隨著汽車工藝的發(fā)展，汽車輕量化對于提高燃料效率、防止碳排放所造成的環(huán)境污染顯得尤其重要。本文興迪源機(jī)械帶來分享 | 鋁合金汽車制件的沖壓工藝及模具設(shè)計。

　　一、引言：

　　隨著汽車工藝的發(fā)展，汽車輕量化對于提高燃料效率、防止碳排放所造成的環(huán)境污染顯得尤其重要。汽車輕量化實質(zhì)就是車用材料的輕量化，在保證足夠結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，復(fù)合材料、高強(qiáng)度鋼板、鋁鎂合金等新材料的使用在其中發(fā)揮了相當(dāng)大的作用。

　　近年來汽車用鋁合金的使用量在一些高端汽車中快速增長，鋁合金具備良好的機(jī)械性能和的低密度，具有耐高溫，抗腐蝕和抗蠕變性能，在減輕汽車重量前提下，完全可以滿足汽車性能的要求。盡管鋁合金壓鑄件是汽車工業(yè)關(guān)注的焦點，但一些結(jié)構(gòu)件甚至是外板件也在嘗試使用這一類的材料進(jìn)行沖壓成形。本文通過對典型的鋁合金結(jié)構(gòu)件進(jìn)行分析，總結(jié)了鋁合金的一般成形特性。

　　二、制件及材料性能分析：

　　1）制件分析

　　圖１所示為某型家用轎車結(jié)構(gòu)制件，該制件為鋁合金厚板件，形狀較獨特，成形難度大，精度要求高。同時該制件模具的開發(fā)周期短，有較高的技術(shù)及制造難度，缺乏類似經(jīng)驗可供借鑒，方案實施風(fēng)險較大。

　　制件定位基準(zhǔn)RPS點為側(cè)面D7MM孔、一處D8MM孔以及頂面一處D7MM孔。翻邊面上有5處沖孔、2處壓窩凸臺。2-D8MM孔、2-8.2MM凸臺及D7MM孔有較高位置公差要求,只能采用側(cè)沖;2D8.2MM壓窩是凸向外部,斜楔將設(shè)計為往復(fù)式才能實現(xiàn)。制件頂面有3處沖孔,沖壓方向有20夾角,且2-D7MM孔位置公差要求較高,必須分在兩序上完成。制件輪廓線公差為±0.5MM,因此2.5MM厚的板料要求沖裁方向修邊展開面不能有太大的斜角。端面翻邊很高(52MM),圓角偏小(R6MM),材料在端頭的流入量是否足夠有待進(jìn)一步分析。拉伸如果不能成功,能否大膽采用整體翻邊必須認(rèn)真考慮。

　　2）材料性能

　　制件材料為EN485-AW-5754-O/H111,料厚為25MM。該材料為德國牌號,EN485-AW是鋁材料的性能標(biāo)準(zhǔn)號,5754對應(yīng)的化學(xué)符號標(biāo)志系統(tǒng)代號為AMGY,O/H1L1為材料狀態(tài)標(biāo)志,O為退火態(tài),H111為最終退火后又適量加工,但硬化程度很小,不及HLL。材料力學(xué)性能為:4=190-240MPA;A2≥80MPA;Δ≥16%;HBS=52。與常用的汽車結(jié)構(gòu)件材料進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn),該材料抗拉強(qiáng)度不高,但厚度較大,延伸率只及DC鋼的一半,成形時須考慮足夠的給料、工藝補(bǔ)充時考慮材料流動盡量少爬坡、少彎折,便于成形及減冷作硬化和板料變薄趨勢;從硬度和抗拉強(qiáng)度上:FJ硬鋁和軟鋁之間,可以作為沖裁間隙、回彈角度確的參照,同時制件表面質(zhì)量要求高,在模具材料使用上要注意減少制件表面劃傷。

　　三、沖壓方案的確定：

　　1）方案分析

　　根據(jù)制件特點,有拉伸和成形兩種方案可供選擇。拉伸方案材料可控,但端面拉伸后須采用兩次修邊,交接困難,工序較長。成形方案存在翻邊疊料風(fēng)險,但可以簡化工序內(nèi)容。

　　方案一:拉伸(OP10)→→修邊(OP20)→翻邊(OP3O)→側(cè)修邊沖孔(OP40)→側(cè)修邊沖孔(OP50)→側(cè)沖孔壓窩(OP60)。如圖2所示。

　　方案二:落料沖孔(OP05)→成形(OP10)→修邊沖孔(OP20)→翻邊整形(OP30)→側(cè)修邊側(cè)沖孔(OP40)→側(cè)沖孔壓窩(OP50)。如圖3所示。

　　2）CAE分析

　　為驗證方案的可靠性,分別對兩種方案的成形工藝進(jìn)行CAE分析。

　　方案一,在制件端面A處出現(xiàn)拉裂現(xiàn)象,B處材料變薄率達(dá)到了30%(見圖4)。對拉伸板料進(jìn)行剪裁,同時對壓料力進(jìn)行調(diào)整后端頭開裂現(xiàn)象得到改善,但材料變薄還是超標(biāo),且在同一成形區(qū)域出現(xiàn)明顯起皺趨勢(見圖5)。

　　方案二,制件端面采用兩次成形,第一次成形頂部較深的凹槽,第二次完成沿周翻邊(見圖6)。該制件翻邊形狀較特別,特別是端頭翻邊面高不易控制,側(cè)面翻邊斷面有精度要求。成形分析后發(fā)現(xiàn),翻邊后端面c處、d處(見圖7)材料變厚,有堆積現(xiàn)象。調(diào)整修邊線后重新計算,仍有變厚趨勢,積料形狀有所改善。

　　3）方案確定

　　通過兩種方案的對比，可以看出按照方案二實施可行性較大,對于該方案的一些缺點可以在L安排中予以避免或者改善。

　　(1)成形定位不可靠。處理措施:落料時在材料基本沒有流動的部位沖制定位孔(見圖8)。

　　(2)端頭翻邊材料有堆積想象。處理措施:調(diào)整落料輪廓,通過軟件精算并在沖壓過程中試驗確定。

　　(3)翻邊斷面有精度要求,與型面垂直度不易保證。處理措施:修改落料輪廓(見圖8),在后工序增加局部斜楔修邊工序,同時可以完成斜楔沖孔。

　　四、方案實施及問題總結(jié)：

　　該方案在實施過程中,由于本身一些不能兩全的地方,以及首次接觸到該材料的沖壓,經(jīng)驗尚待總結(jié),因此還是反映出了一些現(xiàn)場問題。

　　1）落料線與修邊線交接不好:落料是平板狀態(tài),修邊是在一次拉伸之后進(jìn)行,由于要照顧到大面,使得與落料線交接段有15°夾角。小