基于电磁辅助成形的汽车覆盖件成形工艺研究

崔学习，万敏，吴向东，金铭，龙安林

（北京航空航天大学 机械工程及自动化学院，北京 100191）

随着汽车工业向轻量化方向快速发展，采用轻质合金材料（主要是铝合金）是实现汽车零件轻量化的有效途径[1—2]。铝合金材料在普通加工工艺（冲压、拉深等）中表现出明显的流动性差、回弹量大、贴模度低等问题，给汽车覆盖件的生产带来了巨大的挑战。传统工艺与新兴的电磁成形技术相结合为复杂汽车覆盖件的制造开创了新的思路——电磁辅助成形。电磁成形技术是一种利用脉冲磁场产生洛伦兹力，并将其施加到具有较高电导率工件上，使其快速变形的工艺[3]，被称为电磁脉冲成形。电磁成形作为一种高能率金属塑性加工技术，具有能提高难成形金属的成形性能、减小零件起皱和回弹的优点[4]，并且成形过程绿色环保、无污染[5]，因此该成形技术为铝合金材料的成形提供了良好的工艺方法[6—10]。

电磁辅助成形工艺是电磁成形工艺的发展和延伸。与普通电磁成形不同，电磁辅助成形结合了其他传统加工方法，在成形过程中将电磁成形作为主要或次要加工方法，除了具有通用电磁成形工艺的优点外，还具有生产效率高、可扩展性强及灵活度高等特点[11]。早在21 世纪初，Vohnout 等[12]利用埋设在模具内线圈产生的电磁力对难成形部位进行校形，最终以通用雪佛兰Cavalier 车型AA6111-T4 铝合金门内板成形件满足成品要求的方式验证了电磁辅助成形的可靠有效性。随后，Shang 和Daehn[13]将线圈嵌入到拉深凸模中，仅使用单一凸模及压边设备，经电磁成形多次低输出能量结合传统拉深过程，大大提高了材料的拉深极限。Woodward 等[14]结合轧辊成形和电磁成形两种加工工艺的复合加工方法，完成了“L 形”截面并具有加强筋特征的长条板件。该加工过程首先对轧辊成形出的“L 形”截面半成品零件进行局部电磁击打，而后成形出半成品零件一侧的筋、肋特征，该特征能起到强化材料和增强其抗弯能力的作用，因而该方法被认为是复合了电磁成形与辊弯成形的一种电磁辅助成形工艺[15]。Cui 等[16]提出了一种新的径向电磁压力增量式电磁辅助冲压工艺，该方法用于圆柱形深冲压，与传统冲压工艺相比，连续3 个线圈放电后的成形深度可增加31%。刘大海[17]研究了5052 铝合金板材在电磁脉冲辅助冲压成形过程中的变形机理研究。从微观角度研究了动态变形和准静态变形机理，指出了塑性变形的微观机制均为位错滑移机制，表明了低输入能量的多次电磁成形可抑制成形过程中惯性力产生，从而有效减小了零件回弹量，改善了零件圆角、倒角位置材料的应力分布。

文中采用一种可复用的薄层电磁线圈，结合成形试验系统进行电磁辅助成形，通过有限元仿真与试验验证相结合的方式，确定试验最佳工艺参数组合，总结适用于成形复杂曲面板料的工艺流程，为汽车铝合金覆盖件的高效、批量生产提供有效方法。

1 试验

1.1 材料

文中针对广泛应用于汽车及航空航天领域的铝合金2524-T3 材料进行汽车覆盖件的仿真和成形工艺研究，该材料的化学成分如表1 所示。该材料室温下的力学性能参考文献[18]，其详细参数如下：密度为2.78×10-6kg/mm3，弹性模量为73 100 MPa，泊松比为0.33，屈服强度为345 MPa，抗拉强度为483 MPa，伸长率为18%，电阻率为5.82×10-8Ω·m。

表1 AA2524-T3 化学成分（质量分数）[7]Tab.1 The chemical composition limits of 2524-T3 aluminum alloy (mass fraction) %

1.2 工艺参数

文中针对铝合金汽车覆盖件进行仿真和成形工艺试验研究。图1 展示了汽车覆盖件的模具特征，为得到最佳的成形工艺参数，将该覆盖件标记为试验件和目标件。首先对形状简单的试验件进行正交试验及仿真分析，获得最佳工艺参数；最后基于最佳工艺参数组合对目标件进行成形试验。试验件为中心150 mm×150 mm 的区域，如图1b 所示，目标件为覆盖件的对称区域，其大小为600 mm×150 mm。

