铝合金顶盖充液成形工艺研究

王 平，崔礼春，马国礼，佘 威

(安徽江淮汽车集团股份有限公司 技术中心，安徽 合肥 230001)

铝合金顶盖充液成形工艺研究

王 平，崔礼春，马国礼，佘 威

(安徽江淮汽车集团股份有限公司 技术中心，安徽 合肥 230001)

本文通过铝合金汽车顶盖充液成形过程的试验研究，分析了充液成形过程中关键工艺参数对顶盖成形性的影响，模拟成形过程中缺陷的发生位置，并对模拟结果进行了验证分析。

充液成形；铝合金；工艺参数；模拟

随着社会的不断发展和科技的持续进步，可持续发展战略和科学发展观日益成为人们关注的焦点[1]。充液成形是一种先进的柔性成形技术[2-3]，与传统工艺方法相比具有诸多优点，既节约了能源，降低了成本，又适应了当今产品的小批量、多品种的柔性发展方向要求。

1 充液成形原理

充液成形技术主要分为主动式和被动式两种，其原理如图1所示。其中，被动式充液成形将流体作为辅助手段，先在凹模内充满液体，放上拉深坯料，施加一定的压边力，凸模下行进行拉深，同时启动液压系统使液体保持一定的压力，直到拉深结束，然后抬起凸模、压边圈，取出成形零件；主动式充液成形则将流体作为主动加压方式，夹持装置与板材之间一般有密封装置，以防止液体的外泄。板材充液拉深成形技术由于流体压力介质辅助成形，可增加变形坯料与拉深凸模之间的有益摩擦，克服拉深凸模圆角部位坯料的破裂，提高零件的成形性及成形极限，具有节省工序、简化模具结构、降低成本、提高尺寸精度等优点。

相对于主动式充液成形技术，被动式充液成形技术发展和应用更为迅速，也是本文采用的主要形式[4-5]。

图1 板材充液成形原理

2 充液成形工艺方案设计

顶盖充液成形有两种方式可选。若在装配完成状态下观察顶盖，发现顶盖形状与草帽类似，均由顶部和边缘组成，且除直壁段外，其余部分均为上凸形状，故取某一截面进行说明，如图2所示。

图2 选取截面示意图

充液成形模具型面(即板料成形时形状)可分为两种情况，其一顶盖方位与装车方位相同，即顶盖顶部在顶盖边缘的上方，记为A型模面，如图3所示；其二则相反，顶盖顶部位于顶盖边缘下方，记为V型模面，如图4所示。

图3 A型模面

图4 V型模面

以上图例中所有示意图，冲压方向均为向下。

对于A型模面，在冲压过程中，板料首先贴紧顶盖顶部，在贴紧后，由于摩擦力的作用，顶盖顶部在后续工艺过程中变形量很小，因此不利于顶盖顶部获得足够的变形。另一方面，顶盖底部圆角处，经历较大拉延变形(拉延深度较大)，容易产生破裂。

相反，V型模面则可较好地避免上述两个问题，其顶盖顶部拉延深度最大，有利于顶部变形，而圆角处拉延深度较小，有利于圆角处的成形。

综上所述，应选用V型模面。

3 充液成形关键工艺参数模拟

3.1 压力加载行程的确定

根据充液成形工艺的特性，当加压后板料受到液压作用，紧紧贴在凸模上，此时由于摩擦力的作用，板料变形难度增大。而基于顶盖的成形特性(顶部需到达一定的变形量，且四个角处不能出现破裂)，液压加载时间越晚越有利于顶部变形量的增大，但圆角及四边中间部分(破裂危险处)越容易出现破裂。因此需要确定压力加载时间，在凸模距最终位置为10mm，30mm，50mm，70mm时开始加压，最大液体压力为0.2MPa，压边力为1.45×106N。分析结果如图5所示。随着剩余行程的增加(即加压时间提前)，顶部减薄率逐渐减小，且最大减薄率先减小、后增大。为满足顶盖刚度要求，顶部变形量越大越好，而为避免破裂的出现，最大减薄率越小越好，因此加压时间越晚越好，这也与上述分析一致。根据上述分析，确定凸模行程剩余10mm时加液体压力较好。

