目前，鋁合金汽車覆蓋件在國(guó)內(nèi)的使用仍處于起步階段，國(guó)內(nèi)模具廠家對(duì)于鋁板覆蓋件沖模的工藝分析、設(shè)計(jì)和品質(zhì)控制手段等也還在探索過程中。通過對(duì)汽車用鋁的特性進(jìn)行分析說明，在此基礎(chǔ)上對(duì)汽車覆蓋件用鋁合金板材沖壓品質(zhì)控制方法、鋁合金板材模具設(shè)計(jì)要點(diǎn)及量產(chǎn)應(yīng)用注意事項(xiàng)進(jìn)行了闡述，為成形鋁合金汽車覆蓋件的模具設(shè)計(jì)及量產(chǎn)布局規(guī)劃提供參考。

隨著節(jié)能減排及環(huán)保要求的提升，汽車輕量化的需求高漲。研究表明，汽車每減輕10%的質(zhì)量，相當(dāng)于提高8%～10%的燃油效率。鋁合金板材具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、抗腐蝕性能好的特點(diǎn)，廣泛用于汽車輕量化制造。鋁的密度是2.7g/cm3，是鋼鐵密度的1/3左右，以鋁板厚度為鋼板厚度的1.44倍為例，減重效果可達(dá)到50%，車身質(zhì)量對(duì)燃油消耗量的影響如圖1所示。鋁合金板材性價(jià)比效果明顯（見表1），鋁合金板材在汽車覆蓋件方面的應(yīng)用正在逐步擴(kuò)大，是汽車輕量化的有效手段。目前，在寶馬、奧迪等一些高端車型中，鋁質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)蓋、翼子板以及門外板等已被大量采用。在最近的車型中，捷豹XJ、奧迪A8等幾乎實(shí)現(xiàn)了全鋁車身，車身單位面積上的平均質(zhì)量由傳統(tǒng)的100kg/m2以上大幅減少至65kg/m2左右。


圖1 車身質(zhì)量對(duì)燃料效率的影響



但鋁合金板材在沖壓性能方面存在一些弱點(diǎn)，在成形特性、成形工藝和生產(chǎn)條件要求等方面與傳統(tǒng)的鋼板沖壓成形有較大差別。以下主要對(duì)鋁合金板材的成形特性和沖壓成形技術(shù)進(jìn)行分析，并對(duì)鋁合金板材在汽車覆蓋件模具設(shè)計(jì)及量產(chǎn)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行闡述。

汽車覆蓋件用鋁合金板材的種類與材料特性

純鋁材質(zhì)偏軟、強(qiáng)度低，為保持其優(yōu)點(diǎn)，提高板材的成形性，得到較低的屈強(qiáng)比、較高的加工硬化速率、均勻的延伸率、加工硬化指數(shù)n和塑性應(yīng)變比r值較高。通過Mg、Si等元素的加入，產(chǎn)生了各種系列的鋁合金板，改善其力學(xué)性能和成形性。用在汽車覆蓋件的鋁合金主要為5000系（Al-Mg）和6000系（Al-Mg-Si）鋁合金。

5000系鋁合金板在強(qiáng)度、成形性、表面處理性和抗腐蝕性等方面具有普通碳鋼板的優(yōu)點(diǎn)，但有2個(gè)明顯缺點(diǎn)：延遲屈服和呂德斯線（stretcher-strainmark）。板材成形時(shí)易出現(xiàn)桔皮效應(yīng)，如圖2所示，增加Mg含量可以一定程度上抑制呂德斯線的產(chǎn)生，但是隨著Mg含量的增加，拉伸性能下降明顯，加工硬化現(xiàn)象嚴(yán)重。因此在覆蓋件中5000系鋁合金板材多用于內(nèi)板件，要求較高的外觀件一般采用6000系鋁合金板材成形。


圖2 5000系鋁材成形后產(chǎn)生的呂德斯線

6000 系鋁合金由于加入了Mg-Si 合金元素，強(qiáng)度和塑性良好結(jié)合，具有優(yōu)良的綜合性能。與鋼板相比，6000系-T4態(tài)板材的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度相近，n值超過鋼板。此外，6000系是烘烤強(qiáng)化合金，在沖壓成形后，經(jīng)油漆烘烤硬化(bakingharden，BH)后可達(dá)到強(qiáng)化目的，性能進(jìn)一步提升。鋁合金板材還可直接利用原有的生產(chǎn)線適當(dāng)改造后進(jìn)行加工。



用于成形汽車覆蓋件的鋁合金板材主要成分和力學(xué)性能如表2所示。鋁合金板材屈服強(qiáng)度δs和抗拉強(qiáng)度δb與低碳鋼處于同等水平，但延展性不如低碳鋼。鋁材和鋼材應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示，鋁合金板材在最大應(yīng)力后的拉伸（局部拉伸）明顯比低碳鋼差，這是成形性差異的主要原因。