图1 汽车铝合金覆盖件模具Fig.1 The die of automobile aluminum alloy

对试验件的成形工艺参数详细研究过程参见文献[18]，该文献通过成形工艺分析，确定了电压峰值、线圈厚度、线圈层数及放电击打次数等主要影响因素，选取试验件进行正交试验，最终得到了影响成形结果的各工艺参数优先顺序及最佳工艺参数组合，并指出对于成形R1曲率半径，线圈厚度×线圈层数交叉作用效果最为明显；而成形R2曲率半径时，峰值电压×线圈层数交叉作用效果最佳。文中基于文献[18]确定了成形试验件的电压和线圈层数工艺参数，进一步研究成形汽车覆盖件的电流放电次数和线圈工位最佳工艺参数。

1.3 方法

根据覆盖件的成形工艺分析，将成形工艺分为两个工序：冲压预成形工序和电磁辅助终成形工序。冲压预成形工序将板料与线圈置于模具内指定位置后，进行合模冲压，为终成形过程做准备。电磁辅助终成形工序是将预成形的板料和线圈固定并封闭于模具之间，通过高压绝缘线将线圈接入电磁成形电气系统，最终形成闭环电路。在保证试验环境高度绝缘和各夹具紧密配合的条件下，执行充、放电过程完成电磁辅助终成形。试验工装及电磁辅助成形线圈如图2 所示。由于目标件为对称细长形零件，故选取其对称部分进行试验工艺研究，在进行电磁辅助终成形工序时采用4 个工步，依次进行成形如图1b 所示。试验所使用的可复用线圈如图2b 所示，该线圈为单层电导系数较高的黄铜薄板材，其厚度为0.5 mm，根据覆盖件的模具尺寸进一步设计了线圈外形尺寸。考虑到线圈需要连接电磁放电设备，将其端部设计为超出线圈底部50 mm；为使线圈尽可能覆盖到整个板料表面并保证相邻换向部位在成形过程中不容易相互接触，故将线圈气隙宽度设计成5 mm。线圈整体采用激光切割工艺制造。为了避免线圈在较高电压（8 kV）环境下工作时被击穿出现短路情况，特在线圈表面缠绕厚度为0.125 mm 的聚酰亚胺高压绝缘层。制作单层线圈时仅包含单张金属铜薄板，文中使用到的3 层线圈是指将3 张单层线圈完全重叠并固定在相对应的工位进行放电。最后，所设计的线圈主要成形区域范围是150 mm×150 mm。

图2 电磁辅助成形系统及线圈Fig.2 Electromagnetic assisted forming system and coil

2 结果与分析

文中采用试验与有限元相结合的方法对汽车覆盖件的成形工艺进行研究，其中有限元的分析流程为：首先对输入模型进行初步的网格划分，使用HPERMESH 软件内置TCL 语言根据网格特征修改对应单元的节点编号，从而逐步完成网格信息的关联过程。然后进行电磁场和结构场的单向耦合分析，分别使用ANSYS APDL 和ABAQUS 软件的宏指令进行编写、运算。最后，通过Windows 批处理指令，可将仿真过程程式化，仅通过修改程序指令便可实现成形工艺的参数化分析，详细说明参见文献[11]。

2.1 线圈模拟结果分析

对已确定的试验件（见图1b）进行试验与仿真，对于半径R1和R2处的成形工艺所需要的线圈和电压参数，文中采用文献[18]推荐的工艺参数：成形半径为R1时，选择峰值电压为8 kV，线圈层数为单层的成形参数，而在成形半径为R2时，选择峰值电压为8 kV，线圈层数为3 的成形参数。对单层线圈进行电磁场模拟，其结果如图3a 所示，电磁力在平行段数值较低但分布均匀，而在边缘的位置显示出较高的电磁力。仿真发现，脉冲电流在输入线圈后会产生“集边效应”，导致电磁力集中于线圈转角和边缘位置；线圈内电流方向经过转角位置后发生改变，导致流入和流出转角位置的电磁力方向相反。为充分利用该线圈电磁力的这种特性，设计了在每个工步中均设计2个工位进行放电击打，详细工位位置如图3b 所示。

图3 试验件电磁力分析及击打工位位置Fig.3 The electromagnetic force analysis and working position of the test piece

