目前节约资源、减少环境污染是全球汽车产业急需解决的2大问题。据统计汽车减轻10%，油耗可降低6%~7%，因此汽车轻量化成为汽车技术的前沿和热点。减轻汽车质量的主要途径是使用轻量化材料，铝合金以其独特的优势成为汽车制造业中使用最多的轻量化金属材料。
大多数汽车引擎盖外板均采用传统钢板制造，其质量不符合轻量化发展的需求，为此需要通过应用新型铝合金材料获得轻量化效果。但是铝合金的材料性能与钢板有很大的差别，钢板的成形理论和经验技术不能直接应用到铝合金的冲压成形中。国内对轻量化铝合金引擎盖的成形研究尚处于起步阶段，只有少数的企业开始使用铝合金材料进行量产，可借鉴的经验有限。
现采用Autoform软件，对应用于汽车引擎盖外板轻量化铝合金的成形工艺进行研究，为相关企业实际生产提供参考。
引擎盖外板的生产工艺主要包括落料、拉深、修边、翻边、侧翻边，其中拉深成形是保证零件成形质量的关键工序，现仅讨论引擎盖外板的拉深成形工艺。
针对铝合金材料在汽车轻量化中的应用，对于2个特定的车身覆盖件分别采用铝合金板与钢板进行对比，结果如表1所示。
目前各大汽车生产商中应用较为广泛的轻量化铝合金牌号为6111、6016的变形铝合金，成形模拟选用毛坯材料为6016-T4铝合金，材料参数如表2所示。
图1引擎盖外板模型
图1所示为某车型引擎盖外板零件模型。零件的总体曲线过渡较为平缓，属于浅成形件。拉深成形过程中，零件后部圆角的成形较为困难，前部形状的过渡大于后部，成形难度较大。为了保证零件成形后具备足够的刚度，材料需充分变形。引擎盖外板外观质量要求较高，必须保证成形的零件没有裂纹、起皱、擦伤、压痕等缺陷，棱线应清晰、平直，曲线应圆滑、过渡均匀。
以传统钢板引擎盖成形的模面（零件型面及工艺补充面）和工艺参数为基础进行初次模拟。
选用拉深类型为单动拉深（singleaction）；冲压方向向下；板料厚度为1mm；偏置基准面：Upper。使用毛坯生成器获得零件展开后的形状，并将计算所得的坯料周边扩大40mm，通过Reference选项在模面上定义工作部分。
图2拉深模零件初始位置
图3初次模拟结果及FLD
在单动拉深的情况下，凹模会通过系统的自动偏置获得与板料相对应的间隙，根据零件的高度确定凸、凹模以及压边圈的初始位置，并在压边圈的Bindermode中选择Toolcenter选项。凹模初始位置为-500mm，压边圈初始位置为250mm，凸模初始位置为0，各拉深模零件初始位置如图2所示。压边力设置为3000kN，润滑系数1.5，凹模运动速度1mm/s，其余默认，初始模拟结果及成形极限图（FLD）如图3所示。
从图3可以看出：零件前端两侧有部分未充分变形，同时有小部分材料出现起皱，在零件的两侧局部也出现过渡减薄及开裂，而在零件后部工艺补充面垂直部分以及零件后部圆角部分也产生严重的开裂及过渡减薄的情况。
主要原因是铝合金的塑性及抗拉强度等性能与钢板不同，采用钢板的工艺参数，铝合金引擎盖拉深成形效果不佳。现对相关成形工艺参数进行优化调整，以获得铝合金引擎盖拉深成形的优化方案。
工艺补充面的设计是拉深成形设计的重要环节，直接影响零件的成形质量。在初次模拟使用的工艺补充面基础上，使用Addendum选项卡下方的Line，选择Dieentrywidth选项对工艺补充面的轮廓进行修改，针对出现明显缺陷的后部进行工艺补充面修改，完成后的效果如图4所示。
图4 修改的后部工艺补充面
另一方面，零件的结构特点使工艺补充面前后高低落差较大，铝合金抗拉强度较低，过高的工艺补充面会导致材料的流动性变差，在拉深过程中容易产生过渡减薄甚至开裂等缺陷。因此将零件后部工艺补充面包括圆角部分的高度降低，提高零件的成形性能，修改完成后的高度如图5所示。
图5修改后的工艺补充面高度
拉深成形过程中，凸、凹模圆角的大小也是影响零件成形质量的重要因素。
当凸、凹模圆角过小时，会降低材料的流动性，导致成形的零件容易产生过渡减薄等缺陷；当凸、凹模圆角过大时，则会使材料在模具中的流动速度过快，导致成形的零件产生起皱等问题。
