鋁板零件的切屑壓傷研究

文/于志鵬·長安福特汽車有限公司杭州分公司

鋁板零件的切屑壓傷研究

文/于志鵬·長安福特汽車有限公司杭州分公司

于志鵬，沖壓工藝工程師，主要從事模具開發(fā)、調(diào)試、沖壓生產(chǎn)中模具問題的解決工作。

目前隨著汽車輕量化的需求，鋁板越來越多使用在車身上面；輕量化的車身對降低油耗有著顯著的作用，各個主機廠都開始著手對鋁板零件的開發(fā)；鋁板屬于新材料新技術(shù)的應(yīng)用，在國內(nèi)還沒有普遍使用，目前各個主機廠都在探索其使用過程；本文主要探討鋁板零件生產(chǎn)過程中的切屑問題及解決辦法。本文以我公司發(fā)動機蓋外板為例，從設(shè)計、調(diào)試、保養(yǎng)幾個方面探討如何開發(fā)、使用以及維護(hù)模具，研究鋁板零件生產(chǎn)過程中的切屑問題。

目前汽車保有量持續(xù)增加，其中燃油消耗對環(huán)境污染日益增加，現(xiàn)在各大主機廠都在應(yīng)用汽車制造輕量化技術(shù)來降低汽車的油耗。其中鋁板的應(yīng)用，是輕量化的重要一部分（純鋁的密度接近2700kg/m3，約為鐵的密度的35%），作為汽車的外覆蓋件，鋁板的應(yīng)用可以降低重量的10%左右。傳統(tǒng)的汽車外覆蓋件都使用冷軋鋼板進(jìn)行沖壓，技術(shù)成熟.目前大多數(shù)汽車廠都在試驗和摸索對鋁板的應(yīng)用，鋁的性質(zhì)與鋼板不同，在工藝上有較大不同。

鋁板發(fā)動機蓋的零件分析

發(fā)動機蓋材質(zhì)ENAW-6014，料厚1.2mm，抗拉強度280MPa，屈服強度120MPa，采用串聯(lián)自動化方式生產(chǎn)，共4序模具。鋁材料相對于鋼材硬度?。ㄤX材料硬度HB25，鋼板硬度HB50），材料伸長率差（鋁材料延伸率13%，鋼板延伸率35%）。所以零件成形較鋼板差，切邊條件不好，易產(chǎn)生切屑、切屑容易粘連、表面容易壓傷。

本零件模具根據(jù)壓機需求工藝規(guī)劃如下：

OP10（單動拉延，正裝）；OP20（修邊）；OP30（修邊+翻邊）；OP40（翻邊側(cè)修邊）。

下面從模具設(shè)計、現(xiàn)場應(yīng)用、后續(xù)問題處理三個方面來探討如何避免模具切屑。

模具設(shè)計

根據(jù)鋼板的經(jīng)驗，防止切屑壓傷需要避免交刀、減少廢料刀、控制切邊角度。

根據(jù)切邊角度的規(guī)范，修邊的沖壓方向要在70～110°之間，為了避免產(chǎn)生問題，工藝設(shè)計角度全都控制在85～95°之間，如果不能保證這個角度就采用斜楔進(jìn)行修邊。如圖1所示。

為了模具的切邊設(shè)計合理，為了防止切屑的產(chǎn)生，OP20模具只切掉了零件的前后端，這有效地避免了一次切斷的交刀廢屑，并且前后端的零件采用了2次切斷的工藝，有效地避免了零件的損傷。如圖2。

另外在實際的模具中發(fā)現(xiàn)，由于鋁屑的粘滯性較強，原有交刀的工藝缺口是按照鋼板的特性設(shè)計的，效果不好。于是我們增大了工藝缺口，深度增加至1mm，長度增加0.5mm，這樣有效地解決了此項問題；圖3所示為鋼板與鋁板設(shè)計工藝缺口形狀對比圖。其中虛線為鋼板設(shè)計工藝缺口形狀，點線為鋁板設(shè)計工藝缺口形狀，鋼板的設(shè)計工藝缺口較鋁板的大些。

