沖壓鋁合金板的開發(fā)管理

文／姬偉·山西吉利汽車部件有限公司

新能源汽車市場滲透率在快速上揚，新能源有別于傳統(tǒng)燃油車的三大件，整車輕量化是必然趨勢。目前新材料(如碳纖維)和內(nèi)高壓件等已逐步應用到車身結構上，鋁合金零件的應用更是成為當前中高檔車的選擇。在同等條件下，如機蓋總成的重量，鋁相對于鋼減重在60%以上，且防腐的性能優(yōu)于傳統(tǒng)的鋼件，本文將從鋁材料、鋁板的工藝設計、生產(chǎn)維護等方面開展研究。

當前世界各國面對環(huán)境的變化，都在努力積極地應對“碳達峰、碳中和”的目標。新能源汽車的發(fā)展將秉承人們對環(huán)保、極致體驗的電動化、網(wǎng)聯(lián)化、智能化、共享化的“新四化”汽車的追求。鋁板因特殊的材質屬性，具有重量輕、抗腐蝕的優(yōu)點。鋁板較鋼板的抗腐蝕能力強，針對整車的防腐來說，不需要像鋼板一樣做預磷化或鍍鋅的處理。鋁板也存在一些缺點：如鋁板的材料成本偏高，因其硬度較低更容易被劃傷和擦傷，鋁板磕碰后不易修復，焊接性能較差等。根據(jù)金屬鋁的合金元素、加工工藝的特性，可基本將鋁分為變形鋁合金、鑄造鋁合金兩大類。新能源汽車中使用的汽車板則采用的是變形鋁合金，如非熱處理的5000 系、熱處理后的6000 系鋁板，合金元素主要為鎂、硅等元素，這兩大類系列的鋁板具備良好的抗拉強度、抗腐蝕性，同時具備更好的抗氧化能力。

鋁板材料性能特點

性能參數(shù)

與鋼板相比，鋁板成形較為困難。鋼板的密度為7.85g/cm3，鋁板的密度為2.7g/cm3，密度比為3:1。鋁合金板材在成形的過程中，因其材料彈性系數(shù)較高，回彈量高，導致零部件彈性變形較難控制，通常其回彈量為鋼板的3 倍，板件精度很難控制。以某車型為例，其機蓋中外板件采用了6016-T4P 型號鋁板、內(nèi)板則采用了5182-0 型號鋁板。鋁板性能參數(shù)見表1。

表1 鋁板性能參數(shù)表

性能特點

⑴鋁板屈服強度：屈服強度是鋁板成形最好的評定參數(shù)，鋁板的屈服強度低，從成形開始就發(fā)生塑性變形。一般的鋼板屈服強度在210MPa 左右，鋁板屈服強度約為130 ～165MPa，根據(jù)材料特性的分析，提高n 值可以改善鋼板的成形性，但是無法對鋁板的成形性進行改善。

⑵鋁板的延展性：延展性是指在材料未開裂的前提下，材料在線性方向上的長度發(fā)生的變化。通常鋼板的伸長率約在40%，但是鋁僅僅為25%，延長的差異在15%～20%，應變應力對比如圖1 所示。鋁板因伸長率較鋼板小，鋼的伸長率通常約為40%，鋁僅約為25%，故變形量比鋼板小。在沖壓工藝的分析和實際生產(chǎn)過程中，其成形的R 角和拔模的角度比鋼筆類零部件更為苛刻，在整車造型階段需要考慮產(chǎn)品的型面復雜程度，但不宜過于復雜。CAE 通常變薄率不要超過20%，但是結合生產(chǎn)實際情況，GCA試驗極限約為15%，在生產(chǎn)的過程中還要涂拉延油。

圖1 鋼板與鋁合金板應變應力對比

鋁板工藝設計

鋁板在工藝設計時首先要避免二次成形，因為無法控制二次成形帶來的彈性應變，盡量保證拉深直接一次到位。鋁合金成形過程中，較小的R 角容易開裂。目前通常的對策是，最小R 角應滿足R/t ＞5 的要求，產(chǎn)品型面設計時R 角大于10mm，避免造成成形開裂等問題。

