鋁板沖模精致工藝提升方法研究

張蓓， 李偉明， 胡吳松， 曾勝華

（重慶長安汽車股份有限公司 模具事業部， 重慶 401120）

0 引 言

汽車行業競爭激烈，新車型的開發除了追求性能卓越之外，造型設計更加追求極致的流暢。在沖模領域，精致工藝作為評價汽車覆蓋件表面質量的重要指標得到越來越多的關注。如何讓流暢的外觀設計、精致的棱線造型體現在量產汽車上，快速達成零件各階段精致工藝指標，成為覆蓋件模具的重要研究方向。

近幾年，鋁合金板材在汽車內外覆蓋件上廣泛應用，達到輕量化設計的目的，這成為新能源汽車實現節能減排的重要途徑。因鋁板明顯區別于鋼板的成形性能，給模具精致工藝目標的達成帶來了新的挑戰。現從鋁板沖壓件在成形性、外觀品質、曲面質量等方面考慮，探討在模具設計階段預判風險并提出應對策略以提升模具精致工藝的方法，最后以某車型鋁板前罩外板模具開發為例，說明這些方法的應用場景及效果。

1 目標與需求

汽車覆蓋件精致工藝主要指客戶靜態感知的外觀質量，其評價的外觀質量缺陷包括A面（外觀面）品質缺陷、起皺、開裂、凸凹傷、沖擊∕滑移線、圓角缺陷、壓傷等。精致工藝評價作為質量指標，一般是按照嚴重等級對零件缺陷進行分區域分類扣分，以累計扣分總和不超過各階段指標作為主要評價標準。除此以外，不可接受的嚴重缺陷為單獨否決項，如縮頸、圓角不順、目視可見的凸凹傷等A類缺陷，均為直接否決項。

鋁板模具與鋼板模具的精致工藝要求相同，因鋁合金材料的特殊性能，鋁板模具制造后由調試工人優化精致工藝的難度大，且周期不可控，因此在鋁板模具設計時要考慮外觀缺陷風險并采取措施控制風險尤為重要。

1.1 鋁板材料特性及沖壓成形特點

鋁合金材料密度約為2.7 g∕cm3，而鋼材密度一般為7.8～7.9 g∕cm3，因此同尺寸鋁板質量比鋼板輕得多，沖壓時易吸附；鋁板的楊氏彈性模量約為鋼板的1∕3，沖壓成形時彈性變形占比大，回彈敏感度高，導致回彈量大；鋁板伸長率也低于鋼板，約為25%，導致沖壓成形極限低于鋼板，易出現起皺、開裂、剛性不足等風險；同時鋁板還具有硬度低、時效硬化等特性，增加了沖壓成形的難度。

1.2 鋁板模具精致工藝提升總體需求

針對鋁合金材料特性，要達成精致工藝目標，鋁板模具開發時需關注以下4點需求。

（1）零件優化。在設計前期通過沖壓同步工程（SE）分析，提出變更需求促成零件設計優化，如調整造型增加零件剛性、加大圓角降低成形性風險。

（2）工藝優化。嚴格按照零件生產用鋁板材料參數設置CAE分析參數，并按照鋁板成形性指標優化工藝，包括變薄率、主∕次應變、最大失效等，保證足夠的安全裕度；工序內容排布、工序件定位、分工序切邊、翻邊壓料方式等均需要驗證后確定。

（3）結構優化。根據鋁板特性，鋁板模具結構與鋼板模具略有不同，如增加排氣與退料結構，防止吸附；減少壓料范圍與壓料力，防止壓傷；切邊模還要注意沖裁間隙、切入量，防止切屑。

（4）制造優化。鋁板模具需保證足夠的成形裕度，以應對材料波動造成的不穩定性，因此鋁板模具零件的粗糙度、研合率、流入量控制、刃口垂直度、翻邊間隙等均需要達到較高標準。

2 成形性缺陷預測與應對措施

精致工藝中的成形性缺陷主要包括起皺、開裂、沖擊∕滑移線等，如圖1所示。開裂和起皺均為板材局部受壓失穩引發，前者表現為應變達到或超過極限而收縮或破裂，后者表現為局部材料堆積。沖擊∕滑移線則是由于成形過程中模具零件沖擊板料，在沖壓件表面形成了輪廓印痕。

圖1 成形性缺陷實例

2.1 成形性缺陷預測

模具設計階段預測成形性缺陷主要依靠CAE分析，通過全工序模擬分析，獲得零件的成形過程和理論成形結果。以AutoForm軟件為例，查看分析結果中的成形性（formability），確定起皺與開裂區域，如圖2所示。查看最大失效（max failure）和減薄率（thinning），判斷開裂風險程度，如圖3所示。查看滑移線（skid lines），確認沖擊∕滑移線范圍，如圖4所示。

教育理念決定教育行動，即強調理念先行以促進教學行為轉變，但教育理念是指人們在理性思考和親身體驗基礎之上形成的、關于教育本身及其價值以及價值實現途徑的根本性判斷與看法[8]，意味著先行的教育理念真正滲透到教師的日常教學行為中需要較長時間，是一個循序漸進的過程。相比我國長期以來的教育傳統，我國目前的教育改革仍舊處于初期階段，尚未達到行為與理念的高度統一，造成教師在翻轉實踐中教學行為仍與“學生為主體”的教學理念不相適應的情況。

