汽车后备箱门内板充液成形数值模拟与试验验证*

郎利辉，丁少行，杨希英，孙志莹，黄祥煜，佟振宇

(1.北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京 100191； 2.北京比亚迪模具有限公司，北京 101111)



2015107

汽车后备箱门内板充液成形数值模拟与试验验证*

郎利辉1，丁少行1，杨希英1，孙志莹1，黄祥煜2，佟振宇2

(1.北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京 100191； 2.北京比亚迪模具有限公司，北京 101111)

对汽车后备箱门内板的充液成形-局部冲压成形复合工艺过程进行了数值模拟，分析拉延筋高度、液室压力、压边间隙和初始反胀高度等工艺参数对板件的减薄率的影响，最终获得一组最优的工艺参数，并据此制作了样件，试验结果表明零件合格，验证了充液成形工艺及其数值模拟技术的可行性。

汽车覆盖件；充液成形；数值模拟

前言

板材充液成形技术是利用液体介质代替刚性凹模或凸模，依靠液体介质压力使板材成形的一种工艺。在成形过程中，液体压力使坯料紧紧贴在凸模上，增大坯料与凸模之间的有益摩擦力，形成“摩擦保持”效果；合适的液室压力可使液体从板料法兰和凹模之间溢出，减小坯料与凹模之间的有害摩擦力，形成“流体润滑”效果。“摩擦保持”和“流体润滑”效果均有利于零件的拉深成形，可大大提高零件的成形极限。近几年来，由于结构轻量化、整体化、精密化、精品化和复合成形技术的需要，充液成形技术得到迅速发展，尤其在汽车、航空航天等领域[1-6]。

与一般冲压件相比，汽车覆盖件具有材料薄、形状复杂、自由曲面多、结构尺寸大和表面质量要求高等特点[7-8]。对于大型汽车覆盖件，传统冲压制造工艺一般需要多步成形工序，制造过程较繁琐。利用充液成形技术制造该类零件可减少成形工序，避免多次定位，减少工序与工序间不必要的时间浪费，提高生产效率。另外，充液成形工艺可有效提高板材成形性，产品尺寸精度高，表面质量好。针对该类汽车大型覆盖件，研究充液成形中的失稳形式，工艺参数对成形失稳的影响规律，以及避免失稳的方法，为以后此类零件的充液成形工艺提供指导作用。

1 零件外形尺寸及材料

本文中研究的零件是汽车后备箱门内板件，外形尺寸如图1所示，长1 553.21mm，宽1 290.86mm，高383.12mm，具有大尺寸、弱刚度、局部小特征多和曲面法兰等特点。

零件材料为深冲钢SPCEN，板料厚度为0.8mm，材料力学性能如表1所示。SPCEN板材具有优良冲压成形性能，成形零件具有表面光洁平滑特性，适于制造各种冲压零件，用途广泛。

表1 材料的性能参数

2 充液成形工艺分析及有限元模型

该零件的传统生产工艺为多道次拉深成形，为了减少成形工序，提高成形质量和节约成本，可以采用充液成形-局部冲压成形复合工艺，对局部难成形小特征部位进行刚性模整形，兼具两种工艺的优点，并且降低充液成形的设备吨位。由图1侧视图可以看出，该零件外形似V形，故称此时零件方向为V向。该零件充液成形有多种方式，包括主动成形与被动成形，V向与Λ向成形。经大量数值模拟与理论研究发现：V向充液成形容易发生起皱失稳，起皱状况不易消除；Λ向主动成形局部减薄量大，且成形不充分。因此，采用Λ向被动充液成形方式。

本试验采用已被金属成形工业广泛应用的dynaform软件，其求解器是非线性动态显示算法的LS-DYNA。模型中，凸、凹模及压边圈视为刚性体，采用刚性4节点网格单元进行离散化处理，板材采用4节点BT壳单元。由于有“摩擦保持”和“流体润滑”作用，坯料与凹模、压边圈和凸模的摩擦因数分别设置为0.005、0.10和0.15。采用定间隙压边方式。经优化后的坯料大小为1 770mm×1 580mm。有限元模型如图2所示。

3 充液成形过程数值模拟

3.1 拉延筋对减薄率的影响

当零件形状不规则时，在拉深成形中零件变形复杂，各部分所受应力往往差别很大，坯料沿凹模口的流动速度不均衡，以致极易出现破裂和起皱等缺陷[9]。如何改善进料阻力对于提高产品质量显得至关重要。拉延筋具有稳定、有效、灵活和均匀控制压料力的优点，其作用包括调节进料阻力分布、降低压料面精度要求、增加零件刚性、纠正板料的不平整缺陷、提高板料表面质量和可在一定程度上降低压床吨位等[10]。

