鋁板成形技術(shù)在新能源汽車(chē)上的應(yīng)用

文/甘海強(qiáng)·浙江吉利汽車(chē)有限公司武漢分公司(路特斯)

2022 年乘用車(chē)市場(chǎng)新能源汽車(chē)占比27.6%(同比提升12.6%)，分別完成產(chǎn)銷666.3 萬(wàn)輛、649.8 萬(wàn)輛，同比均增長(zhǎng)約1 倍。純電品牌正在加速上量，搶占市場(chǎng)份額，2022 年銷量TOP30 廠商含4 家純電企業(yè)；傳統(tǒng)企業(yè)也在加快轉(zhuǎn)型電動(dòng)化，其中有6 家自主品牌新能源占比超20%。

自2010 年至2020 年，電動(dòng)汽車(chē)的電池價(jià)格下降了73%，能量密度提升了近200%。雖然電池的能量密度在不斷提升，但仍占汽車(chē)總車(chē)重的27%左右。現(xiàn)如今由賣(mài)方市場(chǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)橘I(mǎi)方市場(chǎng)的大行情下，如何使新車(chē)型在合理的成本下，降低車(chē)身重量，彌補(bǔ)電池重量增加給續(xù)航、加速、剎車(chē)距離、操控性等方面帶來(lái)的影響，從而降低造車(chē)成本尤為重要。這需要乘用車(chē)輕量化，通常有E 平臺(tái)輕量化、動(dòng)力電池輕量化、布置輕量化、材料輕量化、工藝輕量化、結(jié)構(gòu)輕量化等幾個(gè)策略。對(duì)沖壓車(chē)間相關(guān)的白車(chē)身而言，輕量化手段主要為材料輕量化、工藝輕量化、結(jié)構(gòu)輕量化。以新Accord 為例，通過(guò)變更材料并優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)減重10.9kg，車(chē)身輕量化就是需要在合適的位置選擇合適的材料并結(jié)合CAE 分析，不斷優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。

汽車(chē)沖壓鋁板

相比于鋼板，鋁板具有密度小、強(qiáng)度高、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)；而鋁板的缺點(diǎn)也很明顯——表面硬度低、塑性差、延展率低、無(wú)明顯屈服點(diǎn)，同時(shí)汽車(chē)用鋁板的生產(chǎn)廠家少、生產(chǎn)工藝復(fù)雜、過(guò)程穩(wěn)定性差。一般鋼板的強(qiáng)度增加主要來(lái)自于沖壓塑性變形工序，但是鋁板的強(qiáng)度提升來(lái)自沖壓和涂裝烘烤兩個(gè)工序。所以對(duì)鋁板來(lái)說(shuō)，涂裝的烘烤溫度也是需要重點(diǎn)管控的因素。

汽車(chē)用鋁板一般為5 系和6 系，5 系鋁板的特點(diǎn)是伸長(zhǎng)率高，但拉伸時(shí)間長(zhǎng)后會(huì)出現(xiàn)呂德斯帶，不適宜用于外觀件；6 系鋁板的特點(diǎn)為板料在經(jīng)過(guò)熱處理后具備較好的塑性及伸長(zhǎng)率，烘烤后強(qiáng)度會(huì)有較大上升且表面光滑，適用于外覆蓋件。6 系鋁板自熱處理后屈服強(qiáng)度會(huì)隨時(shí)間逐漸上升，最終強(qiáng)度會(huì)比初始期上升40MPa(圖1)。板料的屈服強(qiáng)度過(guò)大會(huì)不利于鋁板成形，所以鋁板有效期為熱處理后的6 個(gè)月，模具設(shè)計(jì)時(shí)也會(huì)用合格料、過(guò)期料兩種狀態(tài)模擬，調(diào)試時(shí)也以兩種狀態(tài)調(diào)試。6 系鋁板臨近有效期后，除了沖壓會(huì)產(chǎn)生開(kāi)裂外，滾邊或者包邊過(guò)程也會(huì)發(fā)生開(kāi)裂現(xiàn)象。

圖1 6 系鋁板自熱處理后屈服強(qiáng)度

優(yōu)良鋁板模具開(kāi)發(fā)

