車身鋁制結構件開發現狀及工藝探索

文/鄭雄，馮永昌·浙江吉利控股集團-路特斯項目研究院

隨著國家新能源車的大力發展，越來越多的白車身開始運用鋁合金零件替代傳統鋼板零件。這種替代有以下幾個方面的優點：車身輕量化；提高燃油經濟性；提高碰撞的安全性；減少尾氣，提高環保性。

根據鋁合金的發展趨勢，從最初的鋁機蓋，發展到外覆蓋件，目前已經開始往全鋁車身發展。為了應對這種發展趨勢，結合車型項目開發需要，研究鋁合金結構件模具開發勢在必行。

車身鋁合金的分類

通常應用于白車身的鋁合金沖壓件主要由5 系及6 系鋁制造，本文主要針對這兩種材料進行研究。5系及6 系鋁主要根據添加的合金元素不同進行分類，5 系鋁主要是鋁鎂合金，6 系鋁主要是鋁鎂硅合金。

5 系鋁的特點為屈服強度較低、易成形、低的表面硬度、低的抗壓痕性、表面質量較6 系差。6 系鋁的特點為高強度、良好的抗壓痕性、良好的表面質量、硬化系數高。根據鋁合金的特性，6 系鋁在車身中的應用主要集中在外覆蓋件，而5 系鋁集中用于車身結構件。

鋁板沖壓的常見問題

鋁板和鋼板沖壓最大的問題是回彈、鋁屑、開裂、起皺等，如何處理這幾大問題，對模具開發尤為重要。

⑴回彈。根據鋁合金的材料特性，其彈性模量為70GPa，鋼板為200GPa，鋁板的彈性模量約為鋼板的1/3，造成其回彈量約為鋼板的3 倍，給鋁板模具開發帶來極大的調試難度。

鋁板的成形性分析受廠家的材料影響較大，SE分析之前必須明確鋁板廠家，由廠家或研發單位提供專用的材料卡。為盡量避免鋁板回彈，回彈補償時，盡量將鋁板回彈值分析到0.5mm 以內，之后再開始后續工作。

鋁板相對于鋼板，對模具的研合率更加敏感，所以前期基礎工作對于鋁板首件尤為重要，模具研合率需做到位后才能出具體的整改方案。

⑵鋁屑。由于鋁板較脆，當修邊刀塊刃入料厚的20%～30%的時候，板材就會被切斷，切斷過程中極易產生鋁屑。同時，切斷面凸起的部位(毛刺)會與上刀塊接觸，發生二次剪切。若間隙過小，毛刺會比較嚴重；而間隙過大，則修邊處板料塌陷會比較嚴重，合理的沖裁間隙對解決鋁屑和毛刺尤為重要。

⑶開裂。鋁板延伸率約為23%，相比DC04 的軟鋼40%，在拉延或成形時更加容易產生開裂現象。

優化方案

工藝設計

根據鋁板的特性，鋁制件產品設計在滿足功能需求的前提下，拉延深度應盡可能淺，造型過渡盡量平緩。由于鋁板出廠時自帶一層油膜，SE 分析時需調整摩擦系數，傳統鋼板摩擦系數為0.15，鋁板結構件推薦使用0.14 進行分析。

考慮鋁板的成形性問題，產品拔模角度盡量保證在15°以上，凹凸模半徑R ≥10mm。鋁板較軟，使用傳統工藝的拉延筋，在走料過程中容易產生鋁粉，對于車身結構件，盡量不要使用拉延筋，如需使用盡量保證R ≥3t(t 為料厚)，如圖1 所示。拉延筋管理面最小8mm，凸模輪廓與壓邊圈輪廓間隙最小5mm，便于排氣，如圖2 所示。

圖1 工藝補充面

圖2 鋁板管理面及凸模、壓邊圈輪廓間隙

結構設計

⑴拉延模。根據鋁板的回彈特性，與前期SE 分析相比，鋁板的回彈在出件時較難控制，為提高模具整改的可行性，拉延模設計時推薦使用分體式，即凹模和模座分開鑄造，方便前期通過降刻的方式進行整改，推薦凹、凸模的型面厚度比鋼板增加10mm 左右。

⑵修沖模。修邊工藝優先采用二次切斷，其次前后工序分序修邊，非特殊情況不允許使用廢料刀，特殊情況下使用廢料刀時，上模要使用浮動廢料刀。修邊角度相比鋼板偏小，最好控制在±15°以內，如圖4 所示。

修邊沖孔沖裁單邊間隙選10%t(t 為料厚)，為減輕鋁屑產生，鋁板修邊切入量3mm，上模刃口3mm 以上做2°負角處理，且修邊刃口需進行R0.2mm 鈍化處理，如圖5 所示。

圖3 鋁板拉延模典型結構

圖4 鋁板修邊角度要求

圖5 鋁板修邊刀口設計

為防止鋁屑粘在刀口，上模刀口需進行DLC 處理，沖頭需選用帶DLC 涂層的沖頭。鋁板密度為2.7×103kg/m3，廢料較輕，為保證鋁板廢料順利滑出模具，廢料滑出角度需大于30°以上，如需使用二級滑料板，二級滑料板的角度需大于15°以上。

結束語

綜上所述，針對鋁板模具開發過程中的典型問題，前期可通過工藝優化及模具設計優化的方式，達到消除成形性及生產性問題的目的。針對于鋁板的開裂及起皺，前期分析及設計時主要通過改善拔模角度、凸凹模R 角、拉延筋的參數設置等方面進行優化。而對于鋁屑的問題，主要通過改善修邊模刀口的間隙及樣式減少鋁屑，保證連續生產。