王涛　孙占军　武彩峰

摘 要：通过0°、45°、90°三个方向单向拉伸实验，建立基于Barlat-89屈服准则的5182各向异性材料模型。通过Pamstamp有限元模拟软件分析铝合金前围板冲压工艺可行性，优化产品结构和冲压工艺设计，获得理想的冲压成形工艺方案。优化铝合金模具结构和生产现场模具调试，实现5182铝合金前围板批量生产。关键词：Barlat-89屈服准则;各向异性材料模型;前围板;铝合金中图分类号：U466  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）08-178-04

Abstract： Through the uniaxial tensile experiments at 0°， 45°， and 90°， a 5182 anisotropic material model based on the Barlat-89 yield criterion is established. Pamstamp finite element simulation software was used to analyze the feasibility of the aluminum alloy dash panel stamping process， optimized the product and stamping process， and obtained the ideal stamping process plan. Optimized the structure of stamping mold and debugging at production， realized the mass production of 5182 aluminum alloy dash panel.Keywords： Barlat-89 yield criterion; Anisotropic material model; Dash panel; Aluminum alloyCLC NO.： U466  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）08-178-04

引言

随着我国的环保法规日益严格，消费者对新能源汽车续航里程需求日益增加，汽车轻量化设计已成为各大汽车制造商提高市场竞争力重要战略性措施之一。铝合金作为一种轻质合金，具有良好成形性能、使用性能以及环境友善等优点，是一种非常理想的车身轻量化材料[1]。

铝合金板材冲压成形相比较传统冷轧钢板有较大差异，冲压成形性能较差，容易造成缩颈、开裂和起皱等冲压缺陷。本文结合国内某款新能源汽车铝合金前围板的开发，通过板材的拉伸实验建立5182铝合金冲压数值分析模型，利用Pamstamp冲压有限元软件对冲压工艺进行数值模拟，为量产模具设计和生产调试提供支持。

1 实验材料和数值模型

1.1 铝合金材料牌号和料厚

车身用铝合金主要是5系和6系铝合金。5182铝板冲压成形性能优异，能够成形复杂结构零件，且成本较6系铝合金低，适用于内板类结构件。前围板周边布置较多，较多零件总成需要安装在前围板上，对前围板的刚度和强度提出较高要求，同时考虑NVH性能影响，零件料厚选择1.5mm。

1.2 5182铝合金材料数值模型

铝合金板材经轧制后具有各向异性，为保证冲压有限元模拟分析精度，建立5182铝合金板材各向异性的材料数值模型非常重要。分别从铝板上沿轧制方向0°、45°和90°方向取样，利用万能拉伸实验机进行拉伸实验，获得铝板各向异性参数和应力应变曲线，为获取板材准确成形极限曲线，利用Zwick成形试验机和ARAMIS动态光学应变测量系统获取5182铝板的成形极限曲线。实验设备和拉伸试样尺寸如图1所示。

1.3 铝合金材料屈服准则

因材料参数获取方便，各向异性材料模型一般应用Hill-48屈服准则，在厚向异性系数r>1钢板应用广泛，而对于厚向异性系数r<1的铝板，Hill-48屈服准则计算精度有一定偏差，推荐应用三参数Barlat-89屈服准则[2-6]。铝合金是面心立方结构，材料参数m=8[7]，通过拉伸实验获取的r0、r45、r90，可以计算出Barlat-89屈服准则的a、h、c和p等参数。

将拉伸实验参数及真实应力应变曲线以及成形极限导入Pamstamp软件，建立5182鋁板各向异性的材料模型。

2 铝合金前围板冲压有限元模拟

2.1 拉延工艺补充模面设计

前围板与周边零部件连接点较多，同时脚踏板、制动泵、空调压缩机及仪表盘支架等部件都需要在前围板上布置安装点，所以前围板结构非常复杂，且质量要求高。前围板产品结构如图2所示。

拉延工艺补充设计是零件冲压工艺设计关键。对于复杂结构的零件，拉延工艺设计应注意以下几点：（1）尽可能拉延成形出所有零件结构，减少翻边整形或二次拉延;（2）铝合金零件回弹严重，应保证拉延零件变形充分，降低厚向的应力梯度;（3）拉延工艺补充的圆角半径应该大一些，防止拉延缺陷，提高零件变形量。拉延工艺补充设计如图3所示。

2.2 冲压成形有限元模拟

将材料模型和拉延工艺设计导入Pamstamp冲压有限元分析软件，建立前围板冲压成形数值分析模型，如图4所示。

冲压成形数值模型关键参数设定：

（1）摩擦系数设定。铝合金板材硬度低于冷轧钢板，拉延时板材与模具间的摩擦力大，摩擦系数设置为0.17。

（2）拉延筋设定。在模型调试阶段一般使用虚拟拉延筋，便于参数调整，提高计算效率。当计算模型稳定后，为提高计算准确性，根据虚拟拉延筋阻力值设计真实拉延筋断面和布置。