鋁板拉深過程中通常的開裂處發(fā)生在拉延筋條附近，模面設計時要規(guī)避出現(xiàn)尖銳的圓角，同時盡量考慮設置單道筋條，在CAE 階段明確鋁板的變薄率須控制在17%以內(nèi)。

CAD 面的設計應確保拉延筋完全貼合，保證后續(xù)鉗工研配，避免拉延筋不光順而刮傷鋁板，同時規(guī)避鋁屑堆積在凹R 槽內(nèi)。為保證不因為模具預變形造成零部件質量問題的產(chǎn)生，上模工藝面應按照標準進行避空，通常確保在100mm 以上，遇到特殊情況盡量選擇零件的特征線條進行規(guī)避，同時應采用過渡R角。在工藝補充面的設計上，要低于產(chǎn)品的延伸面，這樣可降低產(chǎn)品的回彈，設計不當?shù)膲哼吶π兔鏁斐珊夏r板料起皺，直接影響其表面品質。同時，工藝補充面延伸零件的形狀要避免采用雙曲面和球面的造型。另外，最重要的是應避免將產(chǎn)品的部分設計在壓邊圈型面上。

模具結構設計

拉延模具

對于外板零件來說，拉延工序的模具型面不接受補焊的方式，其會影響外觀件的AUDIT 分值，目前對于拉延工序型面的調整，普遍采用的方式是通過降低加工拉延工序模具的型面進行逐步的調整，模具在投鑄之前將上下模芯的厚度預設為80 ～100mm(圖2)，后期若需要調整，利用墊板對整體模具的高度進行調整即可。

圖2 拉延模結構圖

另外，由于鋁板自重較輕，沖壓生產(chǎn)SPM ≥8 時，更容易被吸附到上模腔體中。最簡單的解決方法就是在沖壓生產(chǎn)時將模具腔體內(nèi)的空氣全部排出，在模具結構設計時需要考慮模具的整體排氣孔的貫通，同時下模模具凸模與壓邊圈的間隙需在3mm 以上，必要時考慮在上模合適的位置增加ST+10mm 以上的頂出銷以利于零件脫出。

切邊模具

生產(chǎn)時的碎屑將導致效率緩慢，同時零部件也容易造成開裂、劃傷等問題。在結構設計時需要特別注意以下幾點：①切刀刃口的刃入量通常為t ＋(2 ～3)mm；②因為自重較小，所以切刀的間隙按板厚8%～11%進行設計；③上模刀口不做波浪刀的結構形式，要做成階梯刃口或者平刃口，同時刃口要做C0.2mm 倒角處理；④標準沖頭需要采用帶彈頂銷的結構形式，另外較大的工藝孔需要在切刀的四角增加彈頂銷。

切刀材質的選擇上與傳統(tǒng)的HMD5＋火焰淬火不一樣，當前鋁合金的切刀在業(yè)內(nèi)使用較多的是美國芬可樂S7 模具鋼，其為鉻鉬合金具有高耐沖擊和高韌性，并且具有易加工、易熱處理的特性。針對切邊在實際過程中造成的鋁屑問題，切刀位置的排布也較為重要，目前廣泛采用二次切斷和分次切斷的工藝(圖3)，特殊位置采用浮動刀進行切斷。切邊間隙通常來說按t×(5%～7%)，對于外板來說間隙先設定為0，然后在試模的過程中將過緊的點去掉，保證間隙在0.05 ～0.07mm 之間，刀口的間隙直接影響毛刺和碎屑的產(chǎn)生。

圖3 切邊模具二次切斷示意圖

翻邊整形模具

因鋁板反彈量比鋼板大很多，為減少鋁板的反彈，除了在CAE 階段做好反彈的效果外，還需要通過壓料板、翻邊刀位置的變更來對成形的R 角進行強壓，降低板件成形后的反彈。翻邊整形模具示意圖見圖4。

圖4 翻邊整形模具示意圖

鋁板包邊

在鋁板包邊過程中，需釋放R 角處的應力。其彎曲性能較差，因此在包邊時容易產(chǎn)生裂紋，包邊不可設計為平角，通常采用水滴狀的結構形式，整體高度為3.3t。折邊模具示意圖見圖5。

