鋁板沖壓銳棱成形技術(shù)的研究

文/陳超，陳開朗，劉麗莉·上汽通用汽車有限公司

為了探尋鋁板的銳棱成形技術(shù)，本文設(shè)計(jì)了鋁板棱線成形試驗(yàn)方案，總結(jié)鋁板小圓角棱線成形規(guī)律，探索小圓角棱線的成形方法，以期提高鋁板棱線成形質(zhì)量，解決成形過程中的開裂和模糊變大問題。

伴隨著激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，汽車造型也在不斷追求外觀線條美觀及更小的風(fēng)阻系數(shù)，在這之中鈑金銳棱技術(shù)起著至關(guān)重要的作用。當(dāng)下鋼板的銳棱技術(shù)已趨于成熟，在目前國內(nèi)各主機(jī)廠均有廣泛應(yīng)用，常見的方法是將凸模加工為R0 尖角，由于鋼板成形性較好，在拉延成形過程中不會(huì)發(fā)生開裂問題，且鋼板通常料厚較薄一般僅為0.65mm，成形后可以得到很小的圓角。隨著汽車輕量化的推進(jìn)，越來越多的鋁板被應(yīng)用于外覆蓋件上，受限于鋁板的成形性和較厚的產(chǎn)品厚度，產(chǎn)品成形模糊且容易開裂，目前針對(duì)鋁板小圓角棱線的沖壓成形國內(nèi)尚無完全可行的工藝方法，這就導(dǎo)致鋁板棱線的目視效果往往比較圓潤而不鋒利，尤其當(dāng)鋼鋁存在配合時(shí)棱線圓角會(huì)出現(xiàn)較大的差異，如圖1 所示，無法實(shí)現(xiàn)原有的設(shè)計(jì)意圖。

當(dāng)前沖壓有限元仿真軟件難以準(zhǔn)確分析出產(chǎn)品棱線的質(zhì)量，原因在于板殼單元無厚向網(wǎng)格，厚向應(yīng)力應(yīng)變通過計(jì)算得出，只能勉強(qiáng)滿足成形性和滑移線仿真，但難以滿足棱線成形仿真的高精度要求；采用實(shí)體單元模擬計(jì)算量過大，難以滿足工程需求，且目前的各種算法準(zhǔn)則研究較少，準(zhǔn)確性存疑。

圖1 同等圓角半徑不同實(shí)物效果

試驗(yàn)內(nèi)容及測(cè)量方法

一般來說，影響棱線的目視效果是由棱線自身圓角決定的。但在研究過程中發(fā)現(xiàn)不同棱線夾角對(duì)最終棱線目視效果也存在影響，以市場(chǎng)上兩款不同車型的車門棱線為案例進(jìn)行分析，如圖2 所示車型A與車型B 棱線圓角半徑均為4mm，前者型面夾角為119°，后者為149°，在同一光照條件下，車型A棱線的視覺效果更明顯且鋒利。這是由于當(dāng)夾角較小時(shí)，棱線上下方分別形成高光區(qū)和陰影區(qū)，如圖3 所示，從而加劇了棱線的視覺沖擊感。此外，同一理論設(shè)計(jì)圓角，在不同棱線夾角下成形后，所得到的最終產(chǎn)品圓角也不盡相同，因此在試驗(yàn)中，設(shè)計(jì)不同棱線夾角與不同棱線圓角組合非常有必要。

圖2 車型A 和車型B 的棱線斷面

圖3 同一光照條件下視覺效果對(duì)比

銳棱成形試驗(yàn)方法

截取某車門外板一段A 面設(shè)計(jì)拉延模進(jìn)行仿真和試驗(yàn)，車門材料為鋁6000 系，材料料厚為1.1mm。CAE 分析A 面減薄需滿足4%的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行工藝參數(shù)設(shè)計(jì)，與車門外板應(yīng)變狀態(tài)接近；針對(duì)此試驗(yàn)開發(fā)設(shè)計(jì)制造一套拉延成形模具，壓機(jī)采用2400t 的多連桿機(jī)械式壓力機(jī)，模具型面上設(shè)計(jì)兩條不同夾角棱線，分別為135°和160°，每條棱線按不同圓角半徑進(jìn)行分段，圓角半徑設(shè)計(jì)值從1mm 至5mm，如圖4 所示。

棱線測(cè)量方法

圖4 產(chǎn)品試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c斷面示意圖

圖5 藍(lán)光測(cè)量后多點(diǎn)擬合

產(chǎn)品數(shù)模中棱線圓角會(huì)存在明顯的邊界，用三維數(shù)模軟件測(cè)量比較方便，但實(shí)際零件棱線部位不會(huì)有明顯的邊界，且沖壓成形過程中存在板料減薄，圓角通常會(huì)存在模糊偏大情況，常規(guī)半徑規(guī)無法準(zhǔn)確獲得棱線圓角值，而金相儀或輪廓測(cè)量儀又受限于被測(cè)量零件尺寸，往往只能用于實(shí)驗(yàn)室中，不適用于本次鈑金棱線圓角的測(cè)量。因此為了更準(zhǔn)確地獲得成形后棱線的大小和一致性，此次試驗(yàn)通過藍(lán)光掃描獲得零件棱線處點(diǎn)云數(shù)據(jù)，導(dǎo)入Polyworks 軟件中進(jìn)行多點(diǎn)擬合，獲得較為精確的棱線圓角，并通過顯微電鏡觀察棱線成形結(jié)果，如圖5 所示。

試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)結(jié)果

將試驗(yàn)結(jié)果匯總為表1，得到不同夾角的鋁板在不同凸模圓角下的成形結(jié)果。

表1 不同夾角不同理論圓角所得到的實(shí)際圓角

圖6 圓角開裂

圖7 圓角頸縮

圖8 圓角小平臺(tái)