图5 压力加载行程对减薄率的影响

3.2 最大液室压力的确定

为确定最大加载压力对成形结果的影响，使用压边力为1.45×106N，凸模行程最后10mm时加载液体压力，取最大液体压力分别为0.2MPa、0.7MPa、2MPa和5MPa。分析结果如图6所示。由图可知，当液体压力小于1MPa时，顶部减薄率随着最大液室压力的增大迅速减小，最大减薄率则迅速增大，因此增大液室压力不利于顶盖的成形。当液体压力大于1MPa时，顶部减薄率和最大减薄率变化不大。当液体压力为0.7MPa时，顶部减薄率为2.836％，略小于3％，最大减薄率为15.084％，略大于15％。因此液室压力应小于0.5MPa。

图6 最大液室压力对减薄率的影响

3.3 压边力的确定

为确定压边力对成形结果的影响，使用上述分析中较优的结果，即最大液室压力0.2MPa，凸模行程最后10mm开始加载液室压力。模拟结果如图7所示，可见随着压边力的增大，顶部减薄率和最大减薄率均相应增大，且顶部减薄率变化速度小于最大减薄率变化速度，由图可知，顶部减薄率增大0.7％，而最大减薄率增大5.14％。另外，压边力也不能过小，当压边力为1.00×106N时，顶部减薄率仅为2.59％。而压边力取1.45×106N时，顶部减薄率和最大减薄率均能满足要求，故而采用该压边力。

图7 压边力对减薄率的影响

4 充液成形模拟结果分析

减薄率分析如图8所示，可见顶部及顶角处减薄率均能满足要求，而侧壁处减薄率最大为14.8％，即不超过15％，满足铝合金成形要求，且与顶角处减薄率接近，满足一致性要求。最大增厚出现在底角处，如图9，其增厚量为4.74％，此增厚量不会产生明显皱纹。

图8 侧壁小圆角特征减薄率

图9 底角增厚情况

如图10成形极限图所示，顶部成形充分，且顶角处无破裂，但侧边有破裂危险(安全余量为7％)，根据经验，此处处于安全范围，但在后续修模过程仍应注意该区域。同时从成形极限图可以看出，底角处有轻微起皱趋势。

板料流料情况如图11所示，单位mm，由图可知，右侧板料流动量相对较少(比左侧少3mm～4.5mm)，尤其是左侧圆角处，板料流动较小，其对成形的影响是有利于圆角的成形，即减小圆角的破裂危险。

图10 成形极限图

图11 板料流动量

5 结论

综上所述，顶盖零件使用该工艺加工，其最大减薄率为14.8％，最大增厚量为4.74％，顶部变形量均大于3％。该结果既能满足顶部变形量的要求，又没有破裂和起皱等缺陷的产生。

[1] 郎利辉，许 诺，王永铭，等.薄壁深腔件部分阴模充液成形技术研究[J].材料科学与工艺，2013，21(6)：1-6.

[2]郎利辉，王永铭.复杂薄壁微小截面环形件的充液成形技术研究[J].锻压技术，2011，36(2)：34-38.

[3] 杨 踊，孙淑铎，刘慧茹.航空发动机复杂型面罩子钣充液成形技术[J].航空制造技术，2010，(1)：9l-99.

[4] 张 帆，郎利辉，程鹏志，等.异形截面构件多工序充液成形工艺及过程优化[J].锻压技术，2014，39(3)：42-46.

[5] 郎利辉，许 诺，王永铭，等.深腔类盒形件充液成形技术研究[J].锻压技术，2013，38(2)：21-26.

Study on hydro-forming process of aluminum alloyroof

WANG Ping,CUI Lichun,MA Guoli,SHE Wei
(Technical Center,Anhui Jianghuai Automobile Group Corp.,Ltd.,Hefei 230001,Anhui China)

The hydro-forming process of aluminum alloy automobile roofhas been studied in the text.The influence of key process parameters to the formability of roofin the hydro-forming process has been analyzed.The defects location during forming process has been simulated.The simulation results have been verified and analyzed.

Hydro-forming;Aluminum alloy;Process parameters;Simulation

TG394

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2017.05.017

1672-0121(2017)05-0058-03

2017-05-14；

2017-06-17

高档数控机床与基础制造装备国家科技重大专项资助项目——汽车大型铝合金覆盖件充液成形技术与装备(2014ZX04002041)

王 平(1976-)，女，硕士，高级工程师，从事材料加工工程研究。E-mail：wangping0557@163.com