选择合适的凸、凹模圆角半径在拉深模型面设计中十分重要，将初次模拟采用的凹模圆角半径R6mm修改为R10mm，凸模圆角半径R10mm保持不变，由于几何参数发生了变化，毛坯在生成器中需重新计算获得。
根据修改后的模拟结果发现零件回弹在允许的形状误差范围内，不需要增加后续整形工序。
改变压边力大小是控制毛坯变形的主要方法之一，压边力的变化在一定程度上可以减少起皱、压缩、变形不充分等缺陷的发生。
优化模拟中设置压边力大小分别为2000、2500、3000、3500kN。通过对各组模拟结果的分析可知：当压边力为2000kN时，零件的后部和前端两侧区域都处于未充分变形状态，材料在压边圈的作用下有明显的压缩起皱，材料最大增厚率达到9%，零件后部圆角处出现了轻微的过渡减薄现象，局部最大减薄率为13%；当压边力达到3500kN时，所有区域经过了充分变形，但零件后部圆角处的过渡减薄区域明显增大，并且在零件后部、两侧及前部的过渡减薄区域都出现了开裂，最大减薄率21%，已超过材料允许的最大减薄率16%，合理压边力应在2500~3000kN。结合选取工艺参数时先紧后松的原则，仍采用初次模拟压边力3000kN。
拉深筋通常设置在压料面上，当压边圈压紧材料时，拉深筋对材料的拉深产生阻力作用，控制材料塑性流动的方向与速度，防止零件成形时产生缺陷。为研究拉深筋对铝合金引擎盖成形的影响，分别对不设置拉深筋，设置均匀环状拉深筋、非均匀环状拉深筋进行了模拟分析。
不设置拉深筋时，零件后部圆角区域有部分材料压缩，而前部有小块区域未经过充分变形，虽然通过加大压边力可以对这些缺陷进行改善，但零件两侧已经有裂纹产生，加大压边力会使已有的裂纹变得更严重。
利用凹模入口线的轮廓在离零件轮廓外20mm处生成一条封闭的环状圆形拉深筋，拉深筋高5mm，圆角半径R=5mm，阻力系数0.35，与不设置拉深筋的情况相比，圆角处的压缩有了明显改善，前部两侧变形不充分的区域得到了改善。由此可见通过设置拉深筋控制材料的流动方向与速度是有效的。
图6 优化后的拉深筋
但是设置拉深筋之后，零件两侧的部分产生了开裂，且后部圆角部分的过渡减薄有所增加。这是因为均匀的环状拉深筋对各个区域提供的变形阻力是相同的，为了达到更好的成形效果，可以对均匀环状拉深筋的局部参数进行优化。通过AutoForm中的可变拉深筋选项，改变拉深筋的局部阻力系数，将零件两侧部分的阻力系数调整为0.15，优化后的拉深筋如图6所示。
板料润滑是影响零件成形的一个因素，板料的润滑情况会影响摩擦力的大小，摩擦因数在一定程度上也可以控制材料的流动。一般摩擦因数选用的标准值是0.15，由于铝合金与钢板成形的差异，需重新讨论，分别选用摩擦因数为0.10、0.12、0.14、0.16进行模拟对比，结合相关企业对铝合金成形的研究结果：通常的油和乙烯基润滑剂会导致材料流入速度加快，增大铝合金板龟裂和起皱的机率，采用固形蜡润滑能获得较好的成形效果，最终选取优化的摩擦因数为0.10。
图7 优化后的成形模拟结果
以上述各参数单独优化结果为参照，发现在零件后部圆角处仍存在过渡减薄区域，需对各参数进行综合调整。为了消除过渡减薄区域，可使用截线压料面将工艺补充面后部的压料面抬高，以降低零件成形时开裂的可能性，最终成形结果及FLD如图7所示。从图7可以看出，零件所有的型面区域都经过了充分变形，不存在开裂与过渡减薄区域，最大增厚率为7%，最大减薄率为15%，均在材料允许的最大变化率之内，达到了优化的目的。
铝合金引擎盖试模过程中出现的缺陷位置与初次模拟结果（见图3）类似，如图8所示。
图8 试模中出现的缺陷
图9 试生产铝合金引擎盖
结合仿真分析的优化工艺参数进行铝合金引擎盖拉深成形试模，最终试模的零件如图9所示，解决了起皱、开裂等缺陷。试模结果与仿真分析结果基本吻合，拉深成形件符合设计要求，未发生拉裂和起皱缺陷。
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▍内容来源：《模具工业》2017年第12期
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