淺析鋁合金沖壓生產(chǎn)質(zhì)量問題

文/王飛飛,皮勁,朱威·神龍汽車有限公司技術(shù)中心

淺析鋁合金沖壓生產(chǎn)質(zhì)量問題

文/王飛飛,皮勁,朱威·神龍汽車有限公司技術(shù)中心

本文闡述了鋁合金在沖壓工業(yè)化過程中遇到的特殊質(zhì)量問題，從材料特殊性、工藝性以及生產(chǎn)環(huán)境等因素分析了造成質(zhì)量缺陷的原因，并進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)工作，提出了相關(guān)的解決及預(yù)防措施，從而為后續(xù)鋁合金應(yīng)用的深入提供一定的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。

隨著車身輕量化的發(fā)展及國家對汽車排放要求日益嚴(yán)格，各汽車生產(chǎn)廠商都在研究應(yīng)用鋁合金代替鋼板生產(chǎn)汽車覆蓋件。神龍公司全新車型雪鐵龍C6及全新標(biāo)致308應(yīng)用了鋁合金生產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)罩零件，由于鋁合金材料的特殊性，在批量生產(chǎn)過程中，也遇到不同的質(zhì)量問題，給生產(chǎn)帶來極大的困難和挑戰(zhàn)。

鋁板Roping缺陷

由于鋁板的晶體結(jié)構(gòu)和鋼板有較大差異，鋁板在軋制過程中，條狀晶界被進(jìn)一步拉長，從而在板材表面形成帶狀條紋，如圖1所示。零件在沖壓成形過程中，板料產(chǎn)生塑性變形，垂直于軋制方向產(chǎn)生較大的屈服應(yīng)變時(shí)，原來的條紋缺陷會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大，白車身油漆過后無法遮蓋。圖2為機(jī)罩外板零件表面產(chǎn)生的帶狀條紋缺陷。

圖1 鋁板板材表面條紋

圖2 鋁機(jī)罩表面條紋缺陷

Roping條紋是鋁板型材的固有缺陷，通過對板料預(yù)應(yīng)變試驗(yàn)，將板材試樣，垂直軋制方向單向拉伸，微觀掃描檢查條紋波紋度，圖3為鋁板料預(yù)應(yīng)變試驗(yàn)圖，隨著應(yīng)變的加大，波紋度越大，條紋缺陷越嚴(yán)重。當(dāng)預(yù)應(yīng)變達(dá)到10%時(shí)，板料經(jīng)過拉深之后的表面條紋已比較明顯。這樣的原型材經(jīng)過模具拉延，內(nèi)部產(chǎn)生的復(fù)雜應(yīng)變引起的缺陷比試樣單向拉伸產(chǎn)生的缺陷要嚴(yán)重。

通過試驗(yàn)，正常模具參數(shù)及工藝條件下，垂直于軋制方向的應(yīng)變達(dá)到4.7%（圖4），零件表面的條紋缺陷比較清晰。試驗(yàn)通過調(diào)整壓力及涂潤滑油的方式，增加兩側(cè)的流料，從而減小垂直軋制方向的應(yīng)變，應(yīng)變減小到2.5%左右。圖5為增大板料流入后零件表面應(yīng)變，沖壓單件做油漆之后，缺陷基本可被油漆遮蓋。

圖3 鋁板料預(yù)應(yīng)變試驗(yàn)

圖4 正常參數(shù)下零件表面應(yīng)變

圖5 增大板料流入后零件表面應(yīng)變

Roping是鋁板特有的缺陷，無法完全消除，在前期設(shè)計(jì)CAE分析成形過程中，在滿足零件剛性的要求時(shí)，盡量減小垂直軋制方向的應(yīng)變，尤其是零件表面反成形區(qū)域，最好控制在3%以內(nèi)，此還有待后續(xù)車型驗(yàn)證。

鋁板生產(chǎn)不穩(wěn)定

鋁板斷裂延伸率低，只有鋼板的1/3，發(fā)生縮頸后馬上開裂。且鋁板厚向異性系數(shù)R值較低，只有鋼板的1/2不到，鋁板抗變薄能力差，表面易產(chǎn)生波紋，生產(chǎn)過程中不穩(wěn)定，板料、設(shè)備、模具等參數(shù)的波動(dòng)對生產(chǎn)影響比較大。