圖2 成形性分析結果

圖3 最大失效分析結果

圖4 滑移線分析結果

2.2 成形性缺陷的應對措施

成形性缺陷一般通過優化拉深數模來消除，可采用以下應對措施。

（1）沖擊∕滑移線：調整沖壓角度；增加工藝補充面高度；調整拉深筋控制進料等。

（2）起皺：增大工藝補充面高度；增加吸皺筋等工藝補充；調整拉深筋控制進料等。

（3）開裂：降低工藝補充面高度或增大拔模角度；加大工藝補充面圓角；調整拉深筋增加進料等。

對于后工序整形、翻邊等缺陷，可通過調整工序相關參數消除，也可以通過優化拉深模成形性來保障后工序的成形狀態。

3 外觀品質缺陷預測與應對措施

精致工藝的外觀品質缺陷指外覆蓋件高可見區域（A面）影響造型呈現效果的缺陷，包括斑馬紋扭曲、特征棱線鈍化等。斑馬紋扭曲指沖壓件在光照2000Lux的燈光棚下檢測，局部斑馬紋趨勢與零件數據不同；特征棱線鈍化是由于沖壓件棱線兩側彈性變形恢復導致的夾角變大，目視棱線效果衰減的現象，如圖5所示。

圖5 特征棱線鈍化缺陷

3.1 外觀品質缺陷預測

對比沖壓件、零件數據和加工數模斑馬紋可知，最終沖壓件斑馬紋與加工數模斑馬紋一致，而加工數模來源于回彈補償后的工藝方案數據。因此，回彈補償數據斑馬紋影響最終零件斑馬紋，若回彈補償數據出現斑馬紋扭曲變形，最終將呈現在零件上。

特征棱線鈍化一般以面夾角為主要判斷標準，面夾角越大，衰減越明顯。特征棱線根據面夾角和弦長等標準，區分為明顯特征線和不明顯特征線。不明顯特征線標準：①面夾角大于154°；②棱線圓弧弦長小于6 mm；③棱線圓弧半徑小于48 mm。

不明顯特征棱線為鈍化的高風險區域，尤其是棱線消隱區域，常出現棱線不清晰或提前消失的情況。

3.2 外觀品質缺陷的應對措施

圖6 回彈補償數據修復效果

特征棱線鈍化的應對措施為加工數據特征棱線的銳化處理，若棱線判定為不明顯特征線，需進行銳棱設計，如圖7所示。若棱線判定為明顯特征線，可綜合考慮搭接件棱線狀況、沖擊∕滑移線狀況進行減弦設計或不處理。

圖7 銳棱設計

4 曲面質量缺陷預測及應對措施

曲面質量缺陷指零件表面局部小范圍的曲面不光順，是精致工藝中占比較大的缺陷類型，包括凸凹傷、圓角不順、壓傷等，如圖8所示。

圖8 曲面質量缺陷實例

凸凹傷和圓角不順均是由于沖壓成形過程中的應力分布不均、材料流動不均而產生的面品缺陷。前者表現為鼓包、凹陷，一般在2000Lux的光線下目視不可見，需專業檢測人員手感觸摸，甚至借助油石打磨或燈光棚斑馬紋評價才能檢測；后者表現為圓角突變或形狀變形，按缺陷嚴重程度可通過目視、手感觸摸、油石打磨等方式檢測。

壓傷則是因為有雜質附著于板料或模具零件表面，沖壓后在工序件表面產生缺陷。鋁板沖壓件比鋼板沖壓件更易產生壓傷，一是由于鋁板材料硬度低，易損傷而不易修復；二是由于鋁板輕而脆，易產生切屑并吸附到模具零件和工序件表面。

4.1 曲面質量缺陷預測

曲面質量缺陷預測可依據CAE分析、零件形狀、工序內容和制造經驗綜合判斷，如圖9所示。根據凸凹傷缺陷形成的原因，該類缺陷一般出現在曲面形狀急劇變化的區域，如特征線兩側、A面輪廓等，尤其是轉角、棱線匯聚等應力分布差異較大的區域。若這些區域為成形工序內容如拉深、翻邊、整形等，則可預判為凸凹傷缺陷的風險區域，在查看CAE分析結果時重點關注這些區域。

圖9 曲面質量缺陷預判

圓角不順產生在圓角急劇變化的區域，如外板翻邊交刀處、分工序翻邊過渡位置以及圓角整形區域等，CAE分析時采用完整工具體模擬成形過程，查看結果時重點關注這些風險區域的圓角成形情況。同時鋁板后工序模具工作區域均存在壓傷風險。

