鋁合金車身覆蓋件沖壓模具的設(shè)計及生產(chǎn)維護關(guān)鍵技術(shù)

文/李珊珊，崔江浩，韓亞飛，沈鐳·北京奔馳汽車有限公司

鋁板因其密度小、比強度高等特點在汽車工業(yè)領(lǐng)域得到越來越多的應(yīng)用。鋁板在實際使用時常面臨成形、生產(chǎn)碎屑、模具維修維護等諸多方面挑戰(zhàn)。本文從材料特性、模具規(guī)劃、批量生產(chǎn)、模具維修維護四個方面介紹鋁板在實際應(yīng)用時遇到的問題、產(chǎn)生原因，并提供有效的預(yù)防及整改方法。

在國家對能源、環(huán)保、安全嚴(yán)格要求的背景下，輕量化成為汽車工業(yè)發(fā)展的主流趨勢。其中沖壓件板材由鋁板代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼板是其中主要內(nèi)容之一。近些年新車型汽車車身中鋁合金的應(yīng)用越來越多，以蔚來ES8 為例，汽車車身鋁合金占比高達(dá)98.4%。常見的鋁合金車身零件包含機蓋、翼子板、車門、頂蓋、行李廂等品種。

因材料的特性差異，與鋼板相比鋁板具有密度小、比強度高的優(yōu)點，同時也存在成形性差易開裂、回彈大、生產(chǎn)碎屑多等問題，如圖1 所示。為保證鋁板生產(chǎn)更加穩(wěn)定高效，需要對生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)(模具設(shè)計、生產(chǎn)關(guān)注、模具維修維護)進(jìn)行調(diào)查分析，并給出行之有效的預(yù)防及解決措施。

圖1 鋁板沖壓常見的問題

常用車身覆蓋件的鋁板選材及材料特性

常用材料

汽車車身常用的鋁板有5XXX 系鋁鎂合金和6XXX系鋁硅鎂合金(圖2)，二者均具有較高的強度及良好的成形性，適用于汽車制造要求。其中5XXX 系鋁板具有良好的抗腐蝕性常用于汽車內(nèi)板件，6XXX 系鋁板綜合性能優(yōu)良、表面質(zhì)量好同時具備熱處理強化能力，因而在外覆蓋件中經(jīng)常使用。5XXX 系鋁板與6XXX 系鋁板性能差異見表1。

表1 5XXX 系鋁板與6XXX 系鋁板性能差異

圖2 鋁板材料的分級

鋼板與鋁板性能差異

鋁板彈性模量是鋼板的1/3，斷裂延伸率及塑性應(yīng)變比均低于鋼板，以CR5 材料和Al6 材料對比為例，力學(xué)性能對比數(shù)據(jù)見表2，材料性能拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖3 所示。

表2 CR5 材料和Al6 材料的力學(xué)性能數(shù)據(jù)

圖3 CR5 和Al6 材料的拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線

模具設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

沖壓模具規(guī)劃階段需要根據(jù)鋁板板材性能特點，充分考慮尺寸回彈及成形失穩(wěn)情況，在兼顧產(chǎn)品工藝需求、生產(chǎn)效率以及零件質(zhì)量的前提下，需要對零件拉延成形及模具刃口設(shè)計提出更高的要求。

拉延成形

因為鋁板具有延展率低，屈強比高以及塑性應(yīng)變比小等特點，成形過程中易發(fā)生起皺開裂等情況，模具設(shè)計時需注意以下6 點：

⑴拉延深度盡量做淺，提高成形穩(wěn)定性。拔模角度在保證材料利用率的前提下盡量做大。

⑵工藝補充區(qū)盡量平緩，成形深度均勻過渡，避免急劇變化。

⑶翻整展開區(qū)平緩，減少二次成形區(qū)的減薄率為后序翻整留夠安全空間。

⑷分模線平緩過渡，避免材料在過渡區(qū)堆積起皺，如圖4 所示。

圖4 分模線平緩過渡

⑸成形圓角包括凹模直段、凹模過渡段、凸模、凹模、拉延凹筋R 角在內(nèi)的角都要做到最大。

⑹考慮凸凹模縮放，避免因回彈問題造成后工序符型干涉，如圖5 所示。

圖5 拉延模凸凹模縮放

模具刃口設(shè)計

通常情況下鋁板的彈性模量約為鋼板的1/3，造成鋁板切邊時更易產(chǎn)生碎屑，從而引起板料表面硌傷等問題。在模具刃口設(shè)計時，需注意以下5 點：

⑴切邊角度越小越好，保證良好的切邊條件。

⑵切邊圓角小R 處理，防止刃口劃傷板料，且刃入量盡量做小，從而減少碎屑產(chǎn)生概率。

⑶側(cè)修邊區(qū)域可采取拉延筋斷開方式(圖6)，拉延筋盡量平緩過渡，保證良好的切邊角度。

⑷廢料分布優(yōu)選二次切斷，可盡量減少廢料刀使用。

⑸后工序型面加工建議預(yù)留回彈量，減少零件不符型情況。

生產(chǎn)過程的關(guān)鍵技術(shù)

