鋁板沖壓件的模具開發(fā)

文／于志鵬·長(zhǎng)安福特汽車有限公司杭州分公司

現(xiàn)在汽車安全環(huán)保政策愈發(fā)嚴(yán)格，車身新材料的應(yīng)用逐漸向鋁板方向發(fā)展，以降低油耗提升車輛安全性。在汽車車身沖壓行業(yè)中，目前只有捷豹、蔚來(lái)、特斯拉等高端車型應(yīng)用到全鋁車身，國(guó)內(nèi)模具廠家鋁板零件模具技術(shù)沒(méi)有鋼板零件成熟，那么，在鋁板零件開發(fā)過(guò)程中要注意什么呢？本文通過(guò)CAE、工藝開發(fā)、零件制造及調(diào)試四方面內(nèi)容的詳細(xì)介紹來(lái)闡述全鋁車身沖壓零件的開發(fā)要點(diǎn)。

以某車型頂蓋橫梁為例，此零件材料為5754 鋁板，料厚為1.0mm，屈服強(qiáng)度為129MPa，抗拉強(qiáng)度為250MPa，密度為2.66g/cm3，伸長(zhǎng)率為12%。5 系鋁合金Mg 為主要合金元素，由于沉淀相形核困難，該系合金熱處理不可強(qiáng)化，通常通過(guò)加工硬化提高其力學(xué)強(qiáng)度。鋁板的彈性模量(69.3 ～70.7GPa）僅為鋼板的1/3(普通鋼板為200GPa 左右），這意味著零件的回彈會(huì)比鋼板更大。零件要求匹配面公差為±0.7mm，普通面的公差為±1.5mm，零件簡(jiǎn)圖如圖1 所示。

CAE 重點(diǎn)關(guān)注

由于零件平整，沖壓方向選取零件正Z 方向。根據(jù)其他項(xiàng)目相同零件的規(guī)劃，選取一模兩件成形方案，為保證生產(chǎn)線的產(chǎn)能平衡，采用鑄造串聯(lián)模具進(jìn)行生產(chǎn)，零件在模具之間傳遞采用機(jī)械手，經(jīng)過(guò)評(píng)估材料利用率為66.2%。

在設(shè)置模擬關(guān)鍵參數(shù)時(shí)，選取5754 鋁板材料卡，其中FLC-0 值為0.18，根據(jù)調(diào)試經(jīng)驗(yàn)安全線偏置為0.08，即FLC-Marginal 設(shè)置為0.10，借此來(lái)充分評(píng)估零件的成形性，避免后續(xù)在模具上難以調(diào)整。零件FLD 評(píng)估時(shí)保證有8%的成形裕度，可以抵抗后續(xù)因機(jī)床平行度、模具磨損或者材料性能引起的零件不穩(wěn)定。零件成形極限圖如圖2 所示。

圖1 頂蓋橫梁

圖2 零件成形極限圖

在初始模擬中，零件存在風(fēng)險(xiǎn)的區(qū)域如圖3(a）所示，由于造型原因，材料流動(dòng)不充分，導(dǎo)致部分區(qū)域存在開裂風(fēng)險(xiǎn)，部分區(qū)域存在減薄風(fēng)險(xiǎn)。在減薄區(qū)域，我們?cè)龃罅酥車腞 角，在起皺區(qū)域增加了一條筋，用于吸收多余的料。隨后增加變更請(qǐng)求，反饋工程變更，改善后的零件如圖3(b）所示。在工程階段一定要與產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員進(jìn)行溝通，解決掉這類問(wèn)題，否則后續(xù)現(xiàn)場(chǎng)難以調(diào)整。

鑒于CAE 模擬情況與模具實(shí)際情況存在一定的差異，故將材料減薄率設(shè)置成10%，如圖4(a）所示，預(yù)留2%的余量可防止零件在調(diào)試階段開裂。同時(shí)，在減薄評(píng)估時(shí)，對(duì)接近極限值的區(qū)域進(jìn)行記錄，在首次樣件調(diào)試出件時(shí)，對(duì)相同部位進(jìn)行減薄率的評(píng)估，如圖4(b）所示。

