摘要：全球汽车产业正向着更加安全环保的方向发展，因此，在保证安全的情况下减轻车身质量成为各大汽车制造商实现节能减排的主要措施。铝合金因其密度小，比强度高，耐锈蚀等优点，成为汽车轻量化技术中替代钢板的首选。但铝合金室温成形性差、回弹较大，采用传统的钢板成形方法难以实现形状复杂车身覆盖件的精确成形。随着变形温度的升高，其塑性变形能力有很大的提高，变形抗力也下降，因此，考虑采用热冲压成形工艺来实现铝合金的成形。铝合金热冲压成形技术具有成形性好、零件成形精度高、生产效率高等优点。
关键词：铝合金热冲压成形；质量影响因素；
近年来，由于科技手段的不断进步，人们对铝镁钛等轻金属及其合金的认识越来越全面深入。轻合金所具有的各种特殊优异性能和发展潜力促使世界各国越来越重视对轻合金材料的研究开发与推广应用。铝合金作为较早被研究开发的轻合金之一，近几十年来发展迅速，已在交通、航空航天等重要领域有了广泛应用，其中交通运输工业已成为铝及铝材的第一大用户 。
一、概述
铝合金属Al-Mg-Si 系合金，可通过热处理提高其强度。因其拥有较高的比强度、较好的塑性、良好的抗腐蚀性、可焊接性，在汽车、铁路客车、航空航天等领域扮演着越来越重要的角色。本文铝合金作为研究对象，构思将经过固溶保温后的铝板快速转移到模具上热冲压成形，保压阶段利用模具内置的冷却水系统对成形后的构件快速淬火冷却，最后对其进行人工时效热处理强化，即固溶?热冲压成形?淬火保压?时效热处理成性工艺路线，已期实现汽车车身覆盖件等复杂曲面难变形构件高性能、高精度形性协同制造，解决汽车轻量化对高性能铝合金复杂钣金件的迫切需求。
二、铝合金热冲压成形质量影响因素
1.仿真模型的建立。目前，热冲压成形的典型车身零件主要包括：车门防撞梁、前后保险杠、B 柱等。可以发现：此类零件以U 型弯曲特征为主，并带有一些复杂的局部成形位置，如局部胀形。因此，本研究中以带凸包的U 型件为对象，建立有限元模型进行铝合金热冲压成形仿真分析，分析构件的几何特征，构件宽度远大于厚度，适合采用壳单元，采用单元对构件进行网格划分。由于该构件属于完全对称图形，为了减少计算量，截取1/4 几何模型建模进行网格划分。由于铝合金在高温下组织比较均匀，因此，可以采用弹塑性各向同性模型，其泊松比为0.33，弹性模量、比热容、导热率随温度的变化。在热冲压过程中，压强和间隙会影响模具与板料间的热传递系数，为了简化计算，仅考虑间隙对于热传递系数的影响。具体设置如下：在冲压成形阶段，距离小于或者等于1.5 mm 时，模具与板材之间的传热系数取值为0.7 kW/(m2·℃)，超过1.5 mm 时，则认为模具与板材之间无热传递；在保压阶段，模具与板材之间的传热系数取值为1.4 kW/(m2·℃)。在热冲压过程中，必须考虑温度变化所引起的影响。
2.结果与分析。以成形初始温度565 ℃、模具初始温度25 ℃、压边力2 kN、冲压速度40 mm/s、模具间隙为1.5 mm 和保压时间5 s 为例，厚度变化量是衡量冲压件质量的重要指标之一，减薄不超过30%或增厚不超过10%都认为是合格的。制件的最小厚度值为1.063 mm，得到最大减薄率为29.1%，即未发生破裂失效。由于制件为完全对称件，由展开距离可知：0~20 mm 为压边区，20~55 mm为上下圆角和直壁区，62~75 mm 为凸包区。其减薄最严重的区域出现在凸包区域。在凹模凸台未与板材接触前，板材的变形方式为弯曲变形。除了侧壁和圆角部位有所减薄，其他部位减薄不明显。随着冲压的进行，板材开始接触凹模上的凸台，此时该部位板材处于双向拉伸状态，且该部位板材的温度较高，材料的流动性更好。但是压边区的板材此时很难提供补给，此处减薄最严重，所以凸包位置的成形是制件是否失效的关键。
