CN101786128A - 热冲压与超塑气胀复合成形工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种铝合金汽车车身零件快速超塑成形的新工艺。该工艺的主要特征是将热冲压和超塑气胀成形结合起来，使二者优势互补，达到快速超塑成形的目的。该工艺放松了对传统超塑成形对板材晶粒度要求，允许使用普通商业铝合金板材。与冷冲压工艺相比，本发明工序少，避免了开裂与大回弹的缺陷，成品率高；与传统超塑胀形工艺相比，本发明显著提高了成形速度，降低了材料成本。这说明本发明消除了使用铝合金进行中低档车汽车车身轻量化的技术障碍，它将成为铝合金汽车车身大批量生产的高效优质工艺。

Description

热冲压与超塑气胀复合成形工艺

技术领域  本发明涉及一种大型铝合金车身零件的塑性成形工艺

背景技术

用铝合金板材替代钢板制造汽车车身是汽车减重降低油耗的重要措施之一。在现有技术中，铝合金汽车车身零件的成形多用常规的冷冲压工艺。铝合金在室温条件下塑性低、弹性模量低的缺点使得铝合金汽车车身零件冷冲压工艺成品率较低，主要缺陷是成形开裂和回弹引起的零件尺寸超差。为此近年来开发了铝合金汽车车身零件超塑气胀成形工艺。超塑成形工艺要求铝合金板材必须是等轴细晶粒组织，目前只有经专门工艺特殊处理的5083铝合金可以满足这个要求。由于这种板材生产批量小，较高的材料价格限制了该工艺的应用。限制该工艺应用的另一个因素是超塑气胀成形速度太慢，成形一个复杂形状零件有时甚至需要几十分钟，这种生产效率与汽车大批量的生产要求存在巨大反差，这是目前急需解决的技术问题。近年来材料科学家已进行大量研究，企图通过晶粒细化来提高铝合金超塑性应变速率，进而提高超塑成形的效率。实践证明这种方法虽然理论上有效，但是远水不解近渴。材料与工艺成本的制约，使得铝合金汽车车身减重的工作迟迟进入不了具有大批量特征的中低档汽车。为了满足汽车大批量生产的特点，需要另辟新径，通过改进成形工艺来提高铝合金汽车车身零件超塑成形的生产效率。

发明内容：

本发明提供了一种铝合金汽车车身零件快速超塑成形的新工艺。该工艺的主要特征是将热冲压和超塑气胀成形结合起来，使二者优势互补，达到快速超塑成形的目的。该工艺放松了对传统超塑成形对板材晶粒度要求，允许使用普通商业铝合金板材。与冷冲压工艺相比，本发明工序少，避免了开裂与大回弹的缺陷，成品率高；与传统超塑胀形工艺相比，本发明显著提高了成形速度，降低了材料成本。这说明本发明消除了使用铝合金进行中低档车汽车车身轻量化的技术障碍，它将成为铝合金汽车车身大批量生产的高效优质工艺。

对于传统的超塑性胀形，假设某处工件板厚为t，胀形压力为p，板料承受的拉应力和应变速率分别为σ和

因为板料承受双向拉伸时，假设工件局部为球面形状，曲率半径为r，由平衡方程得到：

$p=\frac{2\mathrm{t\σ}}{r},\mathrm{\σ}=k{\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}}^m\⇒\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}={\left(\frac{\mathrm{rP}}{2\mathrm{tk}}\right)}^{1/m}---\left(1\right)$

可见当r→∞时要使应变速率保持一个定值，只能让p →0。因为传统超塑胀形的坯料为一个平板，其曲率半径为无限大。因此传统超塑胀形初始阶段，特别是开始时刻，为保证坯料的应变速率处于其超塑性应变速率范围之内，胀形压力必须很小，并只能随着变形后的板材的曲率逐步减小而压力逐渐增大，否则必然出现坯料破裂。这个原因使得板料超塑胀形初始阶段进展极为缓慢，这是造成传统板料超塑胀形成形时间长的主要原因。

