王濟澤

（一汽模具制造有限公司，吉林長春130000）

1 引言

近年來鋁合金憑借其相對簡單的工藝、豐富的材料來源以及較低的成本，在市場上具有廣泛的用前景。各大汽車廠商都十分注重汽車輕量化，而鋁合金憑借其高強度、可循環(huán)性、耐腐蝕、密度低等優(yōu)質(zhì)性能成為汽車減重首選材料，甚至有整車鋁合金比例達到75%。隨著主機廠對其需求的增加，沖壓模具廠商對鋁合金的生產(chǎn)技術(shù)也逐步提高，本文主要闡述對鋁合金結(jié)構(gòu)件在沖壓工藝設(shè)計階段產(chǎn)生的問題及解決辦法。

2 汽車應(yīng)用鋁合金簡介

目前汽車廠商常用的兩類鋁合金材料分別是5000系和6000系，其中5000系主要合金元素為鎂，含量為3%～5%，特點為抗拉強度高，疲勞強度好，但不可做熱處理強化，故適用于內(nèi)板件及結(jié)構(gòu)件；6000系主要合金元素為鎂和硅，適用于對抗腐蝕性、氧化性要求高的制件，并且容易涂層，故適用于外板件。

（1）鋁合金的優(yōu)點：①具有良好的成形性能，適用于沖壓加工；②具有良好的焊接性能；③具有良好的耐腐蝕性；④密度約為鋼板料的1/3；⑤具有良好的表面質(zhì)量。

（2）鋁合金的缺點：①鋁合金難以長時間儲存，板料約出廠半年后其機械性能降低，成形性能變差；②彈性模量是鋼板料的1/3，即回彈量約是鋼板的3倍；③鋁合金偏軟，在修邊、切削時非常容易產(chǎn)生料屑。

3 沖壓工藝設(shè)計

內(nèi)板件的沖壓工藝設(shè)計，一定要基于制件的材料及料厚，不同種類的材料其力學性能完全不同，應(yīng)當采用不同的工藝方案。對于鋁合金制件來說，控制回彈是整個工藝設(shè)計的重點。本次工藝采用左右兩件拼接方式，不僅提高了材料利用率，更可以提高生產(chǎn)效率，降低成本。

3.1 工藝方案規(guī)劃

鋁合金模具和鋼板料模具并沒有本質(zhì)的區(qū)別，其模具結(jié)構(gòu)大體相同，最大區(qū)別還是在于回彈控制，因為鋁合金的回彈量約是鋼的3倍左右。使用沖壓工藝手段而不是回彈補償來減弱回彈趨勢，是生產(chǎn)符合標準的鋁合金制件的關(guān)鍵。

為了避免修邊時產(chǎn)生過多的料屑劃傷制件，盡量不采用廢料刀形式，故前后工序要錯開修邊，同時也不應(yīng)該使用高低刃口，以免產(chǎn)生先切入現(xiàn)象。

因鋁合金制件回彈量較大，且整體韌性不如鋼板料，所以在考慮全序工藝時，后工序盡量不要產(chǎn)生有形變的整形，即整體制件拉伸到位?？梢栽诤蠊ば?qū)Υ罱用嫣幉扇o量整形策略，有利于控制回彈。考慮到本制件并無復(fù)雜負角或翻邊，即應(yīng)采用后工序和拉伸沖壓方向統(tǒng)一方案。

拉伸工序沖壓方向的確定考慮因素：

（1）整體型面不能有負角。

（2）拉伸凸模與板料開始接觸時的面積要大，開始拉伸時凸模與拉伸毛坯的接觸地方盡量要多、要分散，有兩個和兩個以上的接觸地方，最好要同時接觸。若不同時接觸，凸模在拉伸過程中拉伸毛坯就有可能經(jīng)凸模頂部竄動。

（3）沖壓方向與壓料面關(guān)系密切，合理的沖壓方向與壓料面造型才能保證壓料面各部位進料阻力均勻、拉伸深度均勻，才能保證壓料面各部位進料阻力均勻。

（4）由于鋁合金板料強度低，流動性差，過小的圓角會使板料產(chǎn)生破裂和縮頸，需使拉伸凹模口R角不能小于R12mm，凸模R不能小于R8mm。

圖1 所示左右件拼接即滿足工藝需求，同時又充分利用板料，提高了材料利用率。

圖1 拼接示意圖

3.2 拉伸工序設(shè)計

3.2.1 工藝補充

制件整體造型如圖2a正視圖所示，左右兩側(cè)偏高，中間凹陷，俗稱“馬鞍形”，兩側(cè)為缺料，中間為多料趨勢。對于鋁合金板料的方案是，盡量多做余肉，將中間拉伸開，但是需保證高點不破裂。

（1）在做工藝補充時，要在中間處前后增加余肉，減緩起皺趨勢。但由正、側(cè)視圖可見，圈內(nèi)為制件制件最高點，做余肉時一定調(diào)整好高度，防止最高點破裂。

（2）圖2a中A處為制件最低點，注意補充扎入壓料面時要平緩，并且與壓料面倒角的內(nèi)凹?？谝M量光順。同時為保證整體凸模輪廓線光順，將圖2c改造為直邊余肉。