对于成形零件来说，当零件的回弹量超过一定范围就会成为成形缺陷，可见对零件的尺寸精度控制是很有必要的，因此需对制件的回弹情况进行分析。采用有限元模拟计算板料的回弹的方式主要包括无模法和有模法。移除模具后，板材法兰和侧壁位置均产生了回弹，且侧壁的回弹角大于法兰部位的回弹角。总体来讲：无论是侧壁还是法兰部位回弹角度都比较小，这也说明热冲压工艺对于控制工件回弹，从而保证成形精度方面有很大的优势。
3.初始成形温度对于制件成形质量的影响。初始成形温度是指板材刚与模具冲头接触时刻的温度。制件截面厚度分布和回弹角度随初始成形温度变化分别各温度下板料的最大减薄率均未超过减薄极限，且温度为465 ℃和565 ℃时，最大减薄率相差1.8%，且在不同板料初始成形温度下，其截面厚度分布规律也基本相同。这说明成形初始温度在465~565 ℃范围内变化时对于该制件厚度的影响不大。从图5 可以发现：随着板料初始成形温度的提高，回弹角度越来越小。这是因为板料初始成形温度越高，成形结束后板料的最低温度值越高。在整个变形过程中，金属的塑性流动更加容易，这使得板料塑性变形部分的比重增加，而弹性变形的比重减小，从而导致零件卸载后的回弹降低。考虑到实际过程中板材从电阻炉中转移到模具上存在温度损失，因此，在本工况下成形初始温度为515 ℃左右比较合适。
4.压边力对于制件成形质量的影响。压边力在热冲压成形中起着十分关键的作用，压边力存在的目的就是为了改善材料流动阻力。压边力过大，材料被压得太死，材料的流动变得困难，容易产生拉裂现象；压边力太小，对板材流动的抑制作用可能不充分，易产生起皱现象。成形初始温度565 ℃、模具初始温度25 ℃、冲压速度40 mm/s、模具间隙1.5 mm、保压时间5 s 这5 个工艺参数保持不变，随着压边力的增大，板料的最小厚度不断减小，最大减薄率超过30%，即凸台位置出现拉裂现象。这说明压边力对于制件侧壁的厚度影响较为明显。压边力增大，侧壁厚度显著下降。这是因为压边力的增大导致压边区的板材流动困难，因此侧壁厚度不断下降。在本研究的压边力范围内，随着压边力的增大，板料的回弹角不断减小。增大压边力使得板材塑性变形所占比例增加，弹性变形所占比例随之下降，所以回弹量减小。综上所述，压边力对于铝合金成形质量影响明显。结合成形件的最小厚度以及回弹量这两个指标，压边力选择3 kN 左右比较合适。
5.保压时间对于制件成形质量的影响。在热冲压成形工艺中，保压时间不仅决定成形的精度，还影响制件最终的力学性能，但其对于制件厚度的影响却不大。成形初始温度565 ℃、模具初始温度25 ℃、压边力2 kN、冲压速度40 mm/s、模具间隙1.5 mm 这5 个工艺参数保持不变，设定保压时间为3、5、7 s。保压时间对于保压结束时刻制件最高/低温度以及回弹的影响规律随着保压时间的增大，保压结束时刻板材的最高温度和最低温度均在下降，且下降的速度在随着保压时间的增大而不断减小。保压5 s后板材的最高温度已明显低于铝合金的淬火敏感温度区间的下限值230 ℃。随着保压时间的增加，法兰和侧壁的回弹角度均在减小。且回弹角度下降的速度随着保压时间的延长变得越来越缓慢。这说明增大保压时间能够减小回弹，但是无限延长保压时间对于提高制件成形精度的意义并不大。
本文建立了热冲压有限元分析模型，系统研究了板料初始温度、压边力、保压时间等工艺参数对热冲压制件成形质量的影响规律。铝合金的精确成形和高性能的协同，为铝合金车身覆盖件的形性协同制造提供了支撑。
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