由于鋁板的回彈要遠(yuǎn)大于鋼板回彈，因此必須要在拉延工序做補(bǔ)償，用以克服回彈?；貜椩u(píng)估可按照零件的夾持點(diǎn)進(jìn)行設(shè)置，對(duì)零件回彈進(jìn)行評(píng)估后，可以看到中間的回彈量約有3.9mm，這就需要對(duì)模具拉延數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償，如圖5 所示。對(duì)前期問(wèn)題的有效干預(yù)，可減少后期整改的工作量。

圖3 零件成形性分析

圖4 減薄率評(píng)估

經(jīng)過(guò)成形性、減薄率、回彈這三個(gè)內(nèi)容的評(píng)審，CAE 方案得到確認(rèn)，從而可進(jìn)行下一步的工藝設(shè)計(jì)。

零件的排序及工藝設(shè)計(jì)

零件工藝設(shè)計(jì)策略基于：⑴鋁板回彈比較大，且CAE 模擬難以預(yù)估，盡量少設(shè)計(jì)整形工藝，方便后續(xù)的整改以及符型。這是因?yàn)榇肆慵﨏AE 預(yù)估最大回彈量為3.9mm，假如設(shè)計(jì)整形工序，零件首次放到凸模上就會(huì)存在定位問(wèn)題，故此零件及類似零件都不應(yīng)考慮整形工序。⑵鋁板本身比較脆，表面又比較軟，切屑?jí)簜容^嚴(yán)重，故需要采用少?gòu)U料刀的工藝設(shè)計(jì)。

本零件最終工藝確認(rèn)為OP10 拉延、OP20 首次修邊、OP30 二次修邊，如圖6 所示。在二次修邊與一次修邊的地方需要設(shè)計(jì)工藝缺口，這些工藝缺口可保證在二次切斷時(shí)沒(méi)有毛刺及條料產(chǎn)生，另外鋁板在修邊時(shí)不能設(shè)置剪切角度，要保證同時(shí)刃入，這樣可以保證切邊時(shí)沒(méi)有鋁屑產(chǎn)生。零件最終工藝數(shù)模如圖7所示。

對(duì)于鋁板零件，由于采用無(wú)整形或者少整形的設(shè)計(jì)，因此模具的研和率十分重要，需要在工藝設(shè)計(jì)時(shí)就與模具制造廠家確認(rèn)好。圖8 所示為與模具廠家共同確認(rèn)的頂蓋橫梁的研和圖，其研和原則為：對(duì)于拉延模壓邊圈，要求拉延筋內(nèi)部的管理面研和率為90%以上，拉延筋外部做虛研和；對(duì)于凸模和凹模，由于零件成形是靠凸模R 角，故所有與之對(duì)應(yīng)的凹R需全部放空，且其值應(yīng)比產(chǎn)品R 角大0.5mm；廢料區(qū)域應(yīng)做虛研和；對(duì)于零件的搭接面(匹配面），需做強(qiáng)壓研和，使搭接型面高于普通面0.1mm，保證型面研和率為90%以上。由于零件研和要求比較高，空氣在型面內(nèi)不易排出，故在凹R 處需要鉆孔，以利于空氣排出。

圖5 拉延數(shù)據(jù)補(bǔ)償

圖6 零件工藝

圖7 零件最終工藝數(shù)模

圖8 零件研和指示圖

模具制造及調(diào)試

在實(shí)際的模具制造過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)還需要多項(xiàng)措施來(lái)保證模具的穩(wěn)定性。