在模具規(guī)劃已充分考慮和優(yōu)化的前提下，鋁板模具生產(chǎn)面臨自動化生產(chǎn)、生產(chǎn)周期、生產(chǎn)數(shù)量等多方面挑戰(zhàn)。在此階段，需要制定穩(wěn)定可靠的在線及線下措施，進(jìn)一步降低鋁板零件批量生產(chǎn)中的系統(tǒng)風(fēng)險。

板料分張及板料回帶

與普通鋼板相比，鋁板具有質(zhì)量輕、無磁性的特點。自動化生產(chǎn)時，防銹油將上下疊放的板料牢牢吸附在一起，線首設(shè)備只能通過增加向堆垛邊緣吹氣的方式將其分離，生產(chǎn)故障率高。經(jīng)驗證，在保證零件面品質(zhì)量及成形性的前提下，在板料非關(guān)鍵區(qū)增加壓窩形狀可有效的解決板料分張問題，如圖7 所示。

圖7 板料壓窩

鋁板零件密度低、板料輕，壓機滑塊上行時，拉延零件易受氣壓的影響發(fā)生板料回帶問題。在實際生產(chǎn)時通常采用3 點措施解決板料回帶：⑴在保證零件面品的前提下，模具非關(guān)鍵區(qū)域增加排氣孔，排氣孔直徑盡量做大(圖8)；⑵模具壓邊圈四周增加氣動夾手，壓機上行時牢牢抓住零件，防止回帶；⑶模具型腔適當(dāng)增加工藝孔，保證氣體流動順暢。

圖8 模具排氣孔

生產(chǎn)中的開裂預(yù)防

生產(chǎn)過程中零件與模具之間摩擦積熱，增加了鋁板零件開裂的風(fēng)險。對于單次批量較大的生產(chǎn)方式(單批次大于1500 件)，在實際生產(chǎn)時可采取為模具部件降溫的措施(圖9)，降低開裂風(fēng)險。某車型翼子板改造后，零件開裂統(tǒng)計結(jié)果見圖10，開裂大幅降低。

圖9 模具冷卻裝置

圖10 零件開裂統(tǒng)計(次/年)

鋁板生產(chǎn)中FTC 的治理

鋁板零件在批量化生產(chǎn)時，因其碎屑小且輕的原因，更易受傳輸風(fēng)壓的影響到處亂飛，頻繁造成零件硌傷，特別是針對一些切邊形狀較為復(fù)雜的鋁板零件，系統(tǒng)生產(chǎn)效率和一次下線合格率將受到較大制約。為此可采用自動化清潔裝置(圖11)，在不影響效率的情況下，根據(jù)設(shè)計頻次，模具定時自清理生產(chǎn)碎屑，從而大大降低零件鉻傷，減少了零件返修率(圖12)。

圖11 模具自動清潔裝置

圖12 零件返修率

模具維修與維護關(guān)鍵技術(shù)

模具日常維修維護階段，合理規(guī)范的維修方式及科學(xué)精準(zhǔn)的維護方案可以減少問題發(fā)生的頻率，保證零件質(zhì)量，使鋁板沖壓生產(chǎn)更加高效穩(wěn)定。

鋼板模具與鋁板模具維護的差異

跟鋼板相比，鋁板材質(zhì)軟、面品質(zhì)量更易受異物鉻傷影響，所以鋁板模具維護頻率明顯高于鋼板模具。以拉延模具為例，鋁板模具點檢頻率為13000 件1 次，鋼板模具點檢頻率為18000 件1 次。

不同工序模具維護的差異

鋁板零件工序主要內(nèi)容一般分為拉延、切邊(沖孔)、翻整三項，其中拉延模具主要受生產(chǎn)線異物影響，切邊模具容易產(chǎn)生鋁屑，發(fā)生碎屑堆積現(xiàn)象，翻整模具主要受前工序切邊碎屑影響。所以拉延模具維護時主要關(guān)注異物的來源及種類，切邊模具維護時關(guān)注切邊刃口狀態(tài)，尤其是形狀不規(guī)則的刃口(容易導(dǎo)致模具間隙不均勻)，維護頻率為5000 件1 次，翻整模具多受前工序料屑影響，料屑分布廣且不均勻，模具維護時需做到全面無死角清潔，維護頻率為5000 件1 次。

DLC 鑲塊刃口維護

后工序模具刃口DLC 處理可以在保證鑲塊刃口硬度的同時得到很低的表面粗糙度，碎屑松散的吸附在刃口上，避免碎屑與刃口粘連，既保證了零件質(zhì)量又減小了工人的維護難度，在鋁板模具的生產(chǎn)中得到很好的應(yīng)用。日常維護時需注意上模刃口處需噴涂清潔油，清除刃口表面碎屑，下模刃口處需涂抹黃油保證生產(chǎn)過程中的碎屑不飛離。

結(jié)束語

隨著新能源汽車的發(fā)展，汽車輕量化要求不斷推進(jìn)，鋁合金板材因其自身優(yōu)勢必將得到越來越多的應(yīng)用。雖然目前鋁合金板材在使用過程中仍存在許多問題，無論是模具規(guī)劃前期還是批量生產(chǎn)階段仍面臨諸多挑戰(zhàn)。但經(jīng)驗在積累，科技在創(chuàng)新，相信在專業(yè)人士的不斷努力下，鋁合金板材生產(chǎn)問題會逐一解決，鋁板模具生產(chǎn)會更加穩(wěn)定、高效。