对于线圈层数的选择，文中依据文献[19]对线圈层数的研究成果确定线圈层数，该文献指出在使用5层线圈成形6 mm 厚板料时，超过第3 层的线圈出现了电磁力方向与成形方向相反的情况，而该现象会造成电磁力直接作用在相邻线圈而非作用于成形对象上，而容易导致线圈变形、损坏甚至失效。有限元模拟不同线圈的电磁力方向如图4 所示，在放电时第1层线圈获得的电磁力较大，第2 层和第3 层依次减小，从第4 层开始出现电磁力反向作用，故文中选择线圈的层数为1 和3 进行工艺参数优化。

图4 有限元仿真所得不同层数的电磁力方向[19]Fig.4 The distribution and change rule of magnetic force in each layer of a four-layer coil

2.2 目标件仿真结果分析

基于试验件的仿真和试验对比分析，获得了成形目标件的最佳工艺组合。在仿真计算前，还需对不同工步中的区域进行实际放电击打试验，以获取目标件成形时不同工位的电流-时间曲线，即8 组可供电磁场分析调用的电流数据。基于实测电流数据的模拟，不同工位的打击次数预测结果如表2 所示，各工步中不同工位的打击次数分别独立计数，例如工步1 中首先定位到工位1 位置放电击打22 次；然后调整位置到工位2，重新计数，放电击打34 次。不同工位的打击次数随工步1 至4 逐渐增大。

表2 有限元模拟放电击打次数Tab.2 The number of discharge hits for finite element simulation

采用上述最佳工艺组合，对目标件进行试验，试验后的目标件如图5 所示。目标件工步4 区域的曲面形状最为复杂，明显观察到区域中的“凸台”及“筋肋”特征，但由于这两个特征存在法兰连接过渡部位，且电磁力在板料最下端的较小，难以起到压料作用，导致了板料最下端出现了微小翘曲现象。

图5 基于电磁辅助成形工艺的目标件成形结果Fig.5 The forming result of target part based on electromagnetic assisted forming process

使用三维扫描仪对目标件的成形结果进行三维扫描及几何重构，如图6 所示，通过数据云图的方式展现了试验结果和目标形状的尺寸误差。从整体来看，基于电磁辅助成形的试验结果误差较小且均匀分布在两圆角特征附近。由图6b 可知，成形出R1曲率半径特征误差较小，误差基本为0，可认为与理论尺寸几乎重合；同时R2曲率半径特征绝大部分误差为0，最大误差才达到0.8 mm，处于可接受的误差范围。此外，覆盖件底部的误差均匀且表现为0～0.7 mm，也处于可接受的误差范围。值得注意的是，覆盖件最复杂的第4 工步中区域的“凸台”特征中下部误差为0～0.5 mm，说明该特征已基本成形。但是，由于“凸台”和“筋肋”特征连通，造成了成形“凸台”上部位置所需电磁力数值要求更高，因而该部分成形误差相对较大，最大误差达到1～1.47 mm，且表现了数值相反误差，说明存在局部扭曲现象，该区域的工艺参数有待进一步优化。由于对试验后的目标件采用了三维扫描逆向重构建模技术，所获得重构件可以认为是真实变形后的零件，与之对比的是从模具型腔内提取出的型面，两者之间的绝对误差即为相对误差。

图6 目标件的三维几何重构及误差云图Fig.6 Three-dimensional geometric reconstruction of target part and error nephogram

3 结语

针对电磁辅助成形工艺，制定了线圈、工装和正交试验设计及有限元单向耦合仿真模拟成形过程的研究方案。基于试验结果和仿真的对比、分析，验证了使用成本低、可快速制造和替换的可复用薄层线圈进行电磁辅助成形加工的可行性，并得到如下结论。

1）通过试验与有限元仿真分析验证了电磁辅助成形的可行性，同时提出了采用单层可复用线圈进行电磁辅助成形的方法，为大型复杂零件的局部特征成形提供了新的思路。

2）通过有限元仿真确定了基于电磁辅助成形铝合金覆盖件的最佳成形工艺参数。基于试验与仿真结果分析，不同圆角特征的成形过程应采用不同的工艺参数组合：即成形R1采用峰值电压为8 kV 的单层0.5 mm 线圈的成形参数，4 个工步中工位1 的放电次数依次为22，28，36，44；成形R2采用峰值电压为8 kV 的3 层0.5 mm 线圈的成形参数，4 个工步中工位2 的放电次数依次为34，42，46，58。

该方法目前还处于探索的初期阶段，未来有望从以下方面进一步改进：提高线圈在电磁辅助成形中的加工效率；拟合试验电流数据，减少试验次数；改善试验环境以提高成形系统能量利用率等。