以某車型鋁合金結(jié)構(gòu)件為例， 分別從沖壓工藝和回彈補(bǔ)償角度， 分析并確定了合理的沖壓工藝方案， 同時(shí)對(duì)鋁合金的特點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)地闡述。

關(guān)鍵詞：鋁合金結(jié)構(gòu)件；沖壓工藝設(shè)計(jì)；回彈補(bǔ)償

1 引言

近年來鋁合金憑借其相對(duì)簡(jiǎn)單的工藝、 豐富的材料來源以及較低的成本， 在市場(chǎng)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(qiáng)度、 可循環(huán)性、 耐腐蝕、 密度低等優(yōu)質(zhì)性能成為汽車減重首選材料， 甚至有整車鋁合金比例達(dá)到75%。隨著主機(jī)廠對(duì)其需求的增加， 沖壓模具廠商對(duì)鋁合金的生產(chǎn)技術(shù)也逐步提高， 本文主要闡述對(duì)鋁合金結(jié)構(gòu)件在沖壓工藝設(shè)計(jì)階段產(chǎn)生的問題及解決辦法。

2 汽車應(yīng)用鋁合金簡(jiǎn)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(diǎn)為抗拉強(qiáng)度高， 疲勞強(qiáng)度好， 但不可做熱處理強(qiáng)化， 故適用于內(nèi)板件及結(jié)構(gòu)件；6000系主要合金元素為鎂和硅， 適用于對(duì)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(yōu)點(diǎn)：

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(zhì)量。

（2） 鋁合金的缺點(diǎn)：

①鋁合金難以長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存， 板料約出廠半年后其機(jī)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(shí)非常容易產(chǎn)生料屑。

3 沖壓工藝設(shè)計(jì)

內(nèi)板件的沖壓工藝設(shè)計(jì)， 一定要基于制件的材料及料厚， 不同種類的材料其力學(xué)性能完全不同， 應(yīng)當(dāng)采用不同的工藝方案。對(duì)于鋁合金制件來說， 控制回彈是整個(gè)工藝設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。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(chǎn)效率， 降低成本。

3.1 工藝方案規(guī)劃

鋁合金模具和鋼板料模具并沒有本質(zhì)的區(qū)別， 其模具結(jié)構(gòu)大體相同， 最大區(qū)別還是在于回彈控制， 因?yàn)殇X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(bǔ)償來減弱回彈趨勢(shì)， 是生產(chǎn)符合標(biāo)準(zhǔn)的鋁合金制件的關(guān)鍵。

為了避免修邊時(shí)產(chǎn)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(cuò)開修邊， 同時(shí)也不應(yīng)該使用高低刃口， 以免產(chǎn)生先切入現(xiàn)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(shí)， 后工序盡量不要產(chǎn)生有形變的整形， 即整體制件拉伸到位?？梢栽诤蠊ば?qū)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(fù)雜負(fù)角或翻邊， 即應(yīng)采用后工序和拉伸沖壓方向統(tǒng)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(fù)角。

（2） 拉伸凸模與板料開始接觸時(shí)的面積要大， 開始拉伸時(shí)凸模與拉伸毛坯的接觸地方盡量要多、 要分散， 有兩個(gè)和兩個(gè)以上的接觸地方， 最好要同時(shí)接觸。若不同時(shí)接觸， 凸模在拉伸過程中拉伸毛坯就有可能經(jīng)凸模頂部竄動(dòng)。

（3） 沖壓方向與壓料面關(guān)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(jìn)料阻力均勻、 拉伸深度均勻， 才能保證壓料面各部位進(jìn)料阻力均勻。

（4） 由于鋁合金板料強(qiáng)度低， 流動(dòng)性差， 過小的圓角會(huì)使板料產(chǎn)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(shí)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(shè)計(jì)

3.2.1 工藝補(bǔ)充

制件整體造型如圖2a正視圖所示， 左右兩側(cè)偏高， 中間凹陷， 俗稱 “馬鞍形” ， 兩側(cè)為缺料， 中間為多料趨勢(shì)。對(duì)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(diǎn)不破裂。

（1） 在做工藝補(bǔ)充時(shí)， 要在中間處前后增加余肉， 減緩起皺趨勢(shì)。但由正、 側(cè)視圖可見， 圈內(nèi)為制件制件最高點(diǎn)， 做余肉時(shí)一定調(diào)整好高度， 防止最高點(diǎn)破裂。

（2） 圖2a中A處為制件最低點(diǎn)， 注意補(bǔ)充扎入壓料面時(shí)要平緩， 并且與壓料面倒角的內(nèi)凹?？谝M量光順。同時(shí)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(nèi)， 此處涉及后工序刃口強(qiáng)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(cè)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(guī)方鋼板料式設(shè)計(jì)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(shù)， 使進(jìn)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(yīng)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(shè)計(jì)

3.3.1 修邊要點(diǎn)