從表1 中可以看出凸模設(shè)計(jì)圓角較小時(shí)，鋁板棱線成形過程中會(huì)發(fā)生表面質(zhì)量問題，在135°夾角下，當(dāng)凸模圓角半徑較小時(shí)會(huì)發(fā)生開裂頸縮現(xiàn)象如圖6，圖7 所示；在160°夾角下，當(dāng)凸模圓角半徑較小時(shí)會(huì)出現(xiàn)小平臺(tái)現(xiàn)象，如圖8 所示。而鋼板在棱線成形過程中很少會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象。這是由于棱線在成形過程中，如圖9 所示材料內(nèi)層受壓，外層受拉，凸模圓角越小應(yīng)力集中越明顯，外層金屬受拉變薄越劇烈，當(dāng)減薄超過鋁板成形極限時(shí)就會(huì)發(fā)生開裂。

圖9 棱線成形過程中的受力分析

而當(dāng)產(chǎn)品夾角較大時(shí)，雖然在較小圓角下未發(fā)生開裂，但出現(xiàn)了小平臺(tái)現(xiàn)象，且當(dāng)產(chǎn)品自身夾角較大時(shí)形成的實(shí)測(cè)圓角普遍偏大。這是因?yàn)?60°棱線從接近模具閉合才開始成形，塑性變形有限，成形后特征不明顯如圖10 所示，這也導(dǎo)致了大夾角成形條件下，圓弧切點(diǎn)更向兩側(cè)分散，導(dǎo)致測(cè)得的圓角偏大，如圖11 所示。

同時(shí)，我們也發(fā)現(xiàn)在同等夾角下，鋁板減薄率隨著棱線的設(shè)計(jì)圓角增大而減小，這是由于棱線圓角越小時(shí)，板料與凸模接觸面積越小，在接觸位置更容易發(fā)生應(yīng)力集中的現(xiàn)象，加劇材料減薄，當(dāng)接觸應(yīng)力大于材料成形極限時(shí)，即發(fā)生開裂現(xiàn)象。

拉延成形棱線圓角與夾角之間的關(guān)系

圖10 閉合前2mm 接觸情況

表2 不同夾角的鋁板整形后得到的極限圓角

圖11 理論與實(shí)際圓角切點(diǎn)差異

圖12 型面夾角連續(xù)變化的特征棱線

從表中可以看出，在135°的夾角下，鋁板可拉延成形的最小圓角為4.7mm，在160°夾角下，鋁板可拉延成形的最小圓角為9.1mm。為了探索可成形的最小圓角與產(chǎn)品夾角的關(guān)系，我們又設(shè)計(jì)了一段型面夾角連續(xù)變化的特征棱線，如圖12 所示，從左到右從138°漸變到152°，凸模圓角從0mm 開始，對(duì)鋁板材料進(jìn)行試沖，并對(duì)凸模圓角進(jìn)行逐步放大，直到產(chǎn)品不開裂為止，并用Polyoworks 對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，從而得到不同夾角下所能得到的最小圓角。將測(cè)量結(jié)果與凸模圓角匯制成圖表形式，可以發(fā)現(xiàn)測(cè)量結(jié)果與凸模圓角半徑成明顯線性變化，可線性擬合為Y=0.178X-18.978，如圖13 所示。將135°和160°分別代入擬合公式，求得擬合值分別為5.03mm和9.48mm，誤差不超過0.3mm。由此可見，鋁板棱線可拉延成形的最小圓角與產(chǎn)品夾角成線性變化關(guān)系，產(chǎn)品夾角越大，可成形的最小圓角也越大。

鋁板可成形的極限圓角探索

為了進(jìn)一步探索鋁板可成形的小圓角極限，我們將成形后大圓角的零件放到同角度小圓角的凸模上進(jìn)行二次整形，并采用不同的壓力機(jī)噸位進(jìn)行整形試驗(yàn)，將試驗(yàn)結(jié)果匯總為表2。

圖13 鋁板可成形最小圓角與型面夾角的關(guān)系

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，二次整形后可以得到更小的棱線圓角，如圖14 所示，拉延得到的5.9mm 棱線圓角經(jīng)整形后棱線圓角變?yōu)?.8mm。型面夾角為135°的前提下，經(jīng)整形后可得到的最小圓角半徑為2.9mm，型面夾角為160°的前提下，經(jīng)整形后可得到的最小圓角半徑為7.1mm。同時(shí)對(duì)比不同噸位下的整形圓角發(fā)現(xiàn)，二次整形過程中壓機(jī)噸位對(duì)最終鋁板成形影響不大。

結(jié)論

圖14 135°夾角下鋁板棱線整形前后的對(duì)比

⑴鋁板棱線可成形的最小拉延圓角比鋼板大，當(dāng)凸模設(shè)計(jì)較小時(shí)，棱線成形過程中會(huì)伴隨出現(xiàn)開裂、緊縮或小平臺(tái)等現(xiàn)象。

⑵在135°的夾角下，鋁板可拉延成形的最小圓角為4.7mm，在160°夾角下，鋁板可拉延成形的最小圓角為9.1mm。

⑶在160°夾角以下，鋁板棱線可拉延成形的最小圓角與產(chǎn)品夾角成線性變化關(guān)系，產(chǎn)品夾角越大，可成形的最小圓角也越大。

⑷二次整形后可進(jìn)一步獲得更小的鋁板圓角，在135°的夾角下，鋁板經(jīng)整形后可得到的最小圓角為2.9mm，在160°夾角下，鋁板經(jīng)整形后可得到的最小圓角為7.1mm。二次整形過程中壓機(jī)噸位對(duì)最終鋁板成形影響不大。