優(yōu)良的鋁板模具通常需要經(jīng)過(guò)工藝設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)、模具制造三個(gè)環(huán)節(jié)，每個(gè)環(huán)節(jié)都缺一不可。

工藝設(shè)計(jì)

鋁板件拉延模工藝設(shè)計(jì)要點(diǎn)包括：⑴立壁拔模角度盡量在25°以上，有利于材料的流動(dòng)；⑵材料盡可能的充分成形；⑶鋁板件成形盡量一次到位；⑷材料不能流過(guò)拉延筋，否則難以控制材料的流動(dòng)；⑸在流入量較大的地方，考慮使用雙圓筋控制材料的流動(dòng)；⑹充分模擬制件成形性及回彈分析，加大制件回彈補(bǔ)償量(多種模擬軟件交叉驗(yàn)證Dynaform、Autoform、Pamstamp)，特別是對(duì)于零件成形性分析，開(kāi)裂、回彈、扭曲等幾個(gè)方面進(jìn)行模擬分析。

每一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)都有著獨(dú)立評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，例如開(kāi)裂模擬，在CAE 模擬中18%的減薄，實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)中都會(huì)產(chǎn)生縮頸，所以SE 分析階段減薄率，一般都建議控制在15%～18%。

鋁板件修邊模工藝設(shè)計(jì)要點(diǎn)包括：⑴鋁板的修邊模采用分塊修邊的形式，盡量避免使用廢料刀，減少碎屑；⑵如果廢料尺寸超差，或者工序數(shù)量的限制，必須使用廢料刀，建議使用浮動(dòng)廢料刀；⑶像機(jī)蓋、頂蓋類制件在送料方向上，考慮使用二次切斷技術(shù)；⑷鋁板修邊時(shí)，鑲塊要均勻刃入且刃入量約3mm；⑸修邊時(shí)避免波浪刃口，類似機(jī)蓋也盡量不做翻邊波浪補(bǔ)償；⑹采用CAM 修邊時(shí)要考慮拉延筋是否存在負(fù)角，如果有負(fù)角，拉延筋要做處理，減少碎屑的產(chǎn)生。

鋁板件翻邊模工藝設(shè)計(jì)要點(diǎn)(圖2)：⑴翻邊鑲塊上的圓角Rs——鋼板翻邊時(shí)，翻邊鑲塊上的圓角一般做到R2mm，鋁板要做的適當(dāng)大一些，做到R6mm；⑵翻邊下模的圓角Rp——鋼板翻邊模的下模圓角一般是R1mm，有時(shí)可以做成直角，鋁板的下模圓角要求適當(dāng)大一些Rp ≥1.5t；⑶翻邊間隙——鋁板的翻邊間隙H 必須大于料厚，通常取H=(1.1 ～1.3)t；⑷ 翻邊鑲塊的刃入量——鋁板翻邊鑲塊的刃入量最好同于翻邊高度L。

圖2 鋁板件翻邊模工藝設(shè)計(jì)要點(diǎn)

模具設(shè)計(jì)

鋁板件拉延模設(shè)計(jì)要點(diǎn)：⑴為避免沖次快的時(shí)候鋁板被上模帶起，壓邊圈和凸模的間隙比鋼板模更大，排氣孔更多；⑵拉延模凹凸模、壓邊圈型面部分鑄造壁厚超過(guò)60mm；⑶為避免生產(chǎn)過(guò)程中鋁板被上模帶起，選擇退料夾鉗，禁止使用彈頂銷退料。

鋁板件修邊模設(shè)計(jì)要點(diǎn)：⑴鋁板修邊時(shí)，鑲塊要均勻刃入，鑲塊刃入量約3mm；⑵拉延后的制件在修邊模上的符型差小于1mm，包含工藝補(bǔ)充部分；⑶鋁板件的修邊間隙約為7%～15%的料厚，修邊鑲塊工作區(qū)長(zhǎng)度2mm；⑷鋁板修邊模的符型區(qū)(20 ～30mm)要比鋼板小，減少碎屑以及模具對(duì)制件造成的傷害；⑸一級(jí)滑料板角度大于25°；⑹所有沖頭、上修邊刀必須設(shè)計(jì)有彈頂銷退料。

