車身梁類鋁板沖壓工藝技術(shù)研究

胡勇 李凱 邵翠紅 張振松

摘 要：針對鋁板材料性能展開系列研究，采用CAE模擬分析與材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)場制件狀態(tài)和調(diào)試方法相結(jié)合的方法開展研究工作，積累車身梁類鋁板沖壓工藝技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：梁類;鋁板;沖壓技術(shù)

中圖分類號：U466 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0 引言

隨著汽車工業(yè)的進(jìn)步，車身輕量化已經(jīng)成為世界各國汽車制造商最新核心競爭力的體現(xiàn)，鋁合金代替鋼板件作為汽車板金件已經(jīng)被許多著名的汽車制造商所采用，并應(yīng)用于高級轎車的車身生產(chǎn)中。據(jù)分析汽車有70%的油耗是消耗在車身重量上，因此汽車的輕量化被廣大的汽車制造商認(rèn)為是降低油耗的一個非常重要的指標(biāo)。而鋼鋁混合車身（如圖1所示）是兼顧性能、安全、成本和重量、實(shí)現(xiàn)輕量化的有效途徑之一。

1 鋁板材沖壓成形機(jī)械性能

鋁板強(qiáng)度參數(shù)低于鋼板材料，沖壓成型成形極限低、變形不均勻回彈大、沖壓過程中極易出現(xiàn)起皺、破裂等成形性缺陷、另外修邊飛屑、翻邊劃傷等缺陷也無法避免。

1.1 鋁合金板成形弱點(diǎn)及存在的問題

1.1.1 延伸率低

多數(shù)車用鋁合金板均勻延伸率δu（縮頸前）與冷軋鋼板接近，但總延伸率（斷后）δ遠(yuǎn)低于冷軋鋼板，甚至只達(dá)到前者的1/2。盡管目前的認(rèn)識是，伸長類（翻邊、脹形）沖壓變形時，δu值越大，極限變形程度越大，但對于汽車覆蓋件這種復(fù)雜變形，總延伸率δ可能對鋁合金板成形極限有著重要影響。

1.1.2 r值小

反映了板面內(nèi)受拉或壓變形時抵抗板厚變薄或增厚的能力。r>1，說明板料在寬度方向比厚度方向容易變形。鋁合金板拉深中，斷裂危險(xiǎn)部板厚不易減薄使抵抗斷裂能力增強(qiáng)，法蘭因面內(nèi)變形相對容易而使起皺可能性降低。因此，r值較大的板料有利于提高拉深成形極限。

各種鋁合金板r值相差很小，為冷軋鋼板的1/3～1/2之間。部分實(shí)驗(yàn)資料證明r值對鋼板成形性的影響不變移用鋁合金板，目前尚未給出令人信服的依據(jù)。盡管不與常用冷軋鋼板相比較，但r值小，通?？烧J(rèn)為對拉深成形性有不利影響。

1.1.3 低熔點(diǎn)、低屈服強(qiáng)度

流動變形時容易粘著，成形時生成新金屬表面活性強(qiáng)，更易粘著模具，容易被氧化成堅(jiān)硬、脆性的耐磨層，對成形件質(zhì)量有很大的影響。粘著嚴(yán)重時，模具表面形成粘結(jié)瘤，容易劃傷流動金屬，嚴(yán)重時導(dǎo)致板坯破裂。

鋁合金板流動變形時產(chǎn)生的摩擦阻力是機(jī)械作用于分子作用阻力的綜合，前者是硬表面模具對軟表面板坯的機(jī)械梨削，產(chǎn)生機(jī)械損傷和彈性變形;分子作用阻力是在壓力作用下，兩種不同金屬表面間分子引力需平衡垂直載荷，引力達(dá)到一定程度時將形成焊合點(diǎn)，相對運(yùn)動時易在原界面切斷或在合點(diǎn)處產(chǎn)生深度撕裂。

1.2 應(yīng)用鋁合金汽車板材存在的問題

1.2.1 成形性差

盡管國外已經(jīng)成功地大量使用鋁合金板制造轎車發(fā)動機(jī)罩、行李箱蓋、翼子板和車門等外覆蓋件，但同鋼板相比，仍存在許多工藝問題沒有很好解決。6XXX系鋁合金中部分品種的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度已經(jīng)接近甚至超過冷軋鋼板，但成形性不好。

1.2.2 構(gòu)件強(qiáng)度、抗凹性低

除6XXX系部分鋁合金的強(qiáng)度較高外，其他系列鋁合金板的強(qiáng)度都明顯低于鋼板，并且抗凹性較差。因此，需要從材料結(jié)構(gòu)、軋制工藝，材料預(yù)處理工藝、烘烤硬化工藝、成形工藝及模具結(jié)構(gòu)及模具工作表面性狀等方面深入研究。

2 鋁板沖壓技術(shù)方案及措施

車身鋁合金板的冷沖壓成形工藝參數(shù)研究涉及到工藝方法、成形條件、補(bǔ)償處理及模具設(shè)計(jì)制造等多方面內(nèi)容，結(jié)合合理的CAE有限元分析手段，通過Autoform有限元成形分析及Atos白光掃描檢測相結(jié)合的工藝手段，系統(tǒng)研究鋁合金板在車身梁類沖壓模具成形過程中的表現(xiàn)形式，及針對相應(yīng)鋁板沖壓缺欠所進(jìn)行的有效的整改辦法，分析鋁合金板冷沖壓工藝參數(shù)在沖壓成形過程中對開裂、起皺，回彈、扭曲及切粉等多種沖壓缺欠的影響，并尋找相應(yīng)的消除辦法所對應(yīng)的合理的參數(shù)范圍，不斷擴(kuò)展思路、探索研究途徑，形成鋁合金沖壓工藝參數(shù)設(shè)計(jì)規(guī)范。