圖1 OP20與OP30切邊位置圖

圖2 發(fā)動機蓋后端采用了2次切斷的工藝（紅色實線代表廢料，紅色虛線代表廢料刀）

圖3 鋼板與鋁板設(shè)計工藝缺口形狀對比圖

再次由于此零件采用了拉延筋進(jìn)行拉延控制，拉延筋為半圓形，立壁存在一定的角度，這樣會造成零件與修邊刀口的平行，即產(chǎn)生立切，這種立切會導(dǎo)致零件的切屑，所以在廢料刀的位置，拉延模面進(jìn)行了平緩處理，使切邊刀與零件垂直，這樣就有效地避免了切屑，如圖4所示。

圖4 普通位置拉延筋斷面與廢料刀位置斷面比較

模具現(xiàn)場應(yīng)用

模具調(diào)試結(jié)束后，零件進(jìn)入量產(chǎn)階段，切屑壓傷的問題造成停線率升高，我們統(tǒng)計了量產(chǎn)后3個月的切屑壓傷停線率，平均15%左右，與我們的目標(biāo)3%相差很多。

停線問題中，其中OP20，OP30，OP40在生產(chǎn)過程中切屑的壓傷較頻繁，由于鋁板材質(zhì)較軟，切屑的壓傷必須返修，此零件的一次性合格率（FTT）僅60%左右，40%的零件需要返修，與我們的目標(biāo)FTT99%相差較遠(yuǎn)；這兩點增加了沖壓生產(chǎn)的生產(chǎn)成本，返修成本大幅增加，圖5所示為改進(jìn)前的停線率以及FTT。

圖5 改進(jìn)前的停線率以及FTT

控制零件斷口的光亮帶大小來控制切屑產(chǎn)生

切邊間隙

我公司原有的鋁板生產(chǎn)經(jīng)驗并不豐富，切邊間隙選擇與鋼板大致一致，為料厚的8%，但根據(jù)鋁板較軟的特性，8%的間隙使斷口的光亮帶占比2/3左右，這樣就產(chǎn)生部分毛邊，這些毛邊在翻邊過程中極容易被摩擦掉，形成切屑。我們后來查詢了國外的標(biāo)準(zhǔn)件手冊，優(yōu)化切邊間隙，切邊刃口間隙為板料厚度的10%～12%，根據(jù)此特性對刀口進(jìn)行研修，保證所有的間隙一致。為了避免修邊結(jié)束后再次摩擦斷口，我們將刀口垂直度做到-2°，刃口粗糙度達(dá)到Ra0～20.4μm。

切邊刃入時機

切邊刀塊刃入時，首先要保證修邊刀塊刃入時機的一致性，避免零件剪切，因為剪切容易產(chǎn)生鋁條，同時刃入，可以保證零件同時被切斷從而減少切屑，刃入深度控制在3mm左右，減少刀口與零件的摩擦，從而減少切屑的產(chǎn)生。

刃口形狀

切邊刀塊與修邊刃口不能過于鋒利，在切邊刀塊與修邊刃口上用銼刀或者油石打磨一下，讓刃口有0.2mm左右的圓角，避免刃口太過鋒利。如不這樣，鋁板在切邊的過程中有被拉斷的趨勢，會產(chǎn)生更大的斷裂帶。

經(jīng)過以上處理，切邊光亮帶縮小至1/3左右，切邊切屑產(chǎn)生條件基本被阻斷，圖6為整改后零件斷面的示意圖。

圖6 整改后零件斷面的示意圖

模具及鑲塊的熱處理

根據(jù)參考國外的標(biāo)準(zhǔn)件手冊，刀塊表面涂覆鍍層，可以提高刀塊的耐磨程度，增加鑲塊的光潔度，增加鑲塊的硬度，這樣可以避免產(chǎn)生廢屑，減少模具的維修。

對于OP10拉延模具，由于為成形工序，材料在型面內(nèi)流動，由于長時間工作，難免會產(chǎn)生材料脫落，粘滯在拉延筋上，這樣也會產(chǎn)生碎屑，對于這個問題我們對模具采用了電鍍處理，增加模具的光潔度，防止摩擦產(chǎn)生碎屑，另外也增加了模具的硬度，防止拉毛對模具產(chǎn)生損傷。

對于OP20/30/40模具，我們對比傳統(tǒng)的電鍍以及TD處理，最終采用PVD技術(shù)。相對于電鍍，PVD的耐磨程度較高。相對于TD處理，PVD的處理溫度較低，約240～350℃，這樣對于鑲塊的變形有很好的控制作用。