鋁板件翻邊模設(shè)計(jì)要點(diǎn)：⑴翻邊符型區(qū)——鋁板對(duì)碎屑引起的壓痕非常敏感，為了減少模具對(duì)制件型面的傷害，鋁板壓料芯的符型區(qū)盡量做小，取20mm 左右；⑵壓料芯的壓力——為了保護(hù)鋁板件的表面質(zhì)量，在保證壓住料的情況下，壓料芯的壓力越小越好。

模具制造

在完成工藝設(shè)計(jì)以及模具設(shè)計(jì)兩個(gè)階段后，就需要根據(jù)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)將模具制造出來(lái)。在對(duì)鋁板件模具進(jìn)行驗(yàn)配調(diào)試時(shí)同樣有許多要點(diǎn)，對(duì)于拉延模，需要注意研合壓邊圈的著色、壓邊圈間隙的測(cè)量、調(diào)壓墊高度的調(diào)整、模具的拋光；對(duì)于修邊模，需注意修邊間隙的大小、修邊刃口圓角的制作、修邊刃口的保養(yǎng)；對(duì)于翻邊模，需注意翻邊鑲塊工藝及預(yù)翻處理、翻邊鑲塊標(biāo)識(shí)、非工作面要做圓角。

鋁板沖壓生產(chǎn)

沖壓車(chē)間的工藝主要分為六部分——板料存儲(chǔ)、分張與對(duì)中、清洗涂油、沖壓過(guò)程、檢驗(yàn)與裝箱、返工與返修，如圖3 所示。

圖3 沖壓車(chē)間的主要工藝

板料存儲(chǔ)

板料存儲(chǔ)是沖壓生產(chǎn)的基礎(chǔ)，板料的質(zhì)量與沖壓自制件的質(zhì)量緊密相關(guān)。板料存儲(chǔ)有以下五點(diǎn)基本要求：⑴板料庫(kù)區(qū)濕度不宜過(guò)大；⑵板料庫(kù)區(qū)溫差不宜過(guò)大；⑶保證板料庫(kù)區(qū)清潔度；⑷鋁板拆包后單片翹曲度需要平臺(tái)檢測(cè)，檢測(cè)后的板料報(bào)廢處理；⑸鋁板所使用的拉延油粘度高達(dá)80Pa·s，且在-15℃會(huì)固化，所以板料庫(kù)區(qū)溫度要求為20℃左右。

分張與對(duì)中

鋁板分張功能是由氣刀和拆垛的伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)氣刀噴出的高壓氣體分開(kāi)板件，控制各伺服電機(jī)的動(dòng)作順序，抖掉可能的雙料。氣刀需要單獨(dú)的供氣系統(tǒng)，壓力1MPa，保持流量穩(wěn)定。雙料傳感器示教需要以實(shí)物示教，避免雙料傳入壓機(jī)。伺服電機(jī)輔助分張功能可以實(shí)現(xiàn)板件邊緣的吸盤(pán)先動(dòng)作，將板件邊角抓起，便于壓縮空氣進(jìn)入板件間，實(shí)現(xiàn)分離。

鋁板傳輸采用真空皮帶傳輸，板料過(guò)窄會(huì)導(dǎo)致真空吸力不足，導(dǎo)致跑偏。產(chǎn)品規(guī)劃需要注意整個(gè)板料都需要被真空皮帶吸附，防止生產(chǎn)出現(xiàn)停線故障，做SE 分析時(shí)要提前識(shí)別此風(fēng)險(xiǎn)。

清洗涂油

為了保證沖壓過(guò)程中板料充分成形，一般會(huì)根據(jù)自制件成形的難易程度來(lái)選擇是否對(duì)板料進(jìn)行清洗或涂油。

清洗是指使用與板料表面一致的拉延油通過(guò)清洗機(jī)刷輥對(duì)板料表面的灰塵、油污進(jìn)行清洗。一般采用干式清洗的形式，清洗機(jī)刷輥需要按照規(guī)定的頻率和方法做PM 維護(hù)。區(qū)別于常用的干式清洗，濕式清洗則需要考慮潤(rùn)滑油的兼容性，同時(shí)也需要考慮鋁板表面油膜與鋼板是否一致，以減少油液混合風(fēng)險(xiǎn)，延長(zhǎng)清洗油的使用壽命。