圖3 鋁合金與鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

汽車覆蓋件用鋁板的成形性能分析

延展性與深拉深性

延展性是指材料在未開裂的前提下在線性方向上的長(zhǎng)度變化。由表2可見，鋁合金板與強(qiáng)度接近的鋼板對(duì)比，軟鋼汽車板由于具有較高的n值 （0.20~0.28）、高的r值（1.3 以上），總延伸率大于40%，具有良好的延展性和深拉深性；而鋁合金的r值通常在0.6~0.8，總延伸率只有25%左右，鋁合金板材的深拉深性能比鋼板低約30%，如表3所示。



屈服強(qiáng)度與回彈

鋁材的楊氏彈性模量E為鋼板的1/3，故變形中彈性應(yīng)變占比大，回彈比鋼板要大3倍左右。鋁板要盡量避免二次成形或整形，回彈的整改一般在拉深過程中實(shí)施。根據(jù)這一特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)鋁合金沖模時(shí)必須充分考慮。根據(jù)長(zhǎng)度回彈計(jì)算公式及彎曲回彈公式：




根據(jù)公式（3）、（4）可知，回彈大小與屈服強(qiáng)度、板料厚度有關(guān)，如果使δs0.2/E增加，或者使ri/t值增加，都會(huì)導(dǎo)致回彈量增大，而屈服強(qiáng)度δs0.2的影響在所有因子中是最大的。而在材質(zhì)和厚度t均相同的情況下，彎曲半徑增加，則回彈量也會(huì)增大。

彎曲及翻邊性能分析


圖4 90°彎曲試驗(yàn)對(duì)比

鋁合金板材翻邊、彎曲加工性能比鋼板差，加工條件差異大會(huì)導(dǎo)致板材彎曲部位褶皺及開裂。以90°彎曲作為試驗(yàn)條件，得出結(jié)果如圖4所示。當(dāng)90°翻邊彎曲半徑R為1mm時(shí)，翻邊后沒有出現(xiàn)不良情況；但90°彎曲半徑R為0.5mm時(shí)，當(dāng)翻邊圓角R與內(nèi)板厚度t的比值在0.4以下時(shí)，表層開裂。試驗(yàn)表明彎曲半徑對(duì)彎曲有明顯影響。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將彎曲翻邊圓角盡量放大。在不同翻邊彎曲半徑下，彎曲及翻邊減薄率對(duì)比的情況如圖5所示。


圖5 彎曲及翻邊減薄率對(duì)比

時(shí)效硬化

鋁合金熱處理后可得到過飽和的鋁基固溶體，這種過飽和鋁基固溶體在室溫或加熱到某一溫度時(shí)，其強(qiáng)度和硬度隨時(shí)間的延長(zhǎng)而增大，但塑性降低，這一過程稱時(shí)效。時(shí)效過程中使鋁合金的強(qiáng)度、硬度增大的現(xiàn)象稱之為時(shí)效強(qiáng)化或時(shí)效硬化。


圖6 汽車鋁合金板時(shí)效周期推移

5000系列的材料時(shí)效變化很小，可認(rèn)為無時(shí)效硬化現(xiàn)象，但6000系列材料進(jìn)行熱處理后，有時(shí)效硬化，時(shí)效硬化周期如圖6所示。以6000系列的鋁材為例，新置材料的屈服強(qiáng)度為130MPa，存放3個(gè)月后的屈服強(qiáng)度為150MPa，存放6個(gè)月后的屈服強(qiáng)度為165MPa，如果存放時(shí)間超過6個(gè)月，6000系鋁材將發(fā)生過硬導(dǎo)致成形困難。

汽車覆蓋件用鋁合金板材沖壓品質(zhì)控制方法

鋁材薄板成形時(shí)常見品質(zhì)問題與控制方法

（1）開裂：鋁板延伸率比鋼板小，故允許變形量比鋼板小，極易開裂，建議設(shè)置成形圓角和脫模角度時(shí)要比鋼板成形適當(dāng)放寬。

（2）起皺：鋁板塑性較差，在沖壓成形時(shí)容易起皺，對(duì)于深拉深件，在側(cè)壁盡可能增加吸皺凸包，有利于解決起皺問題。

（3）板料時(shí)效：5000系材料由于無后序熱處理工藝，時(shí)效性比6000系材料好，但一般建議時(shí)效控制在9個(gè)月內(nèi)。

（4）表面劃傷：由于鋁板材質(zhì)軟，對(duì)模具零件表面的粗糙度要求高，模具成形零件表面時(shí)建議實(shí)施鍍鉻處理，表面檢查時(shí)盡量避免使用硬油石打磨，可采用膠木軟油石代替打磨模具成形零件表面以減少劃傷。鋁板成形模鍍鉻比鋼板成形模要求更高，平面鍍鉻厚度控制在7~15μm，R部位保證在20μm以上。

