鋁制發罩內板模具開發全流程分析

文／胡勇，陳文峰，劉新洋，宋鐵明，叢立國·一汽模具制造有限公司

當前，整車開發對周期、質量、成本要求越來越嚴苛，經過設計階段的精算和回彈補償后，關鍵尺寸理論合格率普遍能夠達到90%以上的情況，但受各種實際因素的影響，制件的首件合格率難以達到預期目標，與理論存在一定差異；提升制件的首件合格率，保證尺寸精度，減少尺寸整改，提升產品質量，是所有模具人一致追尋的目標。

針對理論與實際不符的問題，運用技術歸零方法，進行問題再現分析及復盤工作，在促進現場問題速解的同時，優化技術標準，規避同類問題再發。

鋁板材料特性

隨著汽車工業的進步，鋁合金代替鋼板件作為汽車沖壓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。用于汽車車身的鋁板材料主要使用非熱處理型鋁-鎂合金(5000 系)和熱處理型鋁-鎂硅合金(6000 系)，其5000 系和6000系合金的特性比較見表1。5000 系列合金的強度和耐腐蝕性最佳，主要使用在底盤及車身零件(內板)，6000 系列合金的包邊性及表面品質最佳，并且時效硬化后零件強度加強，故使用在車身外覆蓋件上，如圖1 所示。

圖1 5000 系和6000 系強度和成形性關系

表1 5000 系和6000 系合金的特性對比

鋁板的延伸率比鋼板小，故變形量比鋼板小，拉延性不好，如圖2 所示。容易產生裂紋，特別是形狀比較復雜的零件；因此鋁合金拉延模具凹模圓角比鋼板拉延模具圓角要大得很多，否則容易出現縮頸和拉裂。

圖2 鋁板與鋼板的拉伸性能對比

鋁板CAE 模擬分析評判標準即問題點高于FLD曲線即為破裂(圖3)，為了安全起見，一般留有20%的裕度(鋁板FLC 曲線下移0.08)，即綠色區域為合格區，黃色為破裂風險區域，橙色為過度變薄接近破裂區域。

圖3 鋁板CAE 模擬分析評判標準

由于鋁板的彈性模量僅為鋼板的1/3，理論上鋁板件的回彈是鋼件的3 倍，因此，鋁板件的尺寸精度控制難度更大。回彈多發生在圓角的形狀過渡區 、截面形狀越復雜，回彈發生情況也越復雜；不同彎曲半徑下鋁合金回彈角較軟鋼大 2 ～3 倍。

鋁制發罩內板開發制造

沖壓工藝設計及全工序模擬分析

⑴設計合理的沖壓工藝方案。沖壓工藝一般包括四個工序分別為OP10 拉延工序、OP20 修邊工序、OP3 修邊工序和OP40 整形工序。

⑵成形性全工序模擬分析，主要的分析內容為成形極限圖、減薄率、失效性和收料狀態。

回彈模擬分析及補償驗證

⑴回彈模擬分析，主要包含分析結果檢查(Locating)、分析結果檢查(Closing)、各工序自由回彈結果檢查和最終制件全支撐回彈，其中最終制件全支撐回彈如圖4 所示。

圖4 最終制件全支撐回彈

⑵回彈補償方案及補償策略包括以下5 個方面。

1)通過以上回彈模擬分析結果確定以最終制件自由回彈狀態作為補償基準，如圖5 所示。

圖5 最終制件自由回彈狀態

2)回彈補償策略為OP10 整體補償、OP20 符型、OP30 原產品、OP40 原產品。

3)回彈補償量值如圖6 所示。

圖6 回彈補償量值

4)檢具全支撐回彈補償驗證結果如圖7 所示，關鍵匹配面理論合格率100%。如圖8 所示。

圖7 檢具全支撐回彈補償驗證結果

圖8 關鍵匹配面理論合格率

⑶調試整改工作優化制件尺寸。

1)成形性問題及解決方案。通過優化模具表面粗糙度、拉延筋進料圓角切點及調整平衡塊虛著色狀態，消除開裂及縮頸問題(圖9)。

圖9 開裂和縮頸問題

2)首件ATOS 掃描回彈結果與理論差異較大，如圖10 所示。

圖10 首件ATOS 掃描回彈結果與理論差異較大

3)通過理論模擬驗證現場制件實際狀態及現場調試調整優化提升制件尺寸，如圖11 所示。

圖11 首件ATOS 和優化后ATOS 對比

⑷制定整改方案及理論整改有效性模擬驗證如圖12 所示。

圖12 整改方案及理論整改有效性模擬

⑸尺寸整改后制件ATOS 及三坐標測量結果，如圖13 所示。

圖13 尺寸整改后制件ATOS 及三坐標測量結果

結論

通過對鋁制發罩內板模具開發全流程分析研究，為減小理論與實際差異需要從以下三個方面開展研究工作：

首先，排查、分析現場疑難制件數據信息，包括流入量，網格應變、尺寸掃描件等必要數據，進行問題分析，對于明確的問題，快速制定解決方案。

其次，從材料模型、參數設置、評價準則、面品缺陷定量檢測等多個維度考慮，分析影響因素，現場進行必要的驗證實驗，多技術手段并行，開展理論與實際差異性分析，不斷完善開發流程與技術標準。

最后，針對鋁板材料性能開展核心技術研究，調試板料全面啟動板料化驗工作，基于經驗值及材料研究成果優化材料卡片并作為核心技術指導生產。