基于上述分析，本发明在胀形之前进行平板坯料预成形，使其具有一定的曲率半径和接近零件的形状，本发明采用冲压工艺进行预成形，使用热冲压成形可与后续的超塑性胀形在同一道工序中与等温条件下进行，工序紧凑有利于缩短成形时间，但是热冲压成形缺乏成熟经验因而技术难度较大。使用冷冲压进行预成形，与超塑胀形分开操作，容易实现，缺点是要严格控制预成形的变形量以防坯料破裂。另外因为增加进出料的时间会增加总的成形时间。对于超塑性状态的热冲压，因为超塑性延伸率远大于其室温延伸率，所以热冲压的变形量可以相对大些。实际上预成形变形量的大小与具体的零件形状和具体材料的成形性能有关。为了确定预成形量，本发明依据材料热变形的成形极限图使用板料超塑性成形工艺数值模拟方法优化预成形量的范围。优化目标是预成形的零件1)无破裂，2)无明显褶皱，3)无明显的局部反向凸起。4)各点应变状态都在FLD曲线以下的安全区内，其数值低于FLD图曲线数值的10％以上。

注意到冲压过程中，板料变形区的应变状态是一拉一压。而超塑胀形时板料变形区的应变状态是为双向拉伸。由板料的拉伸极限图可知，冲压时的极限应变远大于胀形时的极限应变。这就是说，对于相同的拉伸应变，冲压时不会破裂但胀形时可能会破裂。在一定温度和较高的应变速率范围内，材料的拉伸延伸率可能随应变速率的增加而降低，因此热冲压成形可以比气胀成形选择更高的凸模运动速度。这就是说同样的材料同样的温度，热冲压工艺的成形速度可以比热胀形工艺的成形速度快一些。这就说明了本发明的冲压与胀形的复合工艺是一个快速超塑成形。

对于形状复杂的零件，如果零件形状曲率半径过小，胀形压力p会很大，这就要求充气管道以及相关设备强度增加，加大了辅助设备的成本和难度。为此需根据常规承压能力p反求出所允许的最小r_c值。对于铝合金在高温条件下r_c＞2-5mm。当零件局部的曲率半径＜rc时，应增加一道冲压整形，成形出过小的r角。同样可以使用冷冲压也可使用热冲压完成整形。如果预成形与整形用不同形状冲头，为避免更换冲头的麻烦，则需要单开一道工序进行冷冲压整形；如果预成形与整形用相同形状冲头，则冲压整形可与超塑胀形在同一工序内，进行等温热冲压整形。

在冲压整形开始时，板料可能与凹摸有多处接触。注意到胀形时非接触区是变形最大的区域，当改换为冲压整形时，冲头运动首先接触这些最大变形区的中间部位，这些接触区就停止了变形，此后剩余的非接触区拉伸变形并逐步与模具接触，直至完全贴膜。所以气胀成型转为冲压整形后，坯料最大变形区的位置发生了转移，从而使零件变形分布更为均匀。这一现象既降低了对坯料的成形性能要求，也为提高成形速度提供了又一个机会。

综上所述，本发明的成形工艺最多由三阶段组成：第一阶段为冲压预成形，第二阶段为超塑气胀成形，第三阶段为冲压整形。设总成形时间为T，各阶段所用时间分别为T₁，T₂，T₃，则T＝T₁+T₂+T₃。三阶段的分界与材料性能和零件形状有关，应该用工艺数值模拟方法选择确定。

设计工艺补充面是模具曲面设计的重要组成部分，设计不同的工艺补充面为零件成形板料所承受的最大变形量及其发生位置不同，本发明通过板料成形工艺数值模拟的方法优化工艺补充面设计，使其最大变形量尽可能小，位置尽可能出现在工艺补充面上。这个优化设计的工作目的在于最大限度地降低成形工艺对板料成型性能的要求，为使用商业铝合金板材作坯料奠定基础。

为了尽量提高成形速度，需要尽量提高冲压成形的上模运动速度、优化气胀成形压力时间曲线以获得尽可能低的超塑胀形时间。在本发明中这些工作都要使用板料成形数值模拟方法，并依据具体的材料性能参数。

本发明采用气胀成形和冲压复合工艺，如果1、3阶段采用冷冲压，其工艺模具压力及同普通冷冲压工艺，阶段2所需要的模具、辅具、压力机与普通的超塑气胀成形工具相同，它需要一个凹模、一个带压边密封气体的上加热板、周圈加热装置、温度控制系统和气体加压系统。如果采用热冲压方法，并将1、2、3阶段合并为一个工序完成，模具结构设计变得比较复杂。需要考虑冲头导向与加热保温、气压密封、更换模具方法(如果1、3阶段使用不同冲头)以及它们对总成形时间的影响。用压边圈垫块控制阶段1的压下量h₁，设凸模高度为h₀，则垫块高度h＝h₀-h₁。

