摘要：汽車車身用鋁合金板與傳統(tǒng)汽車低碳鋼板比，具有彈性模量小易回彈,、質(zhì)地軟,、成形窗口窄、切口敏感度高等特點,。通過分析鋁合金板的特點對沖壓和產(chǎn)品質(zhì)量的影響,，結(jié)合經(jīng)驗數(shù)據(jù)闡述和總結(jié)了鋁合金板在沖壓工藝設(shè)計和模具開發(fā)方面需要注意的事項。

關(guān)鍵詞：彈性模量 鋁合金 沖壓工藝

1,、前言

近年來，汽車工業(yè)快速發(fā)展,，全球汽車保有量急劇攀升,。隨之而來的是能源危機和環(huán)境污染日趨嚴(yán)峻，減少能源消耗已經(jīng)成為汽車工業(yè)發(fā)展客觀面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn),。汽車輕量化無疑是解決以上問題的重要方法之一,。

有研究表明，小轎車車重每減輕10%,，燃油效率可提高6%～8%,，排放降低約4%。而車身系統(tǒng)質(zhì)量占整備質(zhì)量的比例約在40%～50%之間,，所以汽車車身輕量化就尤為重要,。

鋁合金材料具有密度小、強度高,、抗腐蝕性強,、可回收循環(huán)利用等諸多優(yōu)點。另外,，鋁合金彈性性能高,，安全性高，發(fā)生碰撞時吸能效果好,，鋁合金吸能約是鋼的1.5倍,。采用鋁合金板材替代傳統(tǒng)低碳鋼板作為車身材料是目前車身實現(xiàn)輕量化的重要方法之一。

2、車身用鋁合金板材種類及特點

目前,，在汽車車身上應(yīng)用的鋁合金板材主要有5000系和6000系兩個系列,。

5000系是Al-Mg系鋁合金，是目前在汽車車身上應(yīng)用最為廣泛用量最大的系類,，主要合金元素是鎂元素,，鎂元素含量在3%～5%之間。主要優(yōu)點有：強度高,、延伸率高,、較好的沖壓成形性、優(yōu)異的焊接性和抗腐蝕性,。主要應(yīng)用在車身內(nèi)板等結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜的零件,。其缺點是易產(chǎn)生呂德斯線和延遲屈服，主要用在車身內(nèi)板等成形復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件上,。

6000系是Al-Mg-Si系鋁合金,，主要含有鎂和硅兩種合金元素，擁有4000系和5000系兩者的優(yōu)點,。屬于熱處理后可強化的合金,，熱處理可強化鋁合金的過飽和鋁基固溶體具有時效強化特性，即在室溫或加熱到某一溫度時,，其強度和硬度隨時間的延長而增高,，尤其是零件在經(jīng)涂裝185℃烘烤20 min后，強度有大幅提升,，但塑性降低,。因此6000系鋁合金板的保質(zhì)期一般為6個月，主要為避免材料因微觀組織變化而導(dǎo)致沖壓性能降低,。而5000系鋁合金則無此特性和要求,。6000系鋁合金的優(yōu)點主要有：較高的強度、優(yōu)異的塑性,、高抗腐蝕性和優(yōu)良的涂裝著色性,。6000系板材主要用于車身外覆蓋件，如發(fā)動機罩外板和前后車門外板等零件,。

鋁合金材質(zhì)零件和鋼制零件在沖壓工藝和模具結(jié)構(gòu)上并沒有本質(zhì)的區(qū)別,。但由于鋁合金板的彈性模量比鋼板的小（約為鋼板的1/3）,，厚向異性系數(shù)r和延伸率δ均遠(yuǎn)低于鋼板,，切口敏感性高，成形窗口窄等原因?qū)е落X合金板零件沖壓工藝又不能完全套用鋼板沖壓規(guī)律和機制,。

3,、鋁合金板材件沖壓工藝注意事項

3.1 CAE仿真分析注意事項

3.1.1 網(wǎng)格劃分

CAE分析網(wǎng)格劃分精細(xì)(fine)級別以上,。因鋁合金成形窗口窄且現(xiàn)在計算機性運算速度快，所以網(wǎng)格劃分設(shè)置為fine級別,。

3.1.2 摩擦系數(shù)

摩擦系數(shù)f=0.15,，額外潤滑f=0.12（涂油或者塑料薄膜）。鋁合金質(zhì)軟,，易產(chǎn)生鋁屑,，所以成形模具型面均需鍍鉻等提升表面光潔度的處理。

3.1.3 開裂判定標(biāo)準(zhǔn)

雙向拉伸應(yīng)變狀態(tài)部位減薄率小于0.18,，單向拉伸和單向拉伸單向壓縮應(yīng)變狀態(tài)部位小于0.16,。

3.1.4 回彈分析

鋁合金板彈性模量E小(約為鋼的1/3)，易回彈,，所以零件成形分析時需進(jìn)行全工序分析并做回彈分析,，回彈分析須采用夾持方式進(jìn)行詳細(xì)分析。

