鋁合金零件翻邊拉深復合成形工藝研究

文/韓來福，房文麗，郭秀江·內蒙古一機集團特種技術裝備有限公司

鋁合金零件翻邊拉深復合成形工藝研究

文/韓來福，房文麗，郭秀江·內蒙古一機集團特種技術裝備有限公司

韓來福，高級工程師，主要從事沖壓技術工作。主持完成的《車輛典型沖壓件成形技術研究》項目獲得一機集團公司科技進步二等獎，擁有8項專利，主管及參與的項目曾多次獲得過省部級科技進步獎、優秀成果獎。

沖壓成形工藝中，內凹形翻邊與拉深復合成形，是屬于復雜曲面形狀的拉延成形。例如某零件材料為鋁板5A02-O，厚度為1.5mm，在試制生產時，不合格品率一直很高，廢品率高達50%，主要問題是零件在成形時易產生起皺與拉裂，如圖1所示。

圖1 產生起皺、裂口的零件

起皺與裂紋產生的原因及分析

材料對成形零件質量的影響

表1所示為包含5A02-O在內的三種材料的力學性能對比分析。從中可以看出，鋁合金3A21-Y1的成形塑性是最好的，但是強度較低，不符合設計的強度指標要求；而鋁合金5A06-O成形塑性是最差的，但其強度指標是最高的；鋁合金5A02-O的性能是處于前兩種材料之間的。在沖壓批量生產中發現，以上三種材料，在不增加熱處理工序的情況下，材料5A02-O、5A06-O，產生裂紋裂口不能正常生產（圖1），而用材料3A21-Y1則能夠成形出合格零件。

表1 材料機械性能對照表

由于5A02-O是鋁鎂合金，常溫下塑性較差，故在沖壓成形工藝中，翻邊拉深較為復雜的零件時，在凸緣邊緣處易產生開裂，難度較大。也就是說，鋁合金材料5A02-O在不采取熱處理的情況下，其沖壓成形性能是很差的。

翻邊成形的工藝性分析

該零件在Ⅰ區的成形屬于內凹形的外緣翻邊（圖1），其變形特點近似于內孔翻邊，變形區主要為切向拉伸。經計算，其內凹形的外緣翻邊變形程度E凹為37，但是材料5A02-O的外緣翻邊允許極限變形程度為35，因E凹大于材料允許的極限變形程度，故該零件在成形翻邊時產生裂口。

在Ⅱ區的成形截面屬于半圓形拉深成形（圖1），其變形特點近似于半圓形截面沿投影90°直角的軌跡拉深成形的零件，在90°區域內很容易產生聚料而失穩起皺（圖1）。

壓邊力對拉延成形過程的影響

半圓形零件拉延成形時對凸緣的約束力存在一個最佳值。在拉延過程中，壓邊力的主要作用是用來增加坯料的拉應力，控制材料的流動，避免起皺。壓邊力太小，板料拉延時會起皺；壓邊力太大，板料拉延時就會有被拉裂的危險。因此確定拉延工藝時，最佳的壓邊力是等于防止板料起皺的最小壓邊力。經過試沖并批量生產，得到如表2所示的壓邊圈壓邊力對拉延過程的影響數據。

改進措施

進行退火熱處理

技術人員通過外出調研，對5A02-O材料的退火性能有了進一步掌握，根據沖壓特性的要求，進行完全退火，并注意以下具體事項：

⑴加熱速度。加熱速度與再結晶后的晶粒度成反比，故應選擇鋁合金退火爐來保證加熱速度。

⑵加熱溫度、保溫時間。高溫短時加熱可獲得細小的晶粒，反之，保溫時間過長，由于晶粒的相互吞并而長大，形成聚合再結晶，會得到粗大的晶粒而影響性能。

經過重新退火，伸長率由規定的18%提高到21%，并使板材整體伸長率均勻，增加了可沖性，使沖壓裂紋由90%降低到10%。

改進模具氣墊板結構

在模具壓邊圈上加工一個深度1.6mm 的壓邊槽（圖2），拉延前將零件毛坯放在壓邊槽內（毛坯厚度為1.5mm）。根據板料在沖壓成形過程中“弱區先變形”的特點，在開始壓緊毛坯成形時，因零件凸緣區有0.1mm的間隙，可以控制調節壓邊力，達到先小后大的效果，使凸緣區外邊緣的材料先變形流動，從而可以減小凹模口部圓角半徑處的徑向拉應力，從而達到既可以限制成形Ⅱ區域的起皺又可以減少成形Ⅰ區域裂紋的效果。圖3所示是改進后成形出的零件。

圖2 壓邊槽結構圖

圖3 改進后成形出的零件

選擇潤滑介質

在試沖與生產中，經過試驗在零件毛坯上面放一層塑料布，用來增加潤滑，效果較好。

調整氣墊壓力值

從表2總結的數據來看，機床氣墊壓邊力在130～195kN之間，零件的質量效果較好，而且根據零件的沖壓工藝，成形后的零件毛坯在進行切邊工序時，可將零件毛坯凸緣上裂口的大部分切掉，只剩一點小裂口，在與另一個零件口對口焊接時，正好焊接上了，不影響零件的整體質量。

結束語

⑴鋁合金材料5A02-O化學成分因含有鎂元素，對零件成形性能有較明顯的影響，通過采取退火措施，可以明顯改善零件的成形性能。

⑵通過采取完全退火，調整機床壓邊力，將壓邊力調整在130～195kN之間，及在模具壓邊圈上加工壓邊槽、在零件毛坯上放塑料布潤滑等措施，用強度指標較高的材料5A02-O成形，也可取得較好的效果。

⑶通過近兩年的批量生產證明，對于翻邊、拉深復合成形類零件，按照外緣翻邊工藝計算，雖然超過了允許的極限變形程度，但是通過采取措施，還是能夠有效提高零件合格率的。