某車型鋁合金結(jié)構(gòu)件沖壓工藝設(shè)計(jì)及回彈補(bǔ)償方法

王濟(jì)澤

（一汽模具制造有限公司，吉林長春130000）

1 引言

近年來鋁合金憑借其相對(duì)簡單的工藝、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?？紤]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

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

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。

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6 斜修及拉伸筋設(shè)計(jì)

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

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)

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)

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)

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

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。