文／姬偉·山西吉利汽車部件有限公司

新能源汽車市場滲透率在快速上揚，新能源有別于傳統(tǒng)燃油車的三大件，整車輕量化是必然趨勢。目前新材料(如碳纖維)和內(nèi)高壓件等已逐步應(yīng)用到車身結(jié)構(gòu)上，鋁合金零件的應(yīng)用更是成為當前中高檔車的選擇。在同等條件下，如機蓋總成的重量，鋁相對于鋼減重在60%以上，且防腐的性能優(yōu)于傳統(tǒng)的鋼件，本文將從鋁材料、鋁板的工藝設(shè)計、生產(chǎn)維護等方面開展研究。

當前世界各國面對環(huán)境的變化，都在努力積極地應(yīng)對“碳達峰、碳中和”的目標。新能源汽車的發(fā)展將秉承人們對環(huán)保、極致體驗的電動化、網(wǎng)聯(lián)化、智能化、共享化的“新四化”汽車的追求。鋁板因特殊的材質(zhì)屬性，具有重量輕、抗腐蝕的優(yōu)點。鋁板較鋼板的抗腐蝕能力強，針對整車的防腐來說，不需要像鋼板一樣做預磷化或鍍鋅的處理。鋁板也存在一些缺點：如鋁板的材料成本偏高，因其硬度較低更容易被劃傷和擦傷，鋁板磕碰后不易修復，焊接性能較差等。根據(jù)金屬鋁的合金元素、加工工藝的特性，可基本將鋁分為變形鋁合金、鑄造鋁合金兩大類。新能源汽車中使用的汽車板則采用的是變形鋁合金，如非熱處理的5000 系、熱處理后的6000 系鋁板，合金元素主要為鎂、硅等元素，這兩大類系列的鋁板具備良好的抗拉強度、抗腐蝕性，同時具備更好的抗氧化能力。

鋁板材料性能特點

性能參數(shù)

與鋼板相比，鋁板成形較為困難。鋼板的密度為7.85g/cm3，鋁板的密度為2.7g/cm3，密度比為3:1。鋁合金板材在成形的過程中，因其材料彈性系數(shù)較高，回彈量高，導致零部件彈性變形較難控制，通常其回彈量為鋼板的3 倍，板件精度很難控制。以某車型為例，其機蓋中外板件采用了6016-T4P 型號鋁板、內(nèi)板則采用了5182-0 型號鋁板。鋁板性能參數(shù)見表1。

表1 鋁板性能參數(shù)表

性能特點

⑴鋁板屈服強度：屈服強度是鋁板成形最好的評定參數(shù)，鋁板的屈服強度低，從成形開始就發(fā)生塑性變形。一般的鋼板屈服強度在210MPa 左右，鋁板屈服強度約為130 ～165MPa，根據(jù)材料特性的分析，提高n 值可以改善鋼板的成形性，但是無法對鋁板的成形性進行改善。

⑵鋁板的延展性：延展性是指在材料未開裂的前提下，材料在線性方向上的長度發(fā)生的變化。通常鋼板的伸長率約在40%，但是鋁僅僅為25%，延長的差異在15%～20%，應(yīng)變應(yīng)力對比如圖1 所示。鋁板因伸長率較鋼板小，鋼的伸長率通常約為40%，鋁僅約為25%，故變形量比鋼板小。在沖壓工藝的分析和實際生產(chǎn)過程中，其成形的R 角和拔模的角度比鋼筆類零部件更為苛刻，在整車造型階段需要考慮產(chǎn)品的型面復雜程度，但不宜過于復雜。CAE 通常變薄率不要超過20%，但是結(jié)合生產(chǎn)實際情況，GCA試驗極限約為15%，在生產(chǎn)的過程中還要涂拉延油。

圖1 鋼板與鋁合金板應(yīng)變應(yīng)力對比

鋁板工藝設(shè)計

鋁板在工藝設(shè)計時首先要避免二次成形，因為無法控制二次成形帶來的彈性應(yīng)變，盡量保證拉深直接一次到位。鋁合金成形過程中，較小的R 角容易開裂。目前通常的對策是，最小R 角應(yīng)滿足R/t ＞5 的要求，產(chǎn)品型面設(shè)計時R 角大于10mm，避免造成成形開裂等問題。

