文/张威，袁根成，汤金所·瑞鹄汽车模具股份有限公司 在以节能环保为发展趋势的汽车工业里，铝合金材料是实现轻量化的可选材料之一，其强度高、质量轻但成形性不如钢材，材料延伸率小，给成形带来挑战。本文以小曲率背门内板为研究对象，采用不同步压边的方法，提出一种新型工艺及模具结构降低铝板成形难度，达到缩短模具开发周期，降低开发成本的目的。近年来随着汽车制造的飞速发展，汽车业已经成为我国经济发展的支柱产业，车身制造是汽车发展中的重要组成部分，对车用材料、成形工艺、产品质量的要求越来越高。汽车上约70%的零件经冲压工艺制成，因此冲压技术水平的高低决定着车身的品质高低。但随着节能环保理念的不断深入，汽车轻量化制造已成为汽车行业关注的焦点。采用如铝合金等轻质材料是实现轻量化的重要手段，但由于铝合金不同于普通钢板的材料性能，也给冲压成形技术带来挑战。刘晓晶等针对AA6009铝合金车门内板利用有限元模拟进行拉深成形与工艺优化，在凹模上设置拉延筋有效提高工件的成形质量；胡玉明等针对铝合金覆盖件门洞开裂进行优化，提出了锁紧内圈拉延筋的方法解决开裂问题；谈顺强等采用成形性评价函数对铝制车身覆盖件成形工艺参数进行优化，有效控制回弹。本文提出一种新型工艺及模具结构——内外不等深度实现成形的拉延方案，降低铝板成形难度。研究背景材料背景用于车身制造的铝合金主要有2000系(铝铜合金)、5000系(铝镁合金)和6000系(铝镁硅合金)，通常应用于覆盖件成形的铝合金以5系和6系居多。其中5000系铝合金主要应用于车身结构件和内板中，6000系铝合金则被更多应用于外覆盖件成形中。其密度小，远小于铜和钢，强度高，焊接性能较好，但是铝合金相对钢板其塑性差，材料的延伸性能较低，仅为25%，而钢板延伸性可达到40%。因此，铝合金冲压件成形相对钢板难度大，成形容易开裂，板件结构复杂时，往往由于板料延伸率不够导致无法成形，为解决延伸率不足问题，工艺补充的设计非常重要，尤其压料的形状及深度对成形起到关键作用。因此，本文提出了一种内外不等深度实现成形的拉延方案。技术背景一般的拉延模具结构在汽车覆盖件冲压模具中运用较广泛，其结构能满足简单覆盖件拉延冲压成形要求。可对于产品形状特殊的汽车内覆盖件应用效果并不理想，典型的覆盖件背门内板，尤其是曲率小、拉延复杂的铝合金背门内板，这些产品特征在于法兰区域平坦，拉延深度深，产品形状复杂，这类制件如果按照常规工艺拉延成形，就会出现法兰区域成形不足、形状复杂变化急剧的位置开裂，伴随严重起皱。这些问题在实际模具制造中无法通过调试完全解决，不仅会降低汽车覆盖件产品质量，还影响模具制造周期。二次拉深是解决该问题的手段之一，但增加拉延工序就意味着增加一套冲压模具，增加开发成本。综合以上考虑，研究了一种小曲率板件不同步压料拉延成形模具工艺方案，实现了在一套模具上一次拉延成形，节约模具成本。研究内容不同步压边圈拉延模具设计小曲率背门内板不同步压边圈拉延成形模具结构图如图1所示。此模具结构由下模座、凸模、托芯气顶杆接柱、托芯、下压边圈气顶杆接柱、下压边圈、上模本体、氮气弹簧、上压边圈以及凹模等主要部分组成；凸模固定于下模座上；托芯和凸模通过导板导向配合，用工作螺栓与下模座紧固，其工作行程由工作螺栓行程控制，下压边圈和凸模导向配合，通过安全螺栓与下模座连接，凹模固定于上模本体上，氮气弹簧固定于上模本体上，上压边圈通过工作侧销与安全侧销和上模本体连接，氮气弹簧作用与上压边圈上，并为上压边圈提供压力。以上各接触部件之间通过导板与导滑面配合实现导向运动，各部件通过压机作用力实现各自运动功能，完成背门内板的拉延成形工作。
图1 小曲率背门内板不同步压料成形工装结构图 1-下模座 2-凸模 3-托芯气顶杆接柱 4-托芯 5-下压边圈气顶杆接柱6-下压边圈 7-上模本体 8-氮气弹簧 9-上压边圈 10-凹模 技术方案由于制件产品拉延深度和成形形状复杂，同时要保证产品拉延充分，故设置了凹模和凸模为主拉延区；凹模固定于上模本体上，凸模固定于下模座上，主成形区外设置了上压边圈和下压边圈，上压边圈由氮气弹簧提供恒定的压力；下模凸模中间设置的托料芯和下压边圈在压力机气顶杆作用下同时工作，随着压机的进一步工作，板件在上压边圈、下压边圈和托芯共同作用下，在凸模和凹模接触后完成拉延过程。在冲压过程中，有别于传统拉延模具，板料在凹模刚性压料面和压边圈接触后与凹模和凸模拉延，仅有凹模压料面和压边圈压料，板料在凹模里面拉延成形不受控。此结构在压力机工作过程中，上压边圈和上模本体及凸模一同下行，上压边圈在氮气弹簧恒定的压力下将板料和下压边圈压紧，气顶杆顶出力将下压边圈和托芯顶起，托芯和凹模在模具进一步合模过程中，板料开始逐渐在凹模和托芯之间接触并逐步压实。在继续拉延成形过程中，除上述板料压实外，板料在凹模和凸模的作用下充分拉延，在拉延过程中，板料在上压边圈和下压边圈间流动，保证了板料拉延充分成形，同时解决了复杂形状内覆盖件小曲率铝合金产品的拉延成形开裂和起皱并存的冲压工艺难题，如图2～图4所示。
图2 凸模结构 
图3 内外压边圈结构 
图4 凹模结构 综上所述，小曲率背门内板不同步压边圈拉延成形工装在一道工序中实现了多次拉延成形，解决了小曲率复杂铝合金内覆盖件拉延成形不充分、起皱开裂的问题，节省了为解决此类问题增加工序而导致的模具开发费用，提高了企业设计制造水平，同时给汽车主机厂减少了生产成本，带来了良好的经济效益。产品模拟图和拉延成形板件如图5、图6所示。
图5 小曲率背门内板产品(图中蓝色为最终产品) 
图6 拉延成形板件 结束语以铝合金为代表的轻量化材料在车身复杂覆盖件冲压成形过程中，常出现成形不足、成形困难的问题，模具调试难度大，给模具开发、制造，甚至批量生产带来巨大挑战。针对铝合金小曲率背门内板成形困难的问题提出解决方案，缩短模具调试时间：⑴设计不同步压边圈拉延模具，在板料拉延过程中，通过上压边圈和下压边圈的共同作用，板料流动期间保证拉延充分成形；⑵根据制件拉延深度起伏大和曲率小的特点，在冲压过程的不同时段成形，既解决平坦部位的充分拉延成形，又能保证小曲率深拉延区域不发生开裂和产品起皱的缺陷。——文章选自：《锻造与冲压》2022年第6期 
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