设置合适的液室压力加载曲线、反胀高度和较小的压边间隙，不设置拉延筋，所得模拟结果如图3所示。在坯料尺寸充足、压边间隙较小的情况下，坯料两侧被凸模拉进液室而使得成形失败，可知本试验需设置拉延筋，增加进料阻力以及避免起皱的产生。

根据充液成形过程中板料流动规律，拉延筋主要布置在法兰直边，如图4所示白色线条部分。本文中采用半圆形拉延筋，如图5所示，拉延筋的几何外形(如凸筋圆角、凸筋高度和凹槽圆角等)对进料阻力起至关重要的作用。本试验固定半圆形拉延筋其他几何形状，只通过调节凸筋高度H来达到寻求最佳进料阻力的目的[11]。

采用最优液室压力加载曲线(图6)，压边间隙为0.94mm，反胀高度为5mm，拉延筋圆角半径为2.5mm，筋高度分别设置为2、2.5、3、3.5、4、4.5和5mm。不同筋高度下，充液成形后的零件最大减薄率模拟结果如图7所示。由图可见，最大减薄率随着筋高度的增加而增大，这是由于随着筋高度的增加，板料经过拉延筋时的弯曲反弯曲变形力增大而致使进料阻力增大导致的。当筋高为2.5、3和3.5mm时，最大减薄率最小，但如图8所示，零件上、下底部中间起皱，而筋高度为4、4.5、5mm时无起皱现象发生。由此确定最优筋高度为4mm。

3.2 液室压力对减薄率的影响

在充液拉深过程中，液室压力起着至关重要的作用，合适的液室压力形成的“摩擦保持”和“流体润滑”效果可以改善拉深过程中的应力应变状况，提高材料的拉深极限，有效抑制传统拉深中凸模圆角破裂、悬空区起皱等缺陷[12]。

3.2.1 初始反胀压力对减薄率的影响

取最优拉延筋高度4mm，固定成形压力为4MPa，压边间隙为0.94mm，反胀高度为5mm，改变初始反胀压力以研究其对减薄率的影响，不同初始反胀压力加载路径如图9所示。

图10为数值模拟结果。由图可见，随着初始反胀压力的增大，最大减薄率先减小后增加。之所以会出现这种情况，是因为当初始反胀压力较小时，坯料没有在成形初期紧紧贴在凸模上形成初期“摩擦保持”效果，也没有在凸凹模之间充分胀形以达到为成形过程补料的效果；当初始反胀压力过大时，成形初期板材因胀形过量、弯曲反弯曲应力应变大导致减薄量已经很大。由图10可确定最优初始胀形压力为1MPa。

3.2.2 成形压力对减薄率的影响

取最优拉延筋高度4mm，固定初始反胀压力为1MPa，压边间隙为0.94mm，反胀高度为5mm，改变成形压力以研究其对减薄率的影响，不同成形压力加载路径如图11所示。

图12为数值模拟结果。由图可见，随着成形压力的增大，最大减薄率先减小后增加。之所以会出现这种情况，是因为当成形压力较小时，充液成形过程相当于普通冲压过程，没有在成形过程中形成“摩擦保持”效果；当成形压力较大时，因凸凹模之间有很大的空隙，过大的成形压力致使在成形过程中板料过分胀形，同时也增加了板料与压边圈的有害摩擦力。此种结果与文献[13]中液室压力变化有一定的范围的结论相一致。由图12可确定最优成形压力为4MPa。

3.3 压边间隙对减薄率的影响

由于在充液成形过程中难以严格控制压边力以满足不同液室压力下的压边力要求，因此采用定压边间隙的方式。

取最优拉延筋高度4mm，固定初始反胀压力为1MPa，成形压力为4MPa，反胀高度为5mm，改变压边间隙从0.88～0.96mm，间隔0.01mm，以研究其对减薄率的影响。

图13为数值模拟结果。由图可见，随着压边间隙的增大，最大减薄率先减小后增加。压边间隙的大小影响着进料阻力，控制成形失稳的发生。过小的压边间隙会增大进料阻力，在凸模下行过程中板料由凹模圆角流入模腔中的阻力加大，板料应力应变增大，板料减薄严重；过大的压边间隙无法建立起液室压力，同时因为法兰区在成形过程中受切向应力，过大的压边间隙会增加法兰起皱的趋势。起皱失稳会增加进料阻力，加大板材减薄量，并且不利于后续加工和缩短模具寿命。由图13可确定最优压边间隙是0.94mm。