雪鐵龍C6鋁機(jī)罩內(nèi)板使用鋁板5系材料5182O生產(chǎn)過程中，成形開裂和起皺同時(shí)出現(xiàn)，圖6為鋁機(jī)罩內(nèi)板包邊面波紋變形圖，圖7為鋁機(jī)罩內(nèi)板開裂圖。模具對板料的性能波動(dòng)的包容性弱。

圖6 鋁機(jī)罩內(nèi)板包邊面波紋變形圖

圖7 鋁機(jī)罩內(nèi)板開裂圖

在模具及設(shè)備參數(shù)沒有任何波動(dòng)的情況下，每批次零件生產(chǎn)狀態(tài)差異大?，F(xiàn)場對每次調(diào)試生產(chǎn)板料取試樣檢測，通過對每批次板料機(jī)械性能的主要參數(shù)的對比，波動(dòng)都在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)，如表1所示。

表1 板料機(jī)械性能對比

在機(jī)械性能波動(dòng)都在正常范圍時(shí)，調(diào)試結(jié)果完全不一致。說明前期關(guān)注的方向出現(xiàn)偏差，通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)板料自身油量的變化對成形結(jié)果影響較大，前期分析過程忽視了板料自身油量的變化。通過對比不同批次板料的油量，表面油量都接近標(biāo)準(zhǔn)下限。在對板料重新涂油之后，零件自身的開裂情況好轉(zhuǎn)很多。

現(xiàn)場除了需要關(guān)注油量的穩(wěn)定性之外，同時(shí)對模具也做相應(yīng)更改。工藝模面如圖8所示，通過分析，1位置外側(cè)拉延筋斷開，在板料流動(dòng)速度不一致，零件包邊面產(chǎn)生波紋，同時(shí)2位置發(fā)生開裂。現(xiàn)場無法通過調(diào)整壓力來同時(shí)解決起皺和開裂的問題。

圖8 工藝模面

當(dāng)將1位置外側(cè)拉延筋連上時(shí)（圖9），可以通過調(diào)整拉延筋的阻力，控制板料流動(dòng)，改善1位置的波紋，同時(shí)降低整體壓料壓力，從而解決2位置處的開裂。當(dāng)生產(chǎn)壓力降低時(shí)，也降低了內(nèi)板中間部位成形的風(fēng)險(xiǎn)。增加了模具的生產(chǎn)裕度。

圖9 壓料圈加筋

所以當(dāng)模具對板料比較敏感時(shí)，需要調(diào)整模具的狀態(tài)，改善模具自身的包容性，同時(shí)要為后期模具預(yù)留整改備案。

鋁板表面凸包缺陷

全新標(biāo)致308鋁機(jī)罩在批量生產(chǎn)過程中，表面質(zhì)量缺陷造成返修一度達(dá)到60%以上，現(xiàn)場模具反復(fù)清潔造成模具停機(jī)，生產(chǎn)效率極低，給沖壓生產(chǎn)帶來很大的困難。

問題分析

通過現(xiàn)場模具清理發(fā)現(xiàn)：零件表面的凸包、凹坑主要來自拉延工序和翻邊工序。拉延工序通常會(huì)擦出異物留在模具表面，具體有塑料薄膜（圖10）、金屬顆粒（圖11）、臟污等，其中塑料薄膜及金屬顆粒為主要問題。翻邊工序模具表面往往是鋁屑。

拉延異物原因分析

鋁板對包裝要求較高，通常包裝有三層薄膜，最里面一層防銹膜，中間一層防水膜，外面還有一層纏繞膜。模具表面發(fā)現(xiàn)薄膜碎屑的主要原因有兩點(diǎn)：第一，由于薄膜纏繞緊，生產(chǎn)線頭拆包過程中，切割薄膜產(chǎn)生的細(xì)小碎屑。第二，鋁板供應(yīng)商直接提供型材，打包完成后通過汽車運(yùn)輸?shù)綆旆?，長途運(yùn)輸過程中，難免發(fā)生板料竄動(dòng)從而導(dǎo)致板料與定位銷碰撞，進(jìn)而導(dǎo)致鋁板薄膜鑲嵌到板料中。神龍公司目前采用氣動(dòng)分張鋁板的結(jié)構(gòu)形式，在拆垛分張過程中，氣刀吹氣時(shí)很容易將薄膜吹到板料上，在拉延過程中產(chǎn)生質(zhì)量缺陷。

