車身梁類鋁板沖壓工藝技術研究

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實驗、現場制件狀態和調試方法相結合的方法開展研究工作，積累車身梁類鋁板沖壓工藝技術經驗。

關鍵詞：梁類;鋁板;沖壓技術

中圖分類號：U466 文獻標識碼：A

0 引言

隨著汽車工業的進步，車身輕量化已經成為世界各國汽車制造商最新核心競爭力的體現，鋁合金代替鋼板件作為汽車板金件已經被許多著名的汽車制造商所采用，并應用于高級轎車的車身生產中。據分析汽車有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為是降低油耗的一個非常重要的指標。而鋼鋁混合車身（如圖1所示）是兼顧性能、安全、成本和重量、實現輕量化的有效途徑之一。

1 鋁板材沖壓成形機械性能

鋁板強度參數低于鋼板材料，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 鋁合金板成形弱點及存在的問題

1.1.1 延伸率低

多數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遠低于冷軋鋼板，甚至只達到前者的1/2。盡管目前的認識是，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，斷裂危險部板厚不易減薄使抵抗斷裂能力增強，法蘭因面內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。部分實驗資料證明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。盡管不與常用冷軋鋼板相比較，但r值小，通常可認為對拉深成形性有不利影響。

1.1.3 低熔點、低屈服強度

流動變形時容易粘著，成形時生成新金屬表面活性強，更易粘著模具，容易被氧化成堅硬、脆性的耐磨層，對成形件質量有很大的影響。粘著嚴重時，模具表面形成粘結瘤，容易劃傷流動金屬，嚴重時導致板坯破裂。

鋁合金板流動變形時產生的摩擦阻力是機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械梨削，產生機械損傷和彈性變形;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，引力達到一定程度時將形成焊合點，相對運動時易在原界面切斷或在合點處產生深度撕裂。

1.2 應用鋁合金汽車板材存在的問題

1.2.1 成形性差

盡管國外已經成功地大量使用鋁合金板制造轎車發動機罩、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度和抗拉強度已經接近甚至超過冷軋鋼板，但成形性不好。

1.2.2 構件強度、抗凹性低

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

2 鋁板沖壓技術方案及措施

車身鋁合金板的冷沖壓成形工藝參數研究涉及到工藝方法、成形條件、補償處理及模具設計制造等多方面內容，結合合理的CAE有限元分析手段，通過Autoform有限元成形分析及Atos白光掃描檢測相結合的工藝手段，系統研究鋁合金板在車身梁類沖壓模具成形過程中的表現形式，及針對相應鋁板沖壓缺欠所進行的有效的整改辦法，分析鋁合金板冷沖壓工藝參數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，并尋找相應的消除辦法所對應的合理的參數范圍，不斷擴展思路、探索研究途徑，形成鋁合金沖壓工藝參數設計規范。

通過鋁合金薄板沖壓件項目的運行，結合國外已有的設計經驗、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的工藝設計、模具設計，結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，材料的流動約束等手段建立適應于鋁合金板成形的沖壓工藝參數，并根據試驗確定鋁板可能導致的各種回彈缺欠所產生的不良品的處理方法，在塑性變形相似性理論基礎上，以已有的沖壓薄鋼板成型技術為紐帶，細致分析鋁合金板在變形過程中的所引起的起皺、破裂，回彈等現象，形成針對鋁合金沖壓件的沖壓工藝性分析及設計方法，從而掌握鋁板沖壓成型的工藝特點及對產品的特殊要求，并最終建立初步的梁類鋁合金薄板沖壓工藝參數規范。

3 具體技術方案實例

3.1 產品工藝性評估

通過產品的全工序分析，預測、評估產品的工藝性，對于在調試及生產過程中易出現問題或易導致不穩定產品質量的區域提出產品優化方案，并提供優化建議及相應的全工序仿真分析結果，由產品設計人員確認可行性并出具階段性正式修正數據。

3.2 沖壓工藝規劃及設計

根據SE評估分析階段的可行性方案進行詳細的沖壓工藝設計，在設計過程中以相應的沖壓工藝參數為依據，考慮鋁板沖壓成形的特點及后序修邊、翻邊工藝對鋁合金板的工藝特點，設計補充造型，并通過全工序CAE有限元分析，確認工藝方案的可行性，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對制件的要求。

3.3 回彈分析及補償設計

根據AutoForm軟件的回彈分析，先特征區域回彈補償，調整拉延成形后的局部高低差，修正拉延模具的加工數據。通常此類區域拉延后不再有翻邊或整形類工藝內容。

3.4 檢測

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

3.5 變形分析及補償控制

激光切割后制件回彈變形分析激光切割后制件與產品數據對比，由于該制件在沖壓工藝內容上可知制件形狀均為拉延完成，兩序修邊后即為產品性狀，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際偏差。

3.6 調整沖壓工藝流程

根據逆向掃描數據構建修邊模具加工數據型面，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附加變形，從而導致后序制件的回彈變形出現不可控因素，保證在拉延時，所作的回彈補償變形的有效性，從而保證制件最終在檢具上的狀態和理論結果一致。

4 結論

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

通過對梁類鋁合金薄板沖壓成型技術針對鋁合金板大范圍回彈變形在沖壓過程中，回彈補償技術的探索及應用，為后續大型車身內外覆蓋件鋁合金沖壓技術的研究提供了一個參考依據，其成果根據生產需求更可以逐步推廣到涉及較大回彈變形的高強度鋼、超高強度鋼的沖壓研究過程中，具有較高的技術價值和經濟效益。

參考文獻：

[1]董嬌，楊印安.基于穩健設計的沖壓成形工藝參數多目標優化[J].模具工業，2017，43（09）：22-26+30.

[2]吳瓊興.汽車覆蓋件用鋁板成形特性及應用[J].模具工業，2017，43（01）：48-52.