文章已刊載在《模具制造》月刊，版權歸作者所有，轉載請注明出處，謝謝！

【摘要】以某車型鋁合金結構件為例， 分別從沖壓工藝和回彈補償角度， 分析并確定了合理的沖壓工藝方案， 同時對鋁合金的特點進行了詳細地闡述。

關鍵詞：鋁合金結構件；沖壓工藝設計；回彈補償

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、 可循環性、 耐腐蝕、 密度低等優質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技術也逐步提高， 本文主要闡述對鋁合金結構件在沖壓工藝設計階段產生的問題及解決辦法。

2 汽車應用鋁合金簡介

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， 故適用于內板件及結構件；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、 切削時非常容易產生料屑。

3 沖壓工藝設計

內板件的沖壓工藝設計， 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， 更可以提高生產效率， 降低成本。

3.1 工藝方案規劃

鋁合金模具和鋼板料模具并沒有本質的區別， 其模具結構大體相同， 最大區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， 是生產符合標準的鋁合金制件的關鍵。

為了避免修邊時產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， 同時也不應該使用高低刃口， 以免產生先切入現象。

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， 后工序盡量不要產生有形變的整形， 即整體制件拉伸到位?？梢栽诤蠊ば驅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雜負角或翻邊， 即應采用后工序和拉伸沖壓方向統一方案。

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凸模頂部竄動。

（3） 沖壓方向與壓料面關系密切， 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生破裂和縮頸， 需使拉伸凹?？赗角不能小于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， 左右兩側偏高， 中間凹陷， 俗稱 “馬鞍形” ， 兩側為缺料， 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、 側視圖可見， 圈內為制件制件最高點， 做余肉時一定調整好高度， 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， 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

a——正視圖 b — —側視圖 c — —拉伸造型面

3.2.2 壓料面

圖3為正視圖制件輪廓， 壓料面按常規方鋼板料式設計即可。

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， 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 修邊工序設計

3.3.1 修邊要點

對于鋁合金來說， 沖裁時更容易產生料屑， 使制件表面質量降低， 對批量生產造成不必要的麻煩。因此在設計修邊工序時， 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， 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， 避免在同一工序內直修和斜修接刀。

圖5 修邊線修改

a — —刃口和板料夾角 b — —修邊線改造

3.3.2 修邊設計

對于本制件， 兩工序修邊如圖6a所示。其主要設計特點如下：

（1） 制件形狀導致大部分修邊采用斜楔方式， 設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生料屑。

（3） 前后工序接刀盡量挑選平緩位置。

圖6 斜修及拉伸筋設計

a — —修邊規劃 b — —拉伸筋改造

3.4 整形工序設計

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） 。設計整形時， 需考慮壓料板強度。

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計是否合理的關鍵步驟， 也是改善拉伸型面的依據。本次應用軟件為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

a — —成形性分析 b — —失效分析 c — —減薄率

4.1.2 拉伸筋阻力系數

經過一系列驗證， 得出上下筋阻力系數為0.325，左右兩側筋系數為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

圖9所示為兩側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 “馬鞍型” 部分逐漸失去控制， 前后兩側余肉在距到底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

a — —壓料狀態 b — —到底前55mm c — —到底前30mm

d — —到底前5mm e — —到底0mm

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兩側高中間低趨勢， 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力釋放， 但整體回彈趨勢并無變化。

（3） 第二次修邊后應力充分釋放， 回彈趨勢有所變化， 在控制之內。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

a — —拉伸后自由回彈 b — —第一次修邊后自由回彈

c — —第二次修邊后自由回彈

4.2.2 補償基準

為正確模擬制件裝車狀態， 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， 如圖11所示。

圖11 各階段拉伸狀態

a — —支撐定位 b — —支撐回彈

4.2.3 補償策略

因回彈區域比較分散， 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區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

a — —補償后制件 b — —補償后制件

c — —最終制件掃描與原始數模對比

5 結論

鋁合金板料由于其特點被如今汽車廠商大量應用， 這給沖壓工藝、 模具結構、 回彈補償設計師們帶來了新的挑戰， 也同時推動著整個沖壓模具行業在創新的道路上穩步前行。但其實鋁合金和鋼板料并無本質上的差異， 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。