鋁合金零件翻邊拉深復(fù)合成形工藝研究

文/韓來福，房文麗，郭秀江·內(nèi)蒙古一機(jī)集團(tuán)特種技術(shù)裝備有限公司

鋁合金零件翻邊拉深復(fù)合成形工藝研究

文/韓來福，房文麗，郭秀江·內(nèi)蒙古一機(jī)集團(tuán)特種技術(shù)裝備有限公司

韓來福，高級工程師，主要從事沖壓技術(shù)工作。主持完成的《車輛典型沖壓件成形技術(shù)研究》項(xiàng)目獲得一機(jī)集團(tuán)公司科技進(jìn)步二等獎，擁有8項(xiàng)專利，主管及參與的項(xiàng)目曾多次獲得過省部級科技進(jìn)步獎、優(yōu)秀成果獎。

沖壓成形工藝中，內(nèi)凹形翻邊與拉深復(fù)合成形，是屬于復(fù)雜曲面形狀的拉延成形。例如某零件材料為鋁板5A02-O，厚度為1.5mm，在試制生產(chǎn)時，不合格品率一直很高，廢品率高達(dá)50%，主要問題是零件在成形時易產(chǎn)生起皺與拉裂，如圖1所示。

圖1 產(chǎn)生起皺、裂口的零件

起皺與裂紋產(chǎn)生的原因及分析

材料對成形零件質(zhì)量的影響

表1所示為包含5A02-O在內(nèi)的三種材料的力學(xué)性能對比分析。從中可以看出，鋁合金3A21-Y1的成形塑性是最好的，但是強(qiáng)度較低，不符合設(shè)計(jì)的強(qiáng)度指標(biāo)要求；而鋁合金5A06-O成形塑性是最差的，但其強(qiáng)度指標(biāo)是最高的；鋁合金5A02-O的性能是處于前兩種材料之間的。在沖壓批量生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，以上三種材料，在不增加熱處理工序的情況下，材料5A02-O、5A06-O，產(chǎn)生裂紋裂口不能正常生產(chǎn)（圖1），而用材料3A21-Y1則能夠成形出合格零件。

表1 材料機(jī)械性能對照表

由于5A02-O是鋁鎂合金，常溫下塑性較差，故在沖壓成形工藝中，翻邊拉深較為復(fù)雜的零件時，在凸緣邊緣處易產(chǎn)生開裂，難度較大。也就是說，鋁合金材料5A02-O在不采取熱處理的情況下，其沖壓成形性能是很差的。

翻邊成形的工藝性分析

該零件在Ⅰ區(qū)的成形屬于內(nèi)凹形的外緣翻邊（圖1），其變形特點(diǎn)近似于內(nèi)孔翻邊，變形區(qū)主要為切向拉伸。經(jīng)計(jì)算，其內(nèi)凹形的外緣翻邊變形程度E凹為37，但是材料5A02-O的外緣翻邊允許極限變形程度為35，因E凹大于材料允許的極限變形程度，故該零件在成形翻邊時產(chǎn)生裂口。

在Ⅱ區(qū)的成形截面屬于半圓形拉深成形（圖1），其變形特點(diǎn)近似于半圓形截面沿投影90°直角的軌跡拉深成形的零件，在90°區(qū)域內(nèi)很容易產(chǎn)生聚料而失穩(wěn)起皺（圖1）。

壓邊力對拉延成形過程的影響

半圓形零件拉延成形時對凸緣的約束力存在一個最佳值。在拉延過程中，壓邊力的主要作用是用來增加坯料的拉應(yīng)力，控制材料的流動，避免起皺。壓邊力太小，板料拉延時會起皺；壓邊力太大，板料拉延時就會有被拉裂的危險。因此確定拉延工藝時，最佳的壓邊力是等于防止板料起皺的最小壓邊力。經(jīng)過試沖并批量生產(chǎn)，得到如表2所示的壓邊圈壓邊力對拉延過程的影響數(shù)據(jù)。

改進(jìn)措施

進(jìn)行退火熱處理

技術(shù)人員通過外出調(diào)研，對5A02-O材料的退火性能有了進(jìn)一步掌握，根據(jù)沖壓特性的要求，進(jìn)行完全退火，并注意以下具體事項(xiàng)：

⑴加熱速度。加熱速度與再結(jié)晶后的晶粒度成反比，故應(yīng)選擇鋁合金退火爐來保證加熱速度。

⑵加熱溫度、保溫時間。高溫短時加熱可獲得細(xì)小的晶粒，反之，保溫時間過長，由于晶粒的相互吞并而長大，形成聚合再結(jié)晶，會得到粗大的晶粒而影響性能。

經(jīng)過重新退火，伸長率由規(guī)定的18%提高到21%，并使板材整體伸長率均勻，增加了可沖性，使沖壓裂紋由90%降低到10%。

改進(jìn)模具氣墊板結(jié)構(gòu)

在模具壓邊圈上加工一個深度1.6mm 的壓邊槽（圖2），拉延前將零件毛坯放在壓邊槽內(nèi)（毛坯厚度為1.5mm）。根據(jù)板料在沖壓成形過程中“弱區(qū)先變形”的特點(diǎn)，在開始壓緊毛坯成形時，因零件凸緣區(qū)有0.1mm的間隙，可以控制調(diào)節(jié)壓邊力，達(dá)到先小后大的效果，使凸緣區(qū)外邊緣的材料先變形流動，從而可以減小凹模口部圓角半徑處的徑向拉應(yīng)力，從而達(dá)到既可以限制成形Ⅱ區(qū)域的起皺又可以減少成形Ⅰ區(qū)域裂紋的效果。圖3所示是改進(jìn)后成形出的零件。

圖2 壓邊槽結(jié)構(gòu)圖

圖3 改進(jìn)后成形出的零件

選擇潤滑介質(zhì)

在試沖與生產(chǎn)中，經(jīng)過試驗(yàn)在零件毛坯上面放一層塑料布，用來增加潤滑，效果較好。

調(diào)整氣墊壓力值

從表2總結(jié)的數(shù)據(jù)來看，機(jī)床氣墊壓邊力在130～195kN之間，零件的質(zhì)量效果較好，而且根據(jù)零件的沖壓工藝，成形后的零件毛坯在進(jìn)行切邊工序時，可將零件毛坯凸緣上裂口的大部分切掉，只剩一點(diǎn)小裂口，在與另一個零件口對口焊接時，正好焊接上了，不影響零件的整體質(zhì)量。

結(jié)束語

⑴鋁合金材料5A02-O化學(xué)成分因含有鎂元素，對零件成形性能有較明顯的影響，通過采取退火措施，可以明顯改善零件的成形性能。

⑵通過采取完全退火，調(diào)整機(jī)床壓邊力，將壓邊力調(diào)整在130～195kN之間，及在模具壓邊圈上加工壓邊槽、在零件毛坯上放塑料布潤滑等措施，用強(qiáng)度指標(biāo)較高的材料5A02-O成形，也可取得較好的效果。

⑶通過近兩年的批量生產(chǎn)證明，對于翻邊、拉深復(fù)合成形類零件，按照外緣翻邊工藝計(jì)算，雖然超過了允許的極限變形程度，但是通過采取措施，還是能夠有效提高零件合格率的。