鋁材薄板的成形回彈精度控制

回彈是沖壓成形零件的重要問題之一，尤其對(duì)于鋁合金板沖壓成形，對(duì)回彈的控制除了現(xiàn)有模擬分析手段外，采用調(diào)試與設(shè)計(jì)的充分聯(lián)動(dòng)，通過設(shè)計(jì)指導(dǎo)模具調(diào)試是改善成形回彈、提升零件精度的重要手段。

（1）鋁合金板回彈比鋼板要大3倍左右，建議主要在拉深工序上控制回彈，盡量避免整形等二次成形。

（2）調(diào)試與設(shè)計(jì)充分聯(lián)動(dòng)，鋁材模具調(diào)試周期比一般鋼板模具周期長(zhǎng)，出現(xiàn)回彈較大的情況時(shí)，通過設(shè)計(jì)回彈補(bǔ)償實(shí)施模具型面的再加工、研配，以達(dá)到改善目的。

（3）鋁板模具的型面著色率達(dá)到90%以上，調(diào)試沖次數(shù)增加到一般鋼板模具的3倍左右，以充分達(dá)到穩(wěn)定成形的狀態(tài)。

減少鋁材薄板切屑控制表面缺陷

鋁合金板由于質(zhì)量較輕、材質(zhì)較軟，在切邊工序及翻邊工序易產(chǎn)生碎屑落到零件表面導(dǎo)致壓傷，造成表面質(zhì)量缺陷。針對(duì)切屑一方面可通過工藝改善減少碎屑的產(chǎn)生；另一方面可通過輔助工裝實(shí)現(xiàn)碎屑的及時(shí)清理。



（1）在工藝上，修邊沖孔角度盡可能小，如果需在斜面上進(jìn)行修邊剪切時(shí)，表4所示的鋁板切邊角度及刃口間隙、刃口半徑參數(shù)可供參考。圖7展示了一種減少碎屑產(chǎn)生的切邊刀口的改善方案，經(jīng)試驗(yàn)碎屑發(fā)生率可降低70%，但刃口的耐用性有待進(jìn)一步驗(yàn)證。


圖7 改善切邊刀口示意圖

（2）在模具中增加吹屑裝置或負(fù)壓裝置，可在成形間隙時(shí)間將殘留在模具內(nèi)的碎屑迅速排出。

鋁合金板材模具設(shè)計(jì)要點(diǎn)及量產(chǎn)應(yīng)用注意事項(xiàng)

雖然鋁合金板材可在現(xiàn)有鋼板沖壓設(shè)備及生產(chǎn)線上實(shí)現(xiàn)沖壓成形，但由于鋁合金板材密度小，成形特性與鋼板有較大差異，在鋁合金板材的沖模設(shè)計(jì)及量產(chǎn)應(yīng)用上需針對(duì)鋁材的特性進(jìn)行改進(jìn)。

鋁合金板材模具設(shè)計(jì)要點(diǎn)

由于拉深模的上模易吸件，修邊、沖孔模的上模也易帶起板件，而下模易發(fā)生堵料的現(xiàn)象，廢料滑出也比鋼板困難。在模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要注意以下幾個(gè)方面：

（1）對(duì)于吸件的問題可在上模非成形部位加彈頂銷，也可在不造成外觀質(zhì)量問題的前提下，在上模的凹R角區(qū)域、非外觀面及避空區(qū)域增加或增大排氣孔。

（2）采用帶頂針結(jié)構(gòu)的凸模。

（3）修邊工藝優(yōu)先考慮分工序二次修邊，修邊間隙建議為鋼板修邊模具修邊間隙的1/2，修邊刀塊間的間隙控制在0.05mm以內(nèi)。

（4）翻邊工藝不能有型面干涉，翻邊間隙建議為1~1.1（t板厚）。

（5）盡量增大廢料滑出角度，滑出角度不小于30°。

鋁合金板材沖壓量產(chǎn)應(yīng)用注意事項(xiàng)

（1）對(duì)于板件分張問題，由于鋁合金板不具有磁性，一般采用氣壓分張技術(shù)為主，機(jī)械分張進(jìn)行輔助，通常可達(dá)到15SPM以上，在自動(dòng)化送料過程中采用真空吸盤吸附的形式進(jìn)行板件搬送。機(jī)械輔助分張工裝示意圖如圖8所示。


圖8 機(jī)械輔助分張示意圖

（2）鋁合金板材的返修管理：由于鋁合金板材易產(chǎn)生碎屑，零件表面外觀小瑕疵較多，返修量較大，尤其是鋁合金返修產(chǎn)生的鋁粉積聚后遇火易爆炸。鋁合金板材需要配建專用的鋁材返修房進(jìn)行返修工作，在返修的同時(shí)同步收集鋁粉。

（3）鋁合金零件的包邊：汽車的4門和前后蓋零件沖壓成形后還需進(jìn)行內(nèi)外板的彎曲包邊結(jié)合。由于存在時(shí)效硬化，如果零件放置時(shí)間過長(zhǎng)則會(huì)導(dǎo)致彎曲包邊時(shí)開裂，在零件沖壓后需在時(shí)效硬化前完成彎曲包邊工序。