鋁板拉深過程中通常的開裂處發(fā)生在拉延筋條附近，模面設(shè)計時要規(guī)避出現(xiàn)尖銳的圓角，同時盡量考慮設(shè)置單道筋條，在CAE 階段明確鋁板的變薄率須控制在17%以內(nèi)。

CAD 面的設(shè)計應(yīng)確保拉延筋完全貼合，保證后續(xù)鉗工研配，避免拉延筋不光順而刮傷鋁板，同時規(guī)避鋁屑堆積在凹R 槽內(nèi)。為保證不因為模具預變形造成零部件質(zhì)量問題的產(chǎn)生，上模工藝面應(yīng)按照標準進行避空，通常確保在100mm 以上，遇到特殊情況盡量選擇零件的特征線條進行規(guī)避，同時應(yīng)采用過渡R角。在工藝補充面的設(shè)計上，要低于產(chǎn)品的延伸面，這樣可降低產(chǎn)品的回彈，設(shè)計不當?shù)膲哼吶π兔鏁斐珊夏r板料起皺，直接影響其表面品質(zhì)。同時，工藝補充面延伸零件的形狀要避免采用雙曲面和球面的造型。另外，最重要的是應(yīng)避免將產(chǎn)品的部分設(shè)計在壓邊圈型面上。

模具結(jié)構(gòu)設(shè)計

拉延模具

對于外板零件來說，拉延工序的模具型面不接受補焊的方式，其會影響外觀件的AUDIT 分值，目前對于拉延工序型面的調(diào)整，普遍采用的方式是通過降低加工拉延工序模具的型面進行逐步的調(diào)整，模具在投鑄之前將上下模芯的厚度預設(shè)為80 ～100mm(圖2)，后期若需要調(diào)整，利用墊板對整體模具的高度進行調(diào)整即可。

圖2 拉延模結(jié)構(gòu)圖

另外，由于鋁板自重較輕，沖壓生產(chǎn)SPM ≥8 時，更容易被吸附到上模腔體中。最簡單的解決方法就是在沖壓生產(chǎn)時將模具腔體內(nèi)的空氣全部排出，在模具結(jié)構(gòu)設(shè)計時需要考慮模具的整體排氣孔的貫通，同時下模模具凸模與壓邊圈的間隙需在3mm 以上，必要時考慮在上模合適的位置增加ST+10mm 以上的頂出銷以利于零件脫出。

切邊模具

生產(chǎn)時的碎屑將導致效率緩慢，同時零部件也容易造成開裂、劃傷等問題。在結(jié)構(gòu)設(shè)計時需要特別注意以下幾點：①切刀刃口的刃入量通常為t ＋(2 ～3)mm；②因為自重較小，所以切刀的間隙按板厚8%～11%進行設(shè)計；③上模刀口不做波浪刀的結(jié)構(gòu)形式，要做成階梯刃口或者平刃口，同時刃口要做C0.2mm 倒角處理；④標準沖頭需要采用帶彈頂銷的結(jié)構(gòu)形式，另外較大的工藝孔需要在切刀的四角增加彈頂銷。

切刀材質(zhì)的選擇上與傳統(tǒng)的HMD5＋火焰淬火不一樣，當前鋁合金的切刀在業(yè)內(nèi)使用較多的是美國芬可樂S7 模具鋼，其為鉻鉬合金具有高耐沖擊和高韌性，并且具有易加工、易熱處理的特性。針對切邊在實際過程中造成的鋁屑問題，切刀位置的排布也較為重要，目前廣泛采用二次切斷和分次切斷的工藝(圖3)，特殊位置采用浮動刀進行切斷。切邊間隙通常來說按t×(5%～7%)，對于外板來說間隙先設(shè)定為0，然后在試模的過程中將過緊的點去掉，保證間隙在0.05 ～0.07mm 之間，刀口的間隙直接影響毛刺和碎屑的產(chǎn)生。

圖3 切邊模具二次切斷示意圖

翻邊整形模具

因鋁板反彈量比鋼板大很多，為減少鋁板的反彈，除了在CAE 階段做好反彈的效果外，還需要通過壓料板、翻邊刀位置的變更來對成形的R 角進行強壓，降低板件成形后的反彈。翻邊整形模具示意圖見圖4。

圖4 翻邊整形模具示意圖

鋁板包邊

在鋁板包邊過程中，需釋放R 角處的應(yīng)力。其彎曲性能較差，因此在包邊時容易產(chǎn)生裂紋，包邊不可設(shè)計為平角，通常采用水滴狀的結(jié)構(gòu)形式，整體高度為3.3t。折邊模具示意圖見圖5。