模具結(jié)構(gòu)變更

零件的下模為了保證切邊不出現(xiàn)塌角，需要下模符型，但是經(jīng)過分析觀察，鋁屑較輕，隨著零件在壓機內(nèi)高速移動，這些切屑可能會落在下模的凸模上，這樣就造成了零件的壓傷。對于這個問題，我們計算了鋁板的抗拉強度，發(fā)現(xiàn)屈服強度小于鋼板，切邊力也小于鋼板，于是我們減少了模具下模的符型區(qū)域。我們將符型區(qū)域減少到了20mm。

同樣，對于上模，為了避免上表面的切屑壓傷，我們將上模的符型區(qū)域也進(jìn)行了縮小，縮小至15mm。這樣由于接觸面積小了，模具壓傷的概率也大大降低了；從OP20/30/40的經(jīng)驗我們總結(jié)出鋁板的修邊模具符型區(qū)域可以由40mm縮短至20mm，翻邊模具的符型區(qū)域可以由60～80mm縮短至30～40mm，如圖7所示。

圖7 模具實際符型數(shù)模與實物對照圖

模具的預(yù)防性維修（PM）

由于我公司生產(chǎn)量比較大，模具預(yù)防性維修也尤為重要，廢屑的產(chǎn)生與我們對模具的PM成反比例關(guān)系，即PM頻次越多越仔細(xì)，切屑產(chǎn)生就越少。我們的PM主要體現(xiàn)在兩個方面。

PM之一，保養(yǎng)

保養(yǎng)的頻次是每1000沖次進(jìn)行一次，內(nèi)容涵蓋刃口的清潔、模具的清潔，在生產(chǎn)結(jié)束后我們會對整體進(jìn)行清潔，擦拭模具上的碎屑，由于鋁屑較輕，我們還會在刃口上涂抹黃油，這樣漂浮的切屑會被粘在涂有黃油的鑲塊上。

對于刃口我們還會在保養(yǎng)的過程中對刃口進(jìn)行擦黑、崩口檢查，如果刃口有擦黑、崩口，我們將會在研配壓力機上進(jìn)行間隙檢查維修，防止因生產(chǎn)磨損造成的修邊間隙不良。

在生產(chǎn)過程中我們會關(guān)心廢料下滑的情況，如果遇到下滑不良的現(xiàn)象，我們會在下線時進(jìn)行廢料滑道的維修，防止由于卡廢料而造成刃口被啃到的現(xiàn)象。

PM之二，點檢

點檢的頻率是每10000沖次進(jìn)行一次，主要是模具的拆解，包含檢查導(dǎo)向部件、檢查安裝螺栓。如果導(dǎo)向部件間隙改變，螺栓松動，會導(dǎo)致切邊鑲塊活動，這樣模具就會不穩(wěn)定，導(dǎo)致切屑發(fā)生，一般對于鋁板模具的導(dǎo)向精度是0.03～0.05mm之間。

點檢的另外一項工作是給潤滑部件加油，防止因為零件疲勞造成的模具不穩(wěn)定。

對于模具預(yù)防性維修，已經(jīng)建立相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)與制度，這些可以有效地保證模具的可靠性。

結(jié)束語

經(jīng)過模具這些方面的持續(xù)的分階段改進(jìn)工作，我公司發(fā)動機蓋外板因切屑壓傷的停線時間下降至3%左右，一次性合格率達(dá)到了99%以上，大大的提高了生產(chǎn)效率，降低了沖壓生產(chǎn)的成本。圖8為整改后的停線率以及FTT趨勢圖。

鋁板模具切屑問題，是目前鋁板生產(chǎn)的主要問題，各個主機廠都受其困擾。這是個綜合性的問題，跟設(shè)計、使用、維護(hù)都有關(guān)系，但我認(rèn)為這問題的根源還是設(shè)計，如果在設(shè)計的階段就考慮模具結(jié)構(gòu)問題，在機加工的時候就設(shè)計好間隙，這樣就會大大的減少后期的工作。另外使用維護(hù)也根據(jù)實際建立相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，切屑的問題從而就可以得到控制。

圖8 整改后的停線率以及FTT趨勢圖