鋁合金車身覆蓋件沖壓工藝與模具開發(fā)技術(shù)探討

文/張云山·一汽模具制造有限公司

鋁合金車身覆蓋件沖壓工藝與模具開發(fā)技術(shù)探討

文/張云山·一汽模具制造有限公司

張云山，高級工程師，一汽高級專家。負(fù)責(zé)公司沖壓模具項目沖壓工藝規(guī)劃、方案制定及審核，以及CAE仿真模擬分析及缺陷應(yīng)對措施制定；負(fù)責(zé)解決車間調(diào)試階段所出現(xiàn)的技術(shù)問題；負(fù)責(zé)同步工程項目方案策劃、產(chǎn)品修改方案審核、工藝可行性方案評估審核等。

車身輕量化的提出及必要性

與鋼制零件相比，鋁制零件可減重30%～40%。汽車每減重10%，可節(jié)油8%。凡是可用鋁合金制造的零件都用其代替，每輛車的平均用鋁量將達(dá)到450kg左右，輕量化效果非常顯著。歐洲鋁協(xié)（EAA）預(yù)測：在2015年前歐洲小汽車用鋁量將增至300kg/車。因此，鋁合金代替鋼板制造汽車覆蓋件是當(dāng)前全球汽車行業(yè)重要發(fā)展方向。圖1是奧迪A8全鋁車身和轎車覆蓋件示意圖。

汽車耗油取決于發(fā)動機(jī)的排量和車體總質(zhì)量，而減小排量受保證動力性需求限制，因此優(yōu)化汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計和采用輕質(zhì)材料制造車身成為降低整車質(zhì)量的重要途徑。

鋁合金的機(jī)械性能

目前，適用于汽車外覆蓋件成形的主要是6XXX系列鋁合金，表1給出了6106鋁合金板材的沖壓成形機(jī)械性能。

圖1 奧迪A8全鋁車身和轎車覆蓋件

表1 6106鋁合金機(jī)械性能一覽表

⑴鋁合金的密度：鋁合金板材的重量很輕，滿足汽車輕量化的要求。同等體積下，鋁合金板材的重量是鋼板的34%。

⑵鋁合金板材的屈服應(yīng)力分析：鋁合金板材的初始屈服強(qiáng)度很低，平均屈服強(qiáng)度只有90MPa，最大不超130MPa。

這就決定了鋁合金材質(zhì)軟，易產(chǎn)生表面缺陷，任何過大的接觸壓力都會產(chǎn)生壓痕，任何表面棱角、凸起、孔洞或尖銳形狀都會在其表面留下痕跡，任何刮擦都有可能產(chǎn)生表面缺陷，任何碎屑都會產(chǎn)生明顯的表面痕跡。

⑶鋁合金板材的回彈問題分析：與深沖鋼板相比，鋁合金板材的回彈量較大，其彈性模量是鋼板的1/3，也就是說鋁合金板材的回彈量約是鋼板的3倍左右。因此，鋁板的尺寸精度的控制是鋁合金模具設(shè)計關(guān)注的重點(diǎn)。沖壓零件回彈的類型主要是膜向回彈和彎曲回彈。

⑷鋁合金材料的屈服強(qiáng)度比或硬化曲線分析：無屈服平臺，屈服強(qiáng)度的計算只能采用Rp0.2，頸縮量很小，斷裂具有突然性，與深沖鋼板相比，鋁合金材料的屈服強(qiáng)度比較低，鋁合金材料屈服強(qiáng)度比低，意味著單位應(yīng)力梯度所需的塑性變形更大。因此，在圓角/特征幾何區(qū)域的變形更易集中于局部，這就意味著板材的成形性能會更差。

鋁合金材料硬化模型建立的要點(diǎn)：常規(guī)的冪次式不適合鋁合金硬化曲線擬合，必須采用試驗應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線或分段冪次式曲線描述，根據(jù)供應(yīng)商提供的Rp0.2、Rm、n值建立硬化曲線會產(chǎn)生明顯的誤差。

⑸鋁合金板材屈服模型分析：傳統(tǒng)Hill屈服準(zhǔn)則不適合鋁合金板材屈服面的描述。Barlat或BBC AL是當(dāng)前公認(rèn)的鋁板屈服準(zhǔn)則，新屈服模型的物理體現(xiàn)：應(yīng)力應(yīng)變場分布將與Hill屈服面不同，材料變形局部化發(fā)展迅速，一旦發(fā)生局部化，將很快發(fā)生破裂，這就意味著材料的成形性能將變差。鋁合金單拉試件幾乎無頸縮現(xiàn)象，整體延伸率與斷裂延伸率相近。

⑹鋁合金板材厚向異性指數(shù)r分析：厚向異性指數(shù)代表板材抗變薄的能力，厚向異性指數(shù)越大，表明板材抗變薄的能力越強(qiáng)，成形性能越好，反之，材料抵抗變薄的能力越弱，成形性能越差。與鋼板相比，鋁合金板材厚向異性指數(shù)較小，抗變薄能力較弱，容易產(chǎn)生變形局部化，成形性能較差。

