鋁合金車身覆蓋件沖壓模具的設計及生產維護關鍵技術

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領域得到越來越多的應用。鋁板在實際使用時常面臨成形、生產碎屑、模具維修維護等諸多方面挑戰。本文從材料特性、模具規劃、批量生產、模具維修維護四個方面介紹鋁板在實際應用時遇到的問題、產生原因，并提供有效的預防及整改方法。

在國家對能源、環保、安全嚴格要求的背景下，輕量化成為汽車工業發展的主流趨勢。其中沖壓件板材由鋁板代替傳統的鋼板是其中主要內容之一。近些年新車型汽車車身中鋁合金的應用越來越多，以蔚來ES8 為例，汽車車身鋁合金占比高達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、比強度高的優點，同時也存在成形性差易開裂、回彈大、生產碎屑多等問題，如圖1 所示。為保證鋁板生產更加穩定高效，需要對生產的各個環節(模具設計、生產關注、模具維修維護)進行調查分析，并給出行之有效的預防及解決措施。

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板件，6XXX 系鋁板綜合性能優良、表面質量好同時具備熱處理強化能力，因而在外覆蓋件中經常使用。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變比均低于鋼板，以CR5 材料和Al6 材料對比為例，力學性能對比數據見表2，材料性能拉伸應力應變曲線如圖3 所示。

表2 CR5 材料和Al6 材料的力學性能數據

圖3 CR5 和Al6 材料的拉伸應力應變曲線

模具設計關鍵技術

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

拉延成形

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

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

⑵工藝補充區盡量平緩，成形深度均勻過渡，避免急劇變化。

⑶翻整展開區平緩，減少二次成形區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生碎屑，從而引起板料表面硌傷等問題。在模具刃口設計時，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，從而減少碎屑產生概率。

⑶側修邊區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留回彈量，減少零件不符型情況。

生產過程的關鍵技術

在模具規劃已充分考慮和優化的前提下，鋁板模具生產面臨自動化生產、生產周期、生產數量等多方面挑戰。在此階段，需要制定穩定可靠的在線及線下措施，進一步降低鋁板零件批量生產中的系統風險。

板料分張及板料回帶

與普通鋼板相比，鋁板具有質量輕、無磁性的特點。自動化生產時，防銹油將上下疊放的板料牢牢吸附在一起，線首設備只能通過增加向堆垛邊緣吹氣的方式將其分離，生產故障率高。經驗證，在保證零件面品質量及成形性的前提下，在板料非關鍵區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生板料回帶問題。在實際生產時通常采用3 點措施解決板料回帶：⑴在保證零件面品的前提下，模具非關鍵區域增加排氣孔，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模具型腔適當增加工藝孔，保證氣體流動順暢。

圖8 模具排氣孔

生產中的開裂預防

生產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險。對于單次批量較大的生產方式(單批次大于1500 件)，在實際生產時可采取為模具部件降溫的措施(圖9)，降低開裂風險。某車型翼子板改造后，零件開裂統計結果見圖10，開裂大幅降低。

圖9 模具冷卻裝置

圖10 零件開裂統計(次/年)

鋁板生產中FTC 的治理

鋁板零件在批量化生產時，因其碎屑小且輕的原因，更易受傳輸風壓的影響到處亂飛，頻繁造成零件硌傷，特別是針對一些切邊形狀較為復雜的鋁板零件，系統生產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，根據設計頻次，模具定時自清理生產碎屑，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

模具維修與維護關鍵技術

模具日常維修維護階段，合理規范的維修方式及科學精準的維護方案可以減少問題發生的頻率，保證零件質量，使鋁板沖壓生產更加高效穩定。

鋼板模具與鋁板模具維護的差異

跟鋼板相比，鋁板材質軟、面品質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線異物影響，切邊模具容易產生鋁屑，發生碎屑堆積現象，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注異物的來源及種類，切邊模具維護時關注切邊刃口狀態，尤其是形狀不規則的刃口(容易導致模具間隙不均勻)，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，既保證了零件質量又減小了工人的維護難度，在鋁板模具的生產中得到很好的應用。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過程中的碎屑不飛離。

結束語

隨著新能源汽車的發展，汽車輕量化要求不斷推進，鋁合金板材因其自身優勢必將得到越來越多的應用。雖然目前鋁合金板材在使用過程中仍存在許多問題，無論是模具規劃前期還是批量生產階段仍面臨諸多挑戰。但經驗在積累，科技在創新，相信在專業人士的不斷努力下，鋁合金板材生產問題會逐一解決，鋁板模具生產會更加穩定、高效。