另外，制造經驗也是重要的預測依據，對于鋁板模具，CAE模擬的準確程度還未得到充分驗證，以往項目的共性問題成為較為可靠的參考。

4.2 曲面質量缺陷的應對措施

（1）工藝方案設計階段：針對拉深模的凸凹傷缺陷，調整工藝補充面和拉深筋以控制材料流動均勻，使成形充分；針對翻邊引起的圓角不順、頂面凸凹傷等缺陷，增加過渡區域長度，調整翻邊時序；針對整形造成的面品缺陷，采用優化整形前工藝面造型或減小整形量的方法；針對壓傷風險，合理排布工序內容，盡量不采用廢料刀、切邊交刀以及切翻等，以減少切屑的產生。

（2）結構設計階段：壓料器氮氣缸的布置盡量靠近缺陷風險區域，確保已成形曲面不被拖動變形；切邊沖孔刀塊設計為同時切入，減少切屑；后工序模具僅保留足夠的工作面，其余均進行避空處理，減少工序件與模具零件的接觸面積。

（3）加工數模設計階段：全工序模具零件曲面缺陷風險區域均在上模側進行強壓處理，高風險區域可增加強壓量，保證上、下模貼合狀況良好；在結構設計的基礎上進一步控制工作面寬度，非工作型面進行避空處理，減少工序件與模具零件的接觸面積；同時零件A面區域對應的強壓、避空處光順過渡，降低壓傷風險。

鋁板模具精致工藝的提升要在設計端充分識別潛在風險并采取相應措施，還需要制造端從加工質量、裝配精度、研合率、型面粗糙度、成形性相關參數控制等各環節把控，才能實現模具精致工藝提升的目標。

5 應用實例

前罩外板是汽車覆蓋件應用鋁板的典型零件，從精度控制到精致工藝提升有較完整的經驗，現以某車型鋁板前罩外板模具開發為例，說明提升精致工藝的方法和應用場景。

5.1 模具基本信息

該前罩外板采用6016-T4合金鋁板，板料厚度為0.9 mm，上表面為基準側。零件整體造型平緩流暢，無急劇變化的造型特征和棱線，如圖10所示。

圖10 某鋁板前罩外板

根據零件成形需求，該前罩外板的模具工藝規劃為4道工序：OP10拉深；OP20切邊+沖孔（工藝孔和定位孔）；OP30切邊；OP40翻邊+切邊，如圖11所示。完成基本的工序排布和工序數模設計后，可針對零件特點預判精致工藝風險，應用解決策略。

圖11 某鋁板前罩外板成形工藝

5.2 設計階段精致工藝提升

（1）工藝方案設計階段：調整拉深深度和風窗處工藝補充凹槽，使拉深成形充分，無起皺開裂，如圖12所示。OP20、OP30模具分段切邊，無廢料刀和交刀工藝，有利于減少切屑。OP40模具采用全輪廓正翻邊，圓角一致性好，同時應用夾料翻邊工藝，優化翻邊質量。

圖12 某鋁板前罩外板拉深模CAE結果

經全工序回彈分析，該前罩外板中部下塌，最大值約2.7 mm，前后側朝車身外回彈，最大值超過5 mm，回彈補償后驗證分析，尺寸精度合格。回彈補償面局部斑馬紋扭曲變形，修復優化后使最終數模面與零件數據斑馬紋趨勢、連續性一致，如圖13所示。

圖13 某鋁板前罩外板工藝數據斑馬紋

（2）結構設計階段：上模切邊刀塊設計為同時切入，切入量為3 mm；保留必要工作面，其余采用鑄造減輕加工量。由于該前罩外板曲面平緩，為保證足夠的支撐和定位，下模結構保留工作面較多，如圖14所示。量產后可根據實際生產狀態，對多余型面進行機加工避空。

圖14 某鋁板前罩外板模具零件結構

（3）加工數模設計階段：全工序壓料器工作面進行強壓設計，不同工序設置不同的強壓寬度，其中切邊強壓寬度為15 mm，翻邊強壓寬度為40 mm。非工作型面進行避空設計，產品面避空為1 mm，工藝補充面避空為2 mm。A面處強壓、避空均光順過渡，如圖15所示。

圖15 某鋁板前罩外板模具零件加工數模

5.3 制造保障及效果驗證

通過合理規劃NC編程策略、設置數控機床參數等來保障加工精度；藍光掃描各工序模具零件型面，加工精度達成流轉標準；研配模具零件，粗糙度值達到Ra0.8 μm；利用藍油著色等方式檢測部件間匹配精度、模具零件型面貼合率、刃口垂直度等，同時參照CAE分析設置成形力，達到安全裕度±10%，板料流入量±5 mm的目標。

上機驗證成形效果，該前罩外板首壓藍油著色率75%以上，無開裂起皺問題，零件斑馬紋與零件數據一致，無A類缺陷，達成精致工藝目標，如圖16所示。

圖16 某鋁板前罩外板沖壓件

6 結束語

以典型汽車覆蓋件模具設計方法為基礎，結合鋁板材料特性，在模具設計端采用優化工藝補充、回彈補償、銳棱設計、強壓避空設計等方法，達成精致工藝提升的目標，避免了由于鋁板成形條件敏感、回彈大、易損傷等特性帶來的制造端優化提升困難、周期不可控的風險。