圖5 折邊模具示意圖

鋁板的生產(chǎn)管理

鋁板時效的管理

鋁板材料有效期與鋼板存在明顯差異點，以6000 系鋁板為例，鋁板退火熱處理完成后的屈服強度約為130MPa，放置3 個月后的屈服強度約增加20MPa 至150MPa，放置6 個月后屈服強度約在165MPa以上。根據(jù)生產(chǎn)實際，以6000系的材料為例，退火熱處理完成后超過6 個月，會因為過硬以至于無法成形，生產(chǎn)過程中板材容易出現(xiàn)開裂的情況，將造成公司成本的損失。

鋁合金生產(chǎn)線體的差異

很多主機廠為鋼鋁混線生產(chǎn)，鋁板為無磁材料，鋼板的拆垛是通過磁場效應(yīng)進行分張，但對鋁板無效。目前較為常見的鋁板拆垛是使用“氣刀”，如圖6 所示，其原理是利用吹入壓縮空氣將板料分離，然后通過端拾器吸走。隨著生產(chǎn)節(jié)拍提升的要求，目前很多同行也逐步開始采用預分張氣刀來提升效率。氣刀工作圖見圖7。

圖6 氣刀工作原理圖

圖7 氣刀工作圖

生產(chǎn)中的鋁屑處理方式

對于外板或者內(nèi)板外露面來說，碎屑是鋁板沖壓生產(chǎn)切邊過程中的最大困擾。目前在生產(chǎn)中可以通過在切刀的刃口涂抹機械黃油的方式，對生產(chǎn)中的碎屑進行粘附；另外在后工序增加吹氣的裝置(圖8)，通過真空設(shè)備進行碎屑的吸附工作。

圖8 PAD 增加吹氣管

鋁板模具的維護保養(yǎng)

鋁板模具維保與鋼板模具存在一定的差異。尤其外板類的模具，在每批次生產(chǎn)均需要對模具進行表面的維護，同時2 ～3 批次后進行深度的維護保養(yǎng)，需要將模具所有的鑲塊拆除，對模具整體進行清洗，深度維保時間較鋼板模具增加約3 倍以上，同時每間隔約2000 沖次對模具的成形R 角要全部進行一次拋光處理。

對于模具實際生產(chǎn)情況來說：①拉延模在每次生產(chǎn)完畢后由模具鉗工對生產(chǎn)的型面、拉延筋條的成形R 角部位進行重點的檢查，確認是否有拉傷的情況發(fā)生。另外，要結(jié)合CGA(網(wǎng)格試驗)分析數(shù)據(jù)，對拉延模具中應(yīng)變的集中范圍或區(qū)域進行專項檢查和修復。②對于切邊模，在每次生產(chǎn)完畢后要對整個模具進行清洗作業(yè)，去除模具表面的雜質(zhì)和鋁碎屑，同時對上下刃口進行全面的檢查，包括檢查刃口是否有卷邊、發(fā)黑和裂紋等，如果存在問題要對刃口進行及時修復和拋光。③對于翻邊整形模具，維保步驟與切邊模具基本一致，重點關(guān)注翻邊和整形刀塊的磨損情況，其表面PVD 處理或鍍鉻的情況需要重點監(jiān)控。

外觀件鋁板的質(zhì)量判斷工具

因為鋁板質(zhì)地較軟，單純采用鋼板的油石很容易造成鋁板件表面出現(xiàn)劃傷，在白車身經(jīng)過涂裝電泳后較為明顯且目視可以看到。目前業(yè)內(nèi)對于鋁板的質(zhì)量檢驗多采用膠木型的油石，可以避免檢驗過程中的劃傷。

結(jié)束語

當前輕量化車身需要應(yīng)用更多鋁合金材質(zhì)的沖壓件，本文對鋁板的特性、設(shè)計、生產(chǎn)、制造、開發(fā)等各環(huán)節(jié)進行研究論證，對鋁板材應(yīng)用提出了時效性、成形性、表面處理特性、抗凹性等性能的要求，未來我們將致力于使這些相互矛盾的特性達到合理的匹配，同時賦予板材合理的性價比，讓更好的材料能夠應(yīng)用到新車型開發(fā)上。