本发明各阶段都是在等温条件下进行，具体温度根据所选铝合金材料的延伸率-温度曲线选择，一般情况下，温度越低，延伸率越小，多数铝合金的成形温度范围在400℃-520℃之间。在为最大变形量留有一定安全系数的条件下尽量选择较低的成形温度，以减少工艺成本和方便操作。这个选择是与成形速度的确定相关联的。

采用上述装置组成的系统，将冲头和凹模加热，达到成形温度后，将要铝合金板材放在凹模上。用厚度适当的压边圈压住坯料，调整压边力后，将上加热系统连同冲头一起运动，冲压坯料使其变形，当冲头达到预定位置时，冲头与压边圈接触后停止运动，压边圈发挥了限位垫块的功能，它的厚度决定了冲头与凹模的相对距离。冲头与压边圈垫块之间有多个弹簧，冲头运动使弹簧受压，引起压边力不断增加。压边圈垫块下面有一圈梯形凸台，用于冲压预成形时，能使压边圈垫块压紧板料，形成超塑胀形所需要的由板料和凹模组成的密封空间。此后开始超速气压胀形阶段，从冲头的进气孔通入气体，铝合金板材在气体压力下逐渐变形，如果没有3阶段，则最终与凹模贴合，短时保压后，取出零件，成形结束。如果有第三阶段，并且3阶段冲头与1阶段冲头相同，则胀形结束后，撤下冲头垫块，继续冲头合模运动，直到完全合模，短时保压，取出零件，成形结束。如果1，3两阶段的冲头形状不同，高温下更换冲头需要花费很长时间，应该避免这种情况。对于必须换冲头的情况，本发明的第3阶段使用冷冲压工艺整形。

为了流通板料背面的空气，在板料另一侧的凹模具设置出气管道，凹模型面凹坑处设置了多个通孔，通孔与出气管道相连，它们的作用是气胀成形时排除板料背面的空气，减小贴模阻力；当成形结束后，该出气管也可作为进气管，吹进气体便于工件脱模。另外该出气管也可作为进气管，在胀形进行时吹进适当压力气体进行背压成形，以改进板材的成形性提高成形速度。

为保证热冲压预成形时，冲头通过压边圈对板料的压边力逐渐增大，压边圈上表面有多个盲孔，每个盲孔内各放置一个弹簧，冲压预成形时，随着冲头的运动，弹簧压缩变形逐渐增大，压边圈对板料的压边力也就逐渐增大。当与成形结束时，压力达到最大值，形成了板料与凹模空间的密封。最大压边力为F＝α*σ*A，系数a＝1.0-2.0，A为压边圈与板料的接触面积，σ为铝合金板材高温强度，对于5000系列铝合金，σ＝30MPa-100MPa，。设弹簧个数为N，弹簧刚度为K，，冲头最大压下量为h₁，则N＝F/(Kh₁)。

附图说明  下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

图1是本发明的铝合金汽车车身零件快速超塑成形简图。

图中，1.下水冷板  2.下加热板  3.凹模  4.外部加热装置  5.铝合金板材，6.上加热板  7.上水冷板，8.压边圈垫块，9.进气口，10.出气口，11.冲头。

图2冲头、凹模、板料、压边圈垫块、压边圈弹簧结构组合示意图。

具体实施方式

用一个5000系列的商业铝合金板材，成形一个汽车前翼子板。具体工作步骤如下：

1)获取具体铝合金板材的在不同温度不同应变速率下的高温应力-应变数据与延伸率数据，成形极限图。

2)根据待成形零件形状尺寸进行初步的模具型腔曲面设计和工艺参数(成形温度、胀形气体压力时间曲线)设计。

3)应用数值模拟技术优化模具型腔曲面以尽量降低局部应变，并尽可能优化让最大应变出现在不重要的部位。

4)应用数值模拟技术优化成形温度和压力时间曲线，以获取最低成本和最快的成形速度，并据此选择合适牌号的铝合金板材。获取最大的成形载荷。

5)需要预先制造和准备的硬件设施：耐热铸铁的模具，加热和控温装置，充气加压装置，具有足够吨位和工作台面的油压机。

6)图1所描述的成形装置简图：冲头11、凹模3，上水冷板7，下水冷板1，下加热板2、外部加热装置4，铝合金板材5，上加热板6，压边圈垫块8，冲头上的进气孔9，凹模上的出气孔10。