鋁合金板在車身制造中的應(yīng)用

在框架類零件中的應(yīng)用

從輕量化、低成本和短周期等多方面考慮，空間框架式轎車車身結(jié)構(gòu)逐步得到發(fā)展，這種車身結(jié)構(gòu)零部件數(shù)量少，主要由框架、剛性材料和覆蓋件組成，采用鋁合金擠壓型材和內(nèi)部連接真空壓鑄接頭焊接組成。鋁擠壓型材、鋁真空壓鑄件及鋁合金板是Audi A8鋁車身的三種基本元素，使車身質(zhì)量減輕了40%，該空間框架使車身的靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度提高40%。

國外轎車車身框架用鋁合金多為Al-Mg-Si（6XXX）系和Al-Zn-Si（7XXX）系，特別是7XXX-T5鋁合金，適用于由高溫成形過程冷卻后，不須經(jīng)冷加工，可直接予以人工時效的產(chǎn)品，可進(jìn)行矯直、矯平，但不影響力學(xué)性能極限，其屈服強(qiáng)度σs和抗拉強(qiáng)度σb均大大超過冷軋鋼板。為加強(qiáng)緩沖，增加抗沖擊強(qiáng)度，多采用“口”、“日”、“目”及“田”字形薄壁中空鋁型材，既減輕質(zhì)量，又提高了擠壓成形性，降低制造成本。

在車身覆蓋件中的應(yīng)用

車身覆蓋件多用5XXX防銹鋁和6XXX硬鋁合金制作，如車門、行李廂、發(fā)動機(jī)罩、翼子板及車廂底板等。5XXX系為非熱處理強(qiáng)化鋁合金，成形性良好，主要用于制作內(nèi)板等形狀復(fù)雜的部件。Audi A2全鋁車身的覆蓋件中，5182鋁合金在薄板零件中占15%，這種合金拉深時硬化顯著，可以獲得很高的強(qiáng)度值。可熱處理強(qiáng)化的6106鋁合金板材同時具有較好的力學(xué)性能、成形性能和抗腐蝕性能，適合于制造車身外表件和內(nèi)表件。特別是作為外覆蓋件，雖然因熱處理使斷裂延伸率略有降低，但在碰撞時可產(chǎn)生足夠的變形能力，并且具有相應(yīng)的抗凹性能。

6XXX-T4鋁板的屈服強(qiáng)度σs和抗拉強(qiáng)度σb幾乎接近冷軋鋼板的強(qiáng)度值，n值大于或等于冷軋鋼板的n值，成形工藝易于掌握。6XXX系鋁合金含鎂少，更易于回收，降低了回收的燒損，是未來汽車用鋁合金薄板的理想材料。

鋁合金板材沖壓工藝與模具設(shè)計

沖壓工藝設(shè)計

沖壓工藝設(shè)計，即工藝方案設(shè)計，根據(jù)鋁板覆蓋件的產(chǎn)品特點(diǎn)來確定成形區(qū)域、補(bǔ)充形狀、修邊布局、刃口狀態(tài)及相關(guān)的翻邊、整形形狀等相關(guān)的工藝內(nèi)容，在設(shè)計過程中需要詳細(xì)分析零件成形過程中板料的流動情況及各工序沖壓過程的穩(wěn)定性、成形角度等多方面因素，制定相應(yīng)的工藝過程。主要涉及以下三個方面。

⑴產(chǎn)品工藝性評估。產(chǎn)品工藝性評估是工藝設(shè)計之前必須要分析的過程。由于鋁合金的延展性較低，制件的成形性相應(yīng)也更加困難，因此，鋁合金在成形時對零件的成形深度、特征圓角R值的大小、材料在成形過程中的流動方向都有特殊要求。如果產(chǎn)品不能滿足成形性能要求，則必須與產(chǎn)品部進(jìn)行溝通，進(jìn)行產(chǎn)品參數(shù)的相應(yīng)修改。

⑵拉延工藝補(bǔ)充設(shè)計。鋁合金件的拉延工藝補(bǔ)充設(shè)計，必須遵循以下原則：拉延模R的最小值為料厚的3倍，這樣可避免二次成形，所有零件幾何形狀應(yīng)該一次出來；壓料圈閉合時板料不能有波浪和褶皺，壓料面要保證可展性；要考慮與鋼板件的回彈量不同，鋁件回彈量要大。另外，制件的補(bǔ)充造型必須使拉延走料均勻，盡量使拉延模型與最終制件的形狀一致；所有的工藝圓角應(yīng)足夠大；過渡應(yīng)盡可能平緩；拉延深度應(yīng)盡可能淺；拉延筋阻力系數(shù)不能太大；材料的走料方向必須100%與拉延方向一致；拉延模的上下模間隙值應(yīng)該是在板料料厚名義尺寸上加5%。