圖10 細(xì)小薄膜

圖11 金屬顆粒

通過對板料表面細(xì)小顆粒做EDS能譜分析，確定存在板料上金屬顆粒是鋁粉?？梢耘袛嘣诠?yīng)商處卷料切割成型材過程中，切割斷面產(chǎn)生的鋁粉沒有完全清理干凈，在氣刀分張過程中，被吹到板料表面。

值得注意的是，由于鋁板較軟，即使很細(xì)小的鋁粉碎屑都可造成零件產(chǎn)生缺陷。現(xiàn)場試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在零件反成形區(qū)域，即使模具閉合高度抬高2mm，零件表面依然會(huì)產(chǎn)生缺陷，說明在成形過程中缺陷就已經(jīng)產(chǎn)生。

針對拉延過程中的問題，在鋁板生產(chǎn)之前的準(zhǔn)備過程中要注意如下問題：

⑴模具清潔。模具表面通常會(huì)打一些排氣孔，模具調(diào)試或者生產(chǎn)過程中的異物有些會(huì)散落到氣孔之中，所以在生產(chǎn)之前對模具表面以及排氣孔做清潔工作是十分必要的（圖12）。

圖12 模具清潔

⑵對中臺(tái)清潔（圖13）。目前神龍公司一廠沖壓線是鋼鋁共用重力對中，鋼板生產(chǎn)過程掉落的鋅粉等異物可能散落在拆垛臺(tái)上，對鋁板沖壓生產(chǎn)造成隱患。

圖13 對中臺(tái)清潔

⑶拆包方式變更。原始刀割拆包容易產(chǎn)生小的塑料薄膜，需要按照初始包裝的順序分序打開薄膜，并且避免在拆包過程中板料劃傷薄膜。

⑷板料清潔。只要存在切割，就有鋁粉存在的風(fēng)險(xiǎn)，所以需要對切割端面再次清理，可以用抹布擦拭或者吸塵器清理板料端面。

翻邊工序模具上的鋁粉主要是由于前工序修邊產(chǎn)生的鋁粉在翻邊過程中，通過上模翻邊刀塊帶到模具表面。檢查修邊工序零件時(shí)，發(fā)現(xiàn)切割斷面已產(chǎn)生毛刺。正常的切割端面如圖14所示，切口光亮帶及撕裂帶均勻分布。但是對于產(chǎn)生切屑的切割端面（圖15），光亮帶很小，撕裂很不均勻。用塞尺檢查刀口間隙局部最大已達(dá)到0.3mm。鋁板沖裁間隙一般要求為料厚的10%，對于1mm厚的鋁板，沖裁間隙也不得大于0.1mm。由于間隙過大，零件斷面光亮帶減小，板料撕裂過程中容易產(chǎn)生鋁屑，粘連在板料斷面上，從而帶到翻邊序上。

圖14 正常切割端面

圖15 產(chǎn)生切屑的切割端面

對于沖裁鋁粉對零件外觀的影響，通常需要注意如下問題：

⑴模具維護(hù)時(shí)，除了刀口清潔之外，還要檢查刀口間隙及垂直度，拋光刃口。

⑵模具設(shè)計(jì)時(shí)，上模壓料板型面盡量減小，除了必要的壓料區(qū)域外，其余部位避免與零件接觸，減小壓到鋁屑的概率。

⑶外觀要求較高的零件，避免廢料刀設(shè)計(jì)，廢料刀部位的板料撕裂往往比其余部位更大，產(chǎn)生廢屑也比較多。

⑷鑲塊需要鍍層處理，減小鋁粉對鑲塊的粘連，減小模具上行刀塊將鋁屑帶到零件或者模具表面的幾率。

結(jié)束語

隨著汽車行業(yè)的競爭愈發(fā)激烈，各公司對生產(chǎn)成本控制要求愈來愈高，對生產(chǎn)效率及績效要求也不斷提升。鋁件生產(chǎn)過程中的一些特殊問題，需要在前期工藝分析以及現(xiàn)場生產(chǎn)準(zhǔn)備過程中投入更多的精力去分析。隨著車身上鋁件應(yīng)用范圍的擴(kuò)大以及生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的積累，鋁板沖壓生產(chǎn)的質(zhì)量問題將會(huì)得到更多的改善和進(jìn)步。

王飛飛，工程師，主要從事沖壓工藝同步開發(fā)及工藝設(shè)計(jì)。參與多個(gè)鋁件項(xiàng)目工藝開發(fā)，申報(bào)2項(xiàng)專利，1項(xiàng)東風(fēng)核心專有技術(shù)。