半月定位

拉延生產(chǎn)后零件難免發(fā)生扭曲和回彈，加之零件拉延深度較淺，拉延零件放到第一次修邊的模具上后，往往會(huì)存在定位不準(zhǔn)的情況，所以在模具拉延到底前需增設(shè)一個(gè)半月形的翻邊，該翻邊可以在第一次修邊時(shí)起到定位的作用。半月翻邊在距拉延到底10mm 時(shí)，通過(guò)直徑30mm 的翻孔銷成形，此時(shí)壓邊圈已經(jīng)不再走料，如果成形過(guò)早，會(huì)造成翻邊開裂或者影響走料。半月翻邊在拉延模上的主要結(jié)構(gòu)如圖9 所示，其在修邊時(shí)的定位如圖10 所示。

可調(diào)節(jié)的平衡塊

圖9 拉延模上的半月翻邊結(jié)構(gòu)

圖10 修邊模具上的半月定位

圖11 平衡塊

由于CAE 模擬與實(shí)際制造之間存在差距，且生產(chǎn)過(guò)程受外界影響比較大，如粗糙度、油量、模具溫度、材料波動(dòng)、氮?dú)飧讐毫ψ兓?，往往需要?duì)模具進(jìn)行調(diào)整。于是，采用高度可調(diào)的平衡塊來(lái)調(diào)整上模與壓邊圈的間隙，從而達(dá)到控制走料的目的。這種平衡塊向左調(diào)節(jié)可以降低高度，向右調(diào)節(jié)可以提升高度，調(diào)整方便快捷，如圖11 所示。

合格率提升

在首序件出來(lái)后，需要對(duì)零件進(jìn)行藍(lán)光掃描，對(duì)比零件與數(shù)模的差異，如圖12 所示。由于零件的公差為±0.7mm，故分別設(shè)計(jì)±0.7mm 以及±0.4mm的色帶，根據(jù)這兩種色帶，生成藍(lán)光掃描結(jié)果。根據(jù)藍(lán)光掃描結(jié)果在拉延件上繪圖，如圖13 所示，對(duì)超差區(qū)域以實(shí)際值的1.3 倍進(jìn)行反向補(bǔ)償，并據(jù)此重新制作拉延加工數(shù)模。然后，依據(jù)加工數(shù)模對(duì)拉延模具進(jìn)行再次加工。這一步驟與工藝設(shè)計(jì)相輔相成，由于成形工序只有拉延，故需對(duì)拉延進(jìn)行補(bǔ)償，經(jīng)過(guò)修邊應(yīng)力得到釋放，零件回彈至所需尺寸。由于拉延件做了補(bǔ)償，所以第一次修邊需要重新符型，第二次修邊不做任何改動(dòng)。這樣可使模具的改動(dòng)最少，花費(fèi)的時(shí)間也最少。第一次補(bǔ)償后，零件的合格率大大提升。

圖12 藍(lán)光掃描制件

圖13 繪制制件云圖

經(jīng)過(guò)整改后，圖14 中零件A 的合格率由25%提升至90%，零件B 的合格率由44%提升至96%。

圖14 第一輪整改后的藍(lán)光掃描結(jié)果

第二輪整改時(shí)，按照第一次整改的方式，將零件上的檢測(cè)點(diǎn)由臨界值改為中心值，經(jīng)過(guò)兩輪整改后，合格率即可達(dá)到98%以上。

結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于鋁板零件的模具開發(fā)，要有大局觀念，同時(shí)需要將CAE 模擬與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐相結(jié)合。首先，在模擬時(shí)一定要給現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試留出裕度，對(duì)于不可實(shí)現(xiàn)的內(nèi)容，一定要跟產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員提出變更請(qǐng)求，確保零件沒(méi)有任何缺陷。其次，在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試過(guò)程中，相關(guān)問(wèn)題要第一時(shí)間反饋給工藝設(shè)計(jì)人員，并把解決方法傳遞到新的項(xiàng)目中。最后，工藝及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要符合“設(shè)計(jì)讓制造更簡(jiǎn)單”的原則。我們相信，隨著鋁板零件項(xiàng)目的逐漸增多，經(jīng)驗(yàn)會(huì)越來(lái)越豐富，國(guó)內(nèi)鋁板零件模具制造實(shí)力會(huì)越來(lái)越強(qiáng)。