圖5 折邊模具示意圖

鋁板的生產(chǎn)管理

鋁板時效的管理

鋁板材料有效期與鋼板存在明顯差異點，以6000 系鋁板為例，鋁板退火熱處理完成后的屈服強度約為130MPa，放置3 個月后的屈服強度約增加20MPa 至150MPa，放置6 個月后屈服強度約在165MPa以上。根據(jù)生產(chǎn)實際，以6000系的材料為例，退火熱處理完成后超過6 個月，會因為過硬以至于無法成形，生產(chǎn)過程中板材容易出現(xiàn)開裂的情況，將造成公司成本的損失。

鋁合金生產(chǎn)線體的差異

很多主機廠為鋼鋁混線生產(chǎn)，鋁板為無磁材料，鋼板的拆垛是通過磁場效應進行分張，但對鋁板無效。目前較為常見的鋁板拆垛是使用“氣刀”，如圖6 所示，其原理是利用吹入壓縮空氣將板料分離，然后通過端拾器吸走。隨著生產(chǎn)節(jié)拍提升的要求，目前很多同行也逐步開始采用預分張氣刀來提升效率。氣刀工作圖見圖7。

圖6 氣刀工作原理圖

圖7 氣刀工作圖

生產(chǎn)中的鋁屑處理方式

對于外板或者內(nèi)板外露面來說，碎屑是鋁板沖壓生產(chǎn)切邊過程中的最大困擾。目前在生產(chǎn)中可以通過在切刀的刃口涂抹機械黃油的方式，對生產(chǎn)中的碎屑進行粘附；另外在后工序增加吹氣的裝置(圖8)，通過真空設備進行碎屑的吸附工作。

圖8 PAD 增加吹氣管

鋁板模具的維護保養(yǎng)

鋁板模具維保與鋼板模具存在一定的差異。尤其外板類的模具，在每批次生產(chǎn)均需要對模具進行表面的維護，同時2 ～3 批次后進行深度的維護保養(yǎng)，需要將模具所有的鑲塊拆除，對模具整體進行清洗，深度維保時間較鋼板模具增加約3 倍以上，同時每間隔約2000 沖次對模具的成形R 角要全部進行一次拋光處理。

對于模具實際生產(chǎn)情況來說：①拉延模在每次生產(chǎn)完畢后由模具鉗工對生產(chǎn)的型面、拉延筋條的成形R 角部位進行重點的檢查，確認是否有拉傷的情況發(fā)生。另外，要結合CGA(網(wǎng)格試驗)分析數(shù)據(jù)，對拉延模具中應變的集中范圍或區(qū)域進行專項檢查和修復。②對于切邊模，在每次生產(chǎn)完畢后要對整個模具進行清洗作業(yè)，去除模具表面的雜質和鋁碎屑，同時對上下刃口進行全面的檢查，包括檢查刃口是否有卷邊、發(fā)黑和裂紋等，如果存在問題要對刃口進行及時修復和拋光。③對于翻邊整形模具，維保步驟與切邊模具基本一致，重點關注翻邊和整形刀塊的磨損情況，其表面PVD 處理或鍍鉻的情況需要重點監(jiān)控。

外觀件鋁板的質量判斷工具

因為鋁板質地較軟，單純采用鋼板的油石很容易造成鋁板件表面出現(xiàn)劃傷，在白車身經(jīng)過涂裝電泳后較為明顯且目視可以看到。目前業(yè)內(nèi)對于鋁板的質量檢驗多采用膠木型的油石，可以避免檢驗過程中的劃傷。

結束語

當前輕量化車身需要應用更多鋁合金材質的沖壓件，本文對鋁板的特性、設計、生產(chǎn)、制造、開發(fā)等各環(huán)節(jié)進行研究論證，對鋁板材應用提出了時效性、成形性、表面處理特性、抗凹性等性能的要求，未來我們將致力于使這些相互矛盾的特性達到合理的匹配，同時賦予板材合理的性價比，讓更好的材料能夠應用到新車型開發(fā)上。