⑶制件在模具調(diào)試及生產(chǎn)過程中的定位問題。制件在后工序中的定位是工藝設(shè)計必須要考慮的一個重要問題。由于鋁合金材料的特點(diǎn)決定制件在成形過程中伴隨著較大的彈性變形，而在生產(chǎn)過程中，批次不同導(dǎo)致的材料性能波動，不同生產(chǎn)班次導(dǎo)致的沖壓環(huán)境波動及大批量制件生產(chǎn)先后導(dǎo)致的沖壓參數(shù)的波動，都會對制件定位產(chǎn)生較大的影響，因此，鋁合金零件在沖壓過程中，各工序間必須有穩(wěn)定的定位形式，通常第一序修邊模具的工序件定位采用拉延工序的半月翻口形狀進(jìn)行粗定位，對于四周封閉拉延、且拉延深度較深的制件可以不設(shè)計半月翻口。拉延序的半月通常設(shè)置在壓料面平緩、不走料或少走料的區(qū)域，如角部位置。定位部分可以對稱設(shè)置。翻口尺寸為翻口凸模直徑的1/4，翻口的數(shù)量可以設(shè)置1個、2個、3個，甚至4個。封閉拉延的半月翻邊為向上翻孔，開口拉延的半月翻孔可以在兩端開口處向下翻孔，也可以在前后兩端根據(jù)收料線的位置向上翻孔，這要根據(jù)制件的實(shí)際情況來設(shè)定。此外，后工序的零件在工藝設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)相應(yīng)的沖壓方向進(jìn)行規(guī)劃，以便保證工序間有穩(wěn)定的定位環(huán)境。

模具結(jié)構(gòu)設(shè)計

⑴修邊沖孔模。修邊沖孔模的修邊刃口和修邊鑲塊需要整體淬火和退火，硬度為HRC58～62。修邊鑲塊的熱處理形式調(diào)整為涂層處理。下模修邊鑲塊的刃口盡可能鋒利，盡可能減小切邊刃口與板材切邊邊界的摩擦。為了避免有先切現(xiàn)象，不允許有波浪刃口。最終目標(biāo)是沿著制件形狀同時均勻切割。沖裁間隙必須準(zhǔn)確無誤。修邊刃口必須100%沿著沖裁方向進(jìn)行拋光。上模鑲塊刃口的表面粗糙度Ra≤0.1μm，下模鑲塊刃口的表面粗糙度Ra≤0.3μm。鋁件模具的上下模刃口的鋒利性的重要程度要比鐵件模具大。

⑵翻邊成形模。板料的最小彎曲半徑是料厚的1.5倍。如果翻邊時出現(xiàn)波浪，在征得工藝和制造部門的同意后，有必要在翻邊時采用壓料板壓料，此情況同時適用于出現(xiàn)該情況的比較平緩的制件。當(dāng)翻邊或者只有最終成形時，有必要考慮回彈。根據(jù)翻邊的半徑和形狀，回彈角可能大于通常的3°角，一般為4°～5°，在成形和翻邊區(qū)域凸凹模的間隙必須是正常尺寸的1.05倍，即料厚的1.05倍。

⑶鋁板沖壓件回彈控制原則。保證凸凹模均勻接觸，確保板料變形均勻發(fā)展。最大限度地增加板材膜向變形以減小回彈。保證零件主型面變形均勻性，防止出現(xiàn)面內(nèi)應(yīng)力差而產(chǎn)生回彈。為避免產(chǎn)生的關(guān)聯(lián)變形盡可能采用拉延工藝，降低回彈量。為減小翻邊回彈量，如引入過拉延工藝等。翻邊或者只有最終成形時，必須考慮回彈。根據(jù)翻邊的半徑和形狀，回彈角可能大于通常的3°角，一般為4°～5°。

⑷鋁板零件設(shè)計原則。鋁板零件的拔模角應(yīng)足夠大，以防止回彈補(bǔ)償產(chǎn)生沖壓負(fù)角（理論上應(yīng)比鋼板大約3倍）。翻邊高度應(yīng)盡可能小，以減小翻邊回彈量，特征圓角應(yīng)盡可能大，以防止產(chǎn)生大的應(yīng)力梯度，局部特征應(yīng)盡可能淺，盡可能平緩，以減緩變形的局部化趨勢。

結(jié)束語

用鋁合金板材生產(chǎn)的汽車覆蓋件存在著成形性差、構(gòu)件強(qiáng)度低、抗凹性低、焊接性能低、結(jié)合部位抗腐蝕性能差、延伸率低、生產(chǎn)成本高等問題，其中沖壓成形工藝技術(shù)與焊裝技術(shù)以及生產(chǎn)成本是制約鋁合金汽車覆蓋件應(yīng)用的關(guān)鍵因素。因此，降低鋁合金板材的生產(chǎn)成本，改進(jìn)和研發(fā)沖壓成形工藝技術(shù)、焊裝工藝是促進(jìn)鋁合金汽車板應(yīng)用的重要發(fā)展方向。