通過鋁合金薄板沖壓件項(xiàng)目的運(yùn)行，結(jié)合國外已有的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、思路，有針對性的制定針對鋁板成形的沖壓工藝流程及相關(guān)的工藝設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)，結(jié)合鋁合金板的材料特性并分析諸如成形、修邊及翻邊整形類工藝方法的變化對鋁板變形條件的影響，利用Autoform軟件并通過對壓力、間隙及潤滑狀態(tài)，材料的流動約束等手段建立適應(yīng)于鋁合金板成形的沖壓工藝參數(shù)，并根據(jù)試驗(yàn)確定鋁板可能導(dǎo)致的各種回彈缺欠所產(chǎn)生的不良品的處理方法，在塑性變形相似性理論基礎(chǔ)上，以已有的沖壓薄鋼板成型技術(shù)為紐帶，細(xì)致分析鋁合金板在變形過程中的所引起的起皺、破裂，回彈等現(xiàn)象，形成針對鋁合金沖壓件的沖壓工藝性分析及設(shè)計(jì)方法，從而掌握鋁板沖壓成型的工藝特點(diǎn)及對產(chǎn)品的特殊要求，并最終建立初步的梁類鋁合金薄板沖壓工藝參數(shù)規(guī)范。

3 具體技術(shù)方案實(shí)例

3.1 產(chǎn)品工藝性評估

通過產(chǎn)品的全工序分析，預(yù)測、評估產(chǎn)品的工藝性，對于在調(diào)試及生產(chǎn)過程中易出現(xiàn)問題或易導(dǎo)致不穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量的區(qū)域提出產(chǎn)品優(yōu)化方案，并提供優(yōu)化建議及相應(yīng)的全工序仿真分析結(jié)果，由產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員確認(rèn)可行性并出具階段性正式修正數(shù)據(jù)。

3.2 沖壓工藝規(guī)劃及設(shè)計(jì)

根據(jù)SE評估分析階段的可行性方案進(jìn)行詳細(xì)的沖壓工藝設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)過程中以相應(yīng)的沖壓工藝參數(shù)為依據(jù)，考慮鋁板沖壓成形的特點(diǎn)及后序修邊、翻邊工藝對鋁合金板的工藝特點(diǎn)，設(shè)計(jì)補(bǔ)充造型，并通過全工序CAE有限元分析，確認(rèn)工藝方案的可行性，并考慮鋁板成形范圍、成形極限，沖裁間隙、刃口角度、刃口尖銳程度，模具表面光潔度等多種沖壓工藝參數(shù)對制件的要求。

3.3 回彈分析及補(bǔ)償設(shè)計(jì)

根據(jù)AutoForm軟件的回彈分析，先特征區(qū)域回彈補(bǔ)償，調(diào)整拉延成形后的局部高低差，修正拉延模具的加工數(shù)據(jù)。通常此類區(qū)域拉延后不再有翻邊或整形類工藝內(nèi)容。

3.4 檢測

檢測模具裝配及合模后精度，確認(rèn)模具初調(diào)的狀態(tài)與理論值的一致性。壓鉛絲，模具靠自重下壓，分析壓料面間隙，料厚1.2 mm。理論值應(yīng)在1.2 mm左右。拆下限制器，確認(rèn)間隙值，拆下平衡塊，上刷色（藍(lán)丹）件，確認(rèn)壓料面著色情況。

3.5 變形分析及補(bǔ)償控制

激光切割后制件回彈變形分析激光切割后制件與產(chǎn)品數(shù)據(jù)對比，由于該制件在沖壓工藝內(nèi)容上可知制件形狀均為拉延完成，兩序修邊后即為產(chǎn)品性狀，故該比較可知第一次修邊回彈釋放范圍及程度。激光切割件與拉延件比較可知理論上修邊后回彈與實(shí)際偏差。

3.6 調(diào)整沖壓工藝流程

根據(jù)逆向掃描數(shù)據(jù)構(gòu)建修邊模具加工數(shù)據(jù)型面，保證制件在修邊過程中，修邊模具的型面部分與拉延件的伏貼形，從而避免在修邊過程中，因修邊型面與拉延件之間的偏差，在壓料板壓料時出現(xiàn)附加變形，從而導(dǎo)致后序制件的回彈變形出現(xiàn)不可控因素，保證在拉延時，所作的回彈補(bǔ)償變形的有效性，從而保證制件最終在檢具上的狀態(tài)和理論結(jié)果一致。

4 結(jié)論

梁類鋁合金薄板沖壓成形技術(shù)的成功探索，使目前汽車用鋁材主要集中在非常規(guī)沖壓的研究方向，向適合批量生產(chǎn)的自動化沖壓生產(chǎn)邁出堅(jiān)實(shí)的一步，也為今后國產(chǎn)自主研究全鋁車身積累了一定的工作基礎(chǔ)。

通過對梁類鋁合金薄板沖壓成型技術(shù)針對鋁合金板大范圍回彈變形在沖壓過程中，回彈補(bǔ)償技術(shù)的探索及應(yīng)用，為后續(xù)大型車身內(nèi)外覆蓋件鋁合金沖壓技術(shù)的研究提供了一個參考依據(jù)，其成果根據(jù)生產(chǎn)需求更可以逐步推廣到涉及較大回彈變形的高強(qiáng)度鋼、超高強(qiáng)度鋼的沖壓研究過程中，具有較高的技術(shù)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

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