對(duì)于鋁合金來說， 沖裁時(shí)更容易產(chǎn)生料屑， 使制件表面質(zhì)量降低， 對(duì)批量生產(chǎn)造成不必要的麻煩。因此在設(shè)計(jì)修邊工序時(shí)， 要注意以下幾點(diǎn)：

（1） 要保證前后工序接刀合理， 不要使用廢料刀，因?yàn)閺U料刀在工作時(shí)會(huì)有一小段是撕裂板料過程， 此時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的料屑。

（2） 如圖5a所示， 垂直修邊時(shí)板料和刃口的夾角盡量保持在10°以內(nèi)， 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(shí)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(nèi)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(shè)計(jì)

對(duì)于本制件， 兩工序修邊如圖6a所示。其主要設(shè)計(jì)特點(diǎn)如下：

（1） 制件形狀導(dǎo)致大部分修邊采用斜楔方式， 設(shè)計(jì)斜楔角度時(shí)主要考慮沖孔角度， 盡量在同一個(gè)斜楔上完成更多的工作內(nèi)容。

（2） 在斜修拉伸筋處， 可做如圖6b所示斜坡以避免負(fù)角或修邊角度過大產(chǎn)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(shè)計(jì)

a — —修邊規(guī)劃 b — —拉伸筋改造

3.4 整形工序設(shè)計(jì)

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(shè)計(jì)整形時(shí)， 需考慮壓料板強(qiáng)度。

圖7 整形工序

4 CAE全序分析及回彈補(bǔ)償

CAE分析是驗(yàn)證本制件沖壓工藝設(shè)計(jì)是否合理的關(guān)鍵步驟， 也是改善拉伸型面的依據(jù)。本次應(yīng)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(huì)帶來高點(diǎn)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(shù)

經(jīng)過一系列驗(yàn)證， 得出上下筋阻力系數(shù)為0.325，左右兩側(cè)筋系數(shù)為0.121， 此時(shí)高點(diǎn)剛好不破裂且起皺趨勢(shì)減緩。

4.1.3 各階段拉伸狀態(tài)

圖9所示為兩側(cè)凸模高點(diǎn)最先接觸板料， 隨后中間處高點(diǎn)接觸板料。圖示圈內(nèi) “馬鞍型” 部分逐漸失去控制， 前后兩側(cè)余肉在距到底20mm處時(shí)開始起作用， 將有起皺趨勢(shì)的部分拉開。

圖9 各階段拉伸狀態(tài)

a — —壓料狀態(tài) 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(bǔ)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(xiàn)兩側(cè)高中間低趨勢(shì)， 整體回彈分布對(duì)稱， 無扭曲情況， 最大正回彈量為3.017mm， 最大負(fù)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(yīng)力釋放， 但整體回彈趨勢(shì)并無變化。

（3） 第二次修邊后應(yīng)力充分釋放， 回彈趨勢(shì)有所變化， 在控制之內(nèi)。此時(shí)最大正回彈量為0.86mm， 最大負(fù)回彈量為0.779mm， 回彈變化量為1.639mm。

圖10 各階段拉伸狀態(tài)

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(bǔ)償基準(zhǔn)

為正確模擬制件裝車狀態(tài)， 采用雙定位孔 （灰點(diǎn) ）及4點(diǎn)支撐 （黑點(diǎn)） 方案來確定補(bǔ)償基準(zhǔn)狀態(tài)， 如圖11所示。

圖11 各階段拉伸狀態(tài)

a — —支撐定位 b — —支撐回彈

4.2.3 補(bǔ)償策略

因回彈區(qū)域比較分散， 不便于整體補(bǔ)償， 采用局部補(bǔ)償策略。在拉伸型面上分別對(duì)相應(yīng)區(qū)域按回彈量進(jìn)行局部補(bǔ)償， 兩工序修邊用拉伸型面， OP40整形時(shí)再回歸制件型面。

4.2.4 補(bǔ)償效果驗(yàn)證

補(bǔ)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(shì)得到良好控制， 如圖12所示。

圖12 補(bǔ)償驗(yàn)證

a — —補(bǔ)償后制件 b — —補(bǔ)償后制件

c — —最終制件掃描與原始數(shù)模對(duì)比

5 結(jié)論

鋁合金板料由于其特點(diǎn)被如今汽車廠商大量應(yīng)用， 這給沖壓工藝、 模具結(jié)構(gòu)、 回彈補(bǔ)償設(shè)計(jì)師們帶來了新的挑戰(zhàn)， 也同時(shí)推動(dòng)著整個(gè)沖壓模具行業(yè)在創(chuàng)新的道路上穩(wěn)步前行。但其實(shí)鋁合金和鋼板料并無本質(zhì)上的差異， 只要掌握鋁合金的特性， 并針對(duì)其特性做特殊的處理， 問題就會(huì)迎刃而解。