3.2 工藝造型注意事項

鋁合金彈性模量小,，成形窗口窄以及切口敏感度高等特點導(dǎo)致鋁合金工藝造型和鋼板工藝造型有一定的區(qū)別,。

3.2.1 拔模角要求

拉延模工藝補充拔模角a=15～30°，拔模角過大易起皺,，過小易破裂,，如圖1所示。

圖1 拉延工藝造型拔模角示意圖

3.2.2 凸凹模圓角要求

拉延凸,、凹模圓角是鋼板的1.2至1.5倍,。如圖2所示，當(dāng)輪廓為直線或者近似直線時,，凹模圓角取Rp=12～15mm，當(dāng)輪廓急劇變化或者角部時,，取Rp=16～20,。Rp≥3t（t為零件料厚）。

圖2 拉延凸,、凹模圓角

凸模圓角Rd根據(jù)料厚可按表1進(jìn)行設(shè)計,。

表1 拉延凸模圓角Rd

3.2.3 拉延筋設(shè)計要求

拉延筋采用圓筋，不可采用方筋,。筋圓角要比鋼板件稍大一些,，r/t＞5，rmin=4,，如圖3所示,。為減少鋁屑的產(chǎn)生，側(cè)修邊處拉延筋斷開,，如圖4所示,。

圖3 拉延筋圓角示意圖

3.2.4 成形設(shè)計要求

a.鋁合金比鋼板更容易硬化,，鋁合金零件盡量一次到位，不安排有整形量的整形（翻邊除外）,。

b.鋁板質(zhì)地軟,，翻邊盡量一序完成，不要分工序,，避免分析翻邊交接處棱印等缺陷,。

圖4 拉延筋側(cè)修處斷開示意圖

4、模具設(shè)計注意事項

4.1 拉延模設(shè)計注意事項

4.1.1 材料選擇和表面處理

薄板成形部位模具材料選擇GGG70L,，激光淬火HRC55～60,，表面鍍鉻處理。厚板成形部位模具材料選擇SKD11,，真空淬火HRC58～62表面進(jìn)行TD或者PVD處理,。

4.1.2 壓邊圈設(shè)計要求

壓邊圈符型面比坯料大40mm，防止板料顫動,，帶起灰塵,，如圖5所示。

 圖5 壓邊圈符型面與坯料關(guān)系

4.1.3 模具排氣和退料要求

a.凸模與壓邊圈之間的間隙稍大一點,，一般?。?～6mm，比鋼板模具大2～3 mm,；

b.凸凹模間的間隙取1.05t（t為板料厚度）,；

c.鋁板密度小，板料輕,，上下模排氣孔密度加大,，1.5倍鋼，排氣孔直徑Φ4mm設(shè)置在上模凹角處,，不影響零件表面質(zhì)量,。同時根據(jù)零件形狀增減頂料銷。

4.2 修邊沖孔模設(shè)計注意事項

與鋼板修邊沖孔模相比,，如何減少鋁板修邊沖孔的殘屑和毛刺是鋁板修沖模具首要研究的課題,。鋁板修邊毛刺和殘屑產(chǎn)生于刃口切入及刃口與板材間的摩擦。其嚴(yán)重程度取決于修邊角度和刃口間隙,。

4.2.1 修邊角度要求

鋁合金修邊角度要小于鋼板,，要求外板0±5°，內(nèi)板0±12°,。刃口間隙要稍大于鋼板,，單側(cè)刃口間隙取(5%～7%)t，其中t為零件料厚,。

4.2.2 刀塊材料及熱處理要求

修邊刀塊材質(zhì)選擇SKD11,，熱處理HRC58～62

4.2.3 廢料屑處理注意事項

a.沖孔盡量安排在最后工序（產(chǎn)生的殘屑會劃傷零件）,。增大壓邊力有助于減少殘屑量、提升面品質(zhì)量,。

b.鋁合金修沖模具不設(shè)置廢料刀（二次切斷除外）,，避免產(chǎn)生廢料碎屑。

c.為了減少碎屑,，修邊刀塊和凸模刃口成0.5°傾角,，即斜韌帶。修邊刀塊不采用純尖角樣式,，修邊凹模刀刃口倒角R0.5,。如圖6所示。這樣可以有效避免修邊時產(chǎn)生的摩擦,，從而避免產(chǎn)生過多的鋁碎屑,。

圖6 修邊刃口示意圖

4.2.4 壓料板壓料面設(shè)計要求

鋁合金修邊壓料板壓料面寬度小于鋼板模具。鋁板質(zhì)地較軟,，為減少壓料面壓傷零件概率同時保證修邊必要的有效壓邊,，修邊壓料寬度一般內(nèi)板取20～25mm，外板取30～35mm,，如圖7所示,。