涂油是指使用涂油機(jī)對(duì)拉延油進(jìn)行加熱后，按照提前設(shè)定好的噴涂面積、噴涂厚度等參數(shù)對(duì)板料進(jìn)行噴涂。為了防止出現(xiàn)對(duì)成形無(wú)價(jià)值的“點(diǎn)狀涂油”，在模具調(diào)試時(shí)就會(huì)使用油膜測(cè)厚儀對(duì)設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行校核。

沖壓生產(chǎn)過(guò)程

沖壓生產(chǎn)過(guò)程是指沖壓車(chē)間使用不同工序的模具使板料充分成形至固定形狀、尺寸零件的過(guò)程，一般的工序分為拉延、修邊、沖孔、翻邊、整形，如果有特殊的工藝需求，也有壓鉚等工藝。

區(qū)別于鋼板，對(duì)鋁板進(jìn)行拉延時(shí)更加考驗(yàn)板料的各項(xiàng)性能。特別是被用于外板件的6 系鋁板具備很強(qiáng)的時(shí)效性，一旦鋁板熱處理的時(shí)間臨近6 個(gè)月的有效期，其屈服、抗拉性能都會(huì)發(fā)生劇烈上升，此時(shí)壓機(jī)液壓墊壓力有可能需要+100%以上，才可使板料成形完全。在使用鋁板時(shí)通常有以下四點(diǎn)注意事項(xiàng)：⑴板料先進(jìn)先出嚴(yán)格按6 個(gè)月有效期消耗；⑵模具CAE 模擬時(shí)按照正常板料和過(guò)期板料兩個(gè)參數(shù)模擬，以備萬(wàn)一；⑶鋁板易拉傷，模具表面拋光砂紙需要用到800#以上目數(shù)(鋼板模具一般用400#即可)；⑷模具沖頭和切邊刀塊及翻邊刀塊間隙要求均勻(8%～15%)，刃口區(qū)域涂布DLC 涂層，防止燒結(jié)粘連。

檢驗(yàn)與裝箱

成形好的沖壓自制件會(huì)被穿梭機(jī)送至線尾皮帶機(jī)上，線尾作業(yè)人員會(huì)依次對(duì)自制件進(jìn)行在線檢、裝箱、入庫(kù)，同時(shí)，也會(huì)根據(jù)生產(chǎn)需求在線尾和Audit 間對(duì)自制件進(jìn)行有頻次的離線檢。作業(yè)人員的檢驗(yàn)也有四點(diǎn)注意事項(xiàng)：⑴檢驗(yàn)不能使用普通油石；⑵對(duì)于無(wú)法用油石檢驗(yàn)出來(lái)的缺陷，可以使用高亮油對(duì)光檢測(cè)；⑶評(píng)審間的燈光帶需滿足整車(chē)評(píng)審需求；⑷高亮油在存儲(chǔ)、使用時(shí)需要做好防爆處理。

返工與返修

對(duì)于沖壓車(chē)間生產(chǎn)的有質(zhì)量缺陷的零件，車(chē)間的返修人員會(huì)對(duì)零件進(jìn)行返工、返修，缺陷過(guò)重而無(wú)法返修的零件會(huì)直接做報(bào)廢處理。在鋁板返修間返修零件時(shí)，需特別注意鋁板返修間需要具備防爆吸塵設(shè)備。鋁板焊接時(shí)需要購(gòu)買(mǎi)專用的焊機(jī)與焊絲。

結(jié)束語(yǔ)

鋁合金板料在沖壓成形過(guò)程中，回彈及成形性對(duì)零件質(zhì)量影響非常大，但是通過(guò)合理的工藝、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等手段，沖壓能夠在制造過(guò)程中克服重重困難，制造滿足整車(chē)質(zhì)量的零件，以達(dá)到降低車(chē)身重量的需求。