3.4 反胀高度对减薄率的影响

初始反胀关键工艺参数有初始反胀压力和初始反胀高度，优化后的初始反胀压力为1MPa，下面探究初始反胀高度对减薄率的影响。

取最优拉延筋高度4mm，固定初始反胀压力为1MPa，成形压力为4MPa，压边间隙为0.94mm，改变反胀高度值从0～9mm，间隔1mm，以研究其对减薄率的影响。

图14为数值模拟结果。由图可见，随着初始反胀高度的增大，最大减薄率先减小后增加。反胀高度对反胀量有很大的影响，反胀高度过高或过低对壁厚的减薄都不利。当反胀高度太小时，坯料不能充分胀形，聚料少，导致在充液成形后期料不足而加大壁厚减薄率；当反胀高度太大时，胀形过量，初始胀形应变大，板料减薄率加大，如图15所示。由图14可确定最优初始反胀高度为5mm，对应的最大减薄率达最小，为19.61%。图16和图17分别是初始反胀高度为5mm和9mm时充液成形初期壁厚减薄率分布云图。由图16可以看出，充液成形初期最大壁厚减薄率为18.82%，而图17中，初始反胀高度为9mm时最大壁厚减薄率为21.99%，比初始反胀高度为5mm时大3.17%。

由以上的分析可知，优化后的工艺参数为拉延筋高度为4mm，初始反胀压力为1MPa，成形压力为4MPa，压边间隙为0.94mm，初始反胀高度为5mm。最优液室压力加载曲线如图16所示。在优化后的工艺参数下模拟的坯料边线流料行为如图18所示，进料阻力设置合理，流料光滑均匀；壁厚减薄率分布云图如图19所示，最大减薄率为19.61%。模拟结果显示了本工艺的合理性。

4 试验

在优化的工艺参数下进行充液成形-局部冲压成形复合工艺试验，所得合格零件如图20所示，证明了本充液成形工艺的可行性。当压边间隙较小时，零件将发生开裂，图21是在压边间隙为0.84mm时获得的两侧开裂零件。当压边间隙较大时，零件法兰易起皱，图22是在压边间隙为1.0mm时获得的法兰起皱零件。图23是在反胀高度过大时制得的零件，可见凸凹模之间聚料多，出现起皱现象。

5 结论

(1) 大型复杂曲面法兰薄板充液成形关键工艺参数包括拉延筋几何外形、液室压力、压边间隙和反胀高度。在本文优化的工艺参数下制得了合格零件。

(2) 液室压力过大或过小都会减小成形零件的壁厚；压边间隙过小会加大进料阻力，压边间隙过大易发生法兰起皱失稳；反胀高度过大或过小也加大零件壁厚减薄。

(3) 充液成形-局部冲压成形复合工艺，兼具两种工艺的优点。充液成形减少成形道次，局部冲压成形可以成形充液成形无法形成的小特征，降低充液成形设备的吨位。

(4) 以有限元为基础的数值模拟技术可以对成形工艺进行分析和优化，加深对成形过程的理解。试验结果验证了数值模拟的正确性，表明了数值模拟技术对工艺参数的确定有重要的指导作用。

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Numerical Simulation and Test Verification of Hydroformingfor the Inner Panel of Vehicle Trunk Door

Lang Lihui1, Ding Shaohang1, Yang Xiying1, Sun Zhiying1, Huang Xiangyu2& Tong Zhenyu2

1.SchoolofMechanicalEngineeringandAutomation,BeihangUniversity,Beijing100191; 2.BeijingBYDMouldCo.,Ltd.,Beijing101111

A numerical simulation on the compound technology process combining hydroforming and local stamping for the inner panel of trunk door is conducted to analyze the effects of drawbead height，cavity pressure， blankholder gap and initial pre-bulge height on the thinning rate of panel. According to the analysis, a set of optimal process parameters are obtained, based on which a sample panel is produced and qualified by test, verifying the feasibility of hydrofroming process and its numerical simulation technique.

automotive closure panels; hydroforming; numerical simulation

*工信部国际科技合作项目(2010DFA52030)和国家自然科学基金(1175024)资助。

原稿收到日期为2013年6月3日，修改稿收到日期为2013年10月7日。