圖7 修邊壓料芯壓料示意圖

4.2.5 修邊刀塊設(shè)計要求

修邊刃口形狀可采用階梯刃口，不可采用波浪刃口,，避免剪切產(chǎn)生廢料屑,。如圖8所示。

圖8 修邊刃口樣式示意圖

4.2.6 沖孔凸模設(shè)計要求

鋁合金材質(zhì)輕且易產(chǎn)生毛刺,，為避免沖孔廢料堵塞,，所有沖孔凸模均采用頂料凸模。

4.2.7 廢料滑道設(shè)計要求

為便于廢料滑出,，修邊廢料滑道角度θ≥25°且采用網(wǎng)紋板,。

4.3 翻邊整形模設(shè)計注意事項

鋁合金質(zhì)地軟、（鋁合金板表面氧化層）黏著性強,、熱傳導(dǎo)系數(shù)大（約是鋼的3倍）易發(fā)熱、延伸率低等特點使鋁板翻邊整形模具在翻邊間隙,、翻邊刀塊材料,、表面處理和翻邊圓角等方面與鋼板模有很大區(qū)別。

4.3.1 翻邊間隙設(shè)計要求

翻邊刀塊間隙比鋼板模大,，鋁板取0.95t,，t為零件料厚。

4.3.2 翻邊凸模圓角設(shè)計要求

鋁合金延伸率低,，易出現(xiàn)龜裂,，翻邊凸模圓角要盡量大,，R≥1.6 t，如圖9所示,。

圖9 翻邊凸模圓角示意圖

4.3.3 翻邊刀塊材料選擇和表面處理要求

同拉延相同,，薄板時翻邊整形鑲塊選擇GGG70L，激光淬火HRC55～60,，表面鍍鉻處理,。厚板時翻邊整形鑲塊選擇SKD11，真空淬火HRC58～62表面進(jìn)行TD或者PVD處理,。

4.3.4 壓料板壓料面設(shè)計要求

根據(jù)鋁合金質(zhì)地軟的特性,，翻邊整形模壓料芯壓料面比鋼板要稍小一點，壓料寬度內(nèi)板取30～35mm,，外板取40～45mm,。同時外板零件壓料芯需要增加平衡墊，內(nèi)板不做強制要求,。壓料板壓力要稍大一點,，壓料力建議是鋼板模的1.2倍。

4.3.5 翻邊沖壓方向與翻邊線夾角設(shè)計要求

要求沖壓方向與翻邊線夾角a≥55°,，如圖10所示,。

圖10 沖壓方向與翻邊線夾角示意圖

4.4 包邊設(shè)計注意事項

由于鋁合金板韌性和延伸率都不及鋼板，包邊易開裂,，所以包邊工序優(yōu)先選用機器人滾邊,，不建議采用模具扣合包邊。

4.4.1 包邊樣式設(shè)計要求

包邊樣式優(yōu)先選擇“水滴”包邊,，不建議用“平壓”包邊,，要求“水滴”處圓角R2～2.5，如圖11所示,。

圖11 水滴包邊和平壓包邊示意圖

4.4.2 壓合角度和壓合速度要求

鋁合金韌性差,，滾邊壓合力不能過大，壓合速度也要稍慢一些,，一般在200～250mm/s,。壓合前角度要控制在90±5°，每次壓合角度不大于30°,，不可V形壓合,。

4.5 倉儲要求

鋁板（主要指6000系等熱處理后可強化的合金系列）的保質(zhì)期為熱處理后6個月。鋁板沖壓及后工序膠粘對灰塵極為敏感,，故鋁板坯料和零件倉儲需防塵,。另外鋁板不同于鋼板，需要5～40℃條件下存儲,。

4.5.1 庫房要求

建立專用板料和零件存儲庫房,，保證倉儲溫度和潔凈度（防塵）達(dá)標(biāo),。

4.5.2 庫存管理要求

按計劃籌措板料和規(guī)劃生產(chǎn)，確保鋁板先進(jìn)先出,，減少庫存時間,。并建立板料保質(zhì)期預(yù)警機制（一般到期前一個月預(yù)警）。

我國鋁合金進(jìn)口一般需要海運,，在生產(chǎn)廠實際有效的加工時間為100天左右,。國產(chǎn)鋁板在生產(chǎn)廠實際有效的加工時間為140天左右。

4.5.3 制造要求

鋁板時效（保質(zhì)期）不僅僅針對沖壓加工,，而是要求所有涉及到的變形加工,，如沖壓、鉚接（SPR和TOX）,、包邊等,。所以要求鋁板在保質(zhì)期內(nèi)完成所有涉及變形加工的工序。

5,、結(jié)束語

本文根據(jù)鋁合金板與鋼板性能上的差異,，分析總結(jié)了鋁合金板沖壓工藝及模具與鋼板沖壓工藝和模具的區(qū)別。其中包含鋁合金板CAE分析,、沖壓工藝造型,、模具材料及表面處理以及模具結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面的注意事項。對鋁合金板汽車車身零件沖壓工藝設(shè)計和模具開發(fā)具有一定的意義,。