（3）压边力设定。在模型调试阶段，根据板材屈服强度和凹模口长度预估压边力值，根据模拟结果进行适当调整，而当采用真实拉延筋时，考虑到拉延筋顶升力影响，一般采用定间隙压料。压边圈和凹模的间隙设置为1.05t～1.1t之间（t表示板材厚度）。

（4）坯料网格尺寸。坯料网格最小尺寸一般设置为0.8t。

经多次拉延工艺补充优化和参数调整，前围板冲压成形极限、减薄率分布云图如图5所示。拉延变形充分，除少数点存在减薄严重的风险外，整体冲压成形性良好。

3 冲压模具设计和调试

3.1 冲压模具设计

前围板冲压成形工艺设计为5序：OP10拉延成形，OP20修边冲孔，O30修边冲孔，O40翻边整形，OP50冲孔整形。冲压工序设计如图6所示。

铝合金零件与钢零件的冲压模具结构基本相同，但因铝板材性能与冷轧钢板差异较大，在模具设计时应注意以下几点：

（1）铝合金板成形性能较钢板低，在拉延时局部容易产生缩颈、开裂等缺陷，拉延工艺补充要适当大一些，圆角半径也要大一些，有利于模具内板材流动控制。

（2）铝合金板材成形硬化比较严重，二次变形潜力低，尽可能一次成形出所有结构（翻边除外），避免二次拉延和大变形量整形。翻边尽可能一序完成，避免成形和翻边交接处棱线屈曲影响搭接面匹配质量。

（3）铝合金板材较轻，压机开模时容易带件，需要增加顶料销;在不影响表面质量情况增加通气孔尺寸和数量，适当降低冲压节拍;废料下滑有困难，推荐废料滑道为 30° ，使用网纹板。

（4）板材在拉延筋处变形和摩擦大，易产生碎屑，应避免使用方筋，拉延筋圆角半径为6t以上。

（5）铝板修边冲孔时容易产生废屑，粘在模具表面形成积屑瘤，影响冲压件表面质量。减少废屑的工艺方案如下：采用多序修边，避免使用废料刀;斜楔修边时拉延筋局部应断开避让处理;尽可能减少直修和侧修交刀;修边冲孔刃口不宜太锋利，推荐刃口为R0.3～0.5mm;修边冲孔上模刃口一般要做成2°负角，下模刃口0.5°负角，减少与断口摩擦产生的废屑;翻边上、下模能采用整体式镶块，避免拼接缝产生废屑;模具需要增加除屑装置，缩短模具清理周期。

（6）为避免冲孔废料堵塞，冲孔凸模全部采用顶料型冲头。

（7）翻边和整形压料面应尽可能窄，其他区域全部空开，防止压伤零件表面。

（8）模具表面光洁度要求较高，需要进行表面激光淬火后镀铬处理。

3.2 模具现场调试

经铸造、机加工、装配等工作后，拉延模具上模如图7所示。在前围板模具早期试模阶段，拉延件的侧壁、局部尖点和凹坑开裂严重，这与冲压成形有限元模拟分析结果基本一致。冲压成形有限元模型优化经验可以有效指导模具现场调试工作。通过放大拉延工艺补充圆角，打磨模具结构尖点，研磨压料面和调整拉延筋圆角半径和深度，调整压边力等手段，成形出合格拉延制件。合格拉延制件如图8所示。

3 结论

（1）通过0°、45°、90°三个方向单向拉伸实验，建立基于Barlat-89屈服准则的5182各向异性材料模型。

（2）通过有限元模拟分析，优化拉延工艺和模具结构，冲压成形出5182铝合金前围板合格零件，有限元模拟结果与调试结果吻合较好。

（3）有限元模型调试经验对模具调试有指导意义，有效提高模具调试效率，缩短调试周期。

参考文献

[1] 谢朋飞，宋贵锋，路东东.汽车冲压板材铝合金的应用[J].汽车工程师，2018（04）：49-51.

[2] 余海燕，沈嘉怡，王友.屈服准则和硬化模型对5052铝板回弹仿真的影响[J].材料科学与工艺，2015，23（03）：29-34.

[3] 彭本栋，张建，毕大森，武晋.铝合金顶盖冲压成形过程的数值模拟[J].矿山机械，2008，36（22）：104-107.

[4] 柳泽，杨宝林，李淑慧，白志斌.板料成型中的三参数Barlat-Lian材料模型[J].汽车技术，1998（10）：21-23.

[5] 汤井伦，江五贵，黎军顽，苏建君.各向异性屈服准则对铝合金板深冲起皱预测的影响[J].南昌航空工业学院学报（自然科学版），2006 （04）：59-63.

[6] 邓学峰，张辉，陈振华.铝合金板成形性及成形工艺研究现状[J].材料导报，2005（12）：56-59.

[7] 傅垒，李利，黄鸣东，刘成.基于Pamstamp的5182铝合金发动机罩内板冲压数值模擬[J].轻合金加工技术，2019，47（07）：48-53.