7)图2描述了冲头、凹模、板料、压边圈垫块、压边圈弹簧结构组合示意图。本例压边力约为20-100吨。

8)本例因零件底部比较平坦，无太小的圆角，因此只有热冲压和超塑胀形两个阶段，冲压预成形的冲头与零件最终形状不同。

9)成形操作过程：安装水冷与加热控温装置，冲头与凹模、连接气源与进气口，用三通阀将出气口分别与气源和空气连接。在冲头与凹模里面有多个测温点，加热冲头与模具，当所有测温点都达到所设置的温度后，抬起压力机，喷涂润滑剂，将板料放到凹模上，用压边圈压住板料。为了防止漏气在压边圈的分模面上有一圈梯形的凸台。保温2～3分钟后，压下冲头开始第1阶段。由于压边力初始数值不大，模具外的板料可能会滑入凹模内。冲压阶段结束时压边力达到最大值，上模具压紧压边圈，压边圈压紧板料，形成了板料凹模具空间密封，开始超塑气胀阶段。按预定压力时间曲线控制从进气口9进入的充压气体；此时出气口10与外界空气相连，板料背面的空气通过出气口10排入大气中。当板料完全贴膜以后，胀形压力达到最大值(约0.5-4MPa)，保压2-3分钟，胀形结束。为方便脱模，将出气口10与气源连接起来，通入少量低压气体，破坏板料与凹模表面的粘连，最后取出成形后的零件。总成形时间与零件形状有关，大约为5-15分钟。

Claims (10)

1.一种铝合金汽车车身零件快速超塑成形的工艺，其特征是：所述铝合金为普通商业铝合金板材，所述快速超塑成形工艺由3个阶段组成，第1阶段为热冲压预成形，第2阶段为超塑性气胀成形，第3阶段为冲压整形；所述第1阶段和第2个阶段在一道工序内，在等温条件下，用一套模具完成。所述第3阶段仅当零件圆角曲率半径太小时才是必需的，当1、3阶段使用不同冲头时则3阶段要单开一道工序用冷冲压整形，当1、3阶段使用相同冲头时则3阶段可2阶段在一道工序内进行等温热冲压整形。

2.按照权力要求1所述的快速超塑成形工艺，热冲压预成形，超塑气胀成形和热冲压整性的温度范围为400℃～520℃。

3.按照权力要求1所述的快速超塑成形工艺，超塑气胀成形需要一个适当的压力-时间曲线，其最大压力为约0.5-4MPa。

4.按照权力要求1所述的快速超塑成形工艺，需要使用板料热成形工艺数值模拟方法确定预成形冲头的压下量，确定的原则是零件不破裂，无明显褶皱，无明显局部反向凸起形状。

5.按照权力要求1所述的快速超塑成形工艺，需要用板料热成形工艺数值模拟方法确定热冲压预成形的上模速度和超塑气胀成形的压力-时间曲线；确定的原则是上模速度尽量高，气胀成形压力尽量大，零件各点最大变形处于该铝合金板材同等条件下成形极限图的安全区内。

6.按照权力要求1所述的快速超塑成形工艺，热冲压预成形和超塑气胀成形所使用的一套模具包括凹模、冲头和压边圈垫块，设冲头高度为h₀，冲压预成形阶段冲头压下量为h₁，则垫块高度h＝h₀-h₁。这使得冲压预成形结束时刚好密封了板料与凹模组成的空间，为后续超塑胀形准备了条件。

7.按照权力要求6所述的凹模，其型腔曲面应通过板料热冲压和超塑气胀成形数值模拟方法优化，优化目标是使零件最大等效应变值最小，并处于同等条件下板材成形极限图的安全区内。

8.按照权力要求6所述的凹模，其型面凹坑处设置了多个通孔，在板料另一侧的凹模内设置出气管道，通孔与出气管道相连，它们的作用是气胀成形时排除板料背面的空气，减小贴模阻力；成形结束后，该出气管改为进气管，吹进气体便于工件脱模；另外该出气管也可作为进气管，在胀形进行时吹进适当压力气体进行背压成形，以改善板材的成形性能。

9.按照权力要求6所述的压边圈垫块，其下面有一圈方形凸台，使得冲压预成形一结束压边圈垫块就能压紧板料，以保证超塑胀形的密封空间不漏气。

10.按照权力要求6所述的压边圈垫块，其上表面有多个盲孔，每个盲孔内放置一个弹簧，其作用是在热冲压预成形过程中形成随冲头运动逐渐增加的压边力。最大压边力F与铝合金高温强度σ、压边圈和板料接触面积A、弹簧个数N、弹簧刚度K、冲头最大压下量h₁的关系式为F＝ασA＝NKh₁，α＝1.0-2.0。

Images