（3）如圖2c中B處圈內(nèi)，此處涉及后工序刃口強度，也是兩件最小距離，保證20mm即可。

圖2 制件整體造型

3.2.2 壓料面

圖3 為正視圖制件輪廓，壓料面按常規(guī)方鋼板料式設(shè)計即可。

圖3 壓料面示意圖

3.2.3 拉伸筋

為了提升板料的剛度，減少回彈量，可通過增大拉伸筋系數(shù)，使進料阻力增加，這樣板料可以充分拉伸。本制件拉伸筋采用方筋形式，拉伸筋寬12mm，高6mm，且壓料面凸R和上凹模凸R不宜過小，應(yīng)控制在R6mm或以上，如圖4所示。

圖4 拉伸筋示意圖

3.3 修邊工序設(shè)計

3.3.1 修邊要點

對于鋁合金來說，沖裁時更容易產(chǎn)生料屑，使制件表面質(zhì)量降低，對批量生產(chǎn)造成不必要的麻煩。因此在設(shè)計修邊工序時，要注意以下幾點：

（1）要保證前后工序接刀合理，不要使用廢料刀，因為廢料刀在工作時會有一小段是撕裂板料過程，此時會產(chǎn)生大量的料屑。

（2）如圖5a所示，垂直修邊時板料和刃口的夾角盡量保持在10°以內(nèi)，最大不能超過12°，若超差可采用局部改造，如圖5b所示，不符合要求時要采用斜楔修邊。

（3）要合理分布修邊工序，避免在同一工序內(nèi)直修和斜修接刀。

圖5 修邊線修改

3.3.2 修邊設(shè)計

對于本制件，兩工序修邊如圖6a所示。其主要設(shè)計特點如下：

（1）制件形狀導致大部分修邊采用斜楔方式，設(shè)計斜楔角度時主要考慮沖孔角度，盡量在同一個斜楔上完成更多的工作內(nèi)容。

（2）在斜修拉伸筋處，可做如圖6b所示斜坡以避免負角或修邊角度過大產(chǎn)生料屑。

（3）前后工序接刀盡量挑選平緩位置。

3.4 整形工序設(shè)計

盡管本制件采用拉伸到位方式，但是為了控制匹配面的回彈，有必要增加整形工序（見圖7）。設(shè)計整形時，需考慮壓料板強度。

圖6 斜修及拉伸筋設(shè)計

圖7 整形工序

4 CAE全序分析及回彈補償

CAE分析是驗證本制件沖壓工藝設(shè)計是否合理的關(guān)鍵步驟，也是改善拉伸型面的依據(jù)。本次應(yīng)用軟件為AutoForm。

4.1 CAE分析

4.1.1 成形性分析

制件本身造型決定的缺陷，工藝上俗稱“馬鞍型”即兩端高中間低的造型。增加外部約束即余肉可以減輕起皺成度，但會帶來高點的破裂問題成形性分析如圖8所示。

圖8 成形性分析

4.1.2拉伸筋阻力系數(shù)

經(jīng)過一系列驗證，得出上下筋阻力系數(shù)為0.325，左右兩側(cè)筋系數(shù)為0.121，此時高點剛好不破裂且起皺趨勢減緩。

4.1.3 各階段拉伸狀態(tài)

圖9 所示為兩側(cè)凸模高點最先接觸板料，隨后中間處高點接觸板料。圖示圈內(nèi)“馬鞍型”部分逐漸失去控制，前后兩側(cè)余肉在距到底20mm處時開始起作用，將有起皺趨勢的部分拉開。

圖9 各階段拉伸狀態(tài)

4.2 回彈分析及補償

4.2.1 回彈分析

各工序自由回彈情況（見圖10）：

（1）板料在拉伸過后呈現(xiàn)兩側(cè)高中間低趨勢，整體回彈分布對稱，無扭曲情況，最大正回彈量為3.017mm，最大負回彈量為2.082mm，回彈變化量為5.099mm。

（2）第一次修邊后有部分應(yīng)力釋放，但整體回彈趨勢并無變化。

（3）第二次修邊后應(yīng)力充分釋放，回彈趨勢有所變化，在控制之內(nèi)。此時最大正回彈量為0.86mm，最大負回彈量為0.779mm，回彈變化量為1.639mm。

圖10 各階段拉伸狀態(tài)

4.2.2 補償基準

為正確模擬制件裝車狀態(tài)，采用雙定位孔（灰點）及4點支撐（黑點）方案來確定補償基準狀態(tài)，如圖11所示。

圖11 各階段拉伸狀態(tài)

4.2.3 補償策略

因回彈區(qū)域比較分散，不便于整體補償，采用局部補償策略。在拉伸型面上分別對相應(yīng)區(qū)域按回彈量進行局部補償，兩工序修邊用拉伸型面，OP40整形時再回歸制件型面。

4.2.4 補償效果驗證

補償后效果明顯，最大回彈量不超過0.5mm，后期車間反饋良好，回彈趨勢得到良好控制，如圖12所示。

圖12 補償驗證

5 結(jié)論

鋁合金板料由于其特點被如今汽車廠商大量應(yīng)用，這給沖壓工藝、模具結(jié)構(gòu)、回彈補償設(shè)計師們帶來了新的挑戰(zhàn)，也同時推動著整個沖壓模具行業(yè)在創(chuàng)新的道路上穩(wěn)步前行。但其實鋁合金和鋼板料并無本質(zhì)上的差異，只要掌握鋁合金的特性，并針對其特性做特殊的處理，問題就會迎刃而解。