn)的破裂缺陷， 可用于指導(dǎo)工廠生產(chǎn)中的工藝設(shè)計(jì)和試模生產(chǎn)。
1）鋁合金車身覆蓋件沖壓后的破裂問(wèn)題一直是研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn)，針對(duì)產(chǎn)品具體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，進(jìn)行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與沖壓工藝參數(shù)的協(xié)同優(yōu)化，解決產(chǎn)品沖壓后破裂問(wèn)題，為今后的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造提供了新的思路，對(duì)推廣應(yīng)用于其他大型汽車車身覆蓋件具有重要意義。2）利用沖壓成形時(shí)材料流動(dòng)和應(yīng)力變化來(lái)對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，極大提高了產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)有限元分析軟件的模擬分析結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了這種理 論分析的正確性。3）借助有限元分析軟件的高效、準(zhǔn)確、低成本等特點(diǎn)，找到最優(yōu)的一組工藝參數(shù)組合，大大縮短了 產(chǎn)品研發(fā)成本，降低開(kāi)發(fā)時(shí)間和提高生產(chǎn)效率，體現(xiàn) 了數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)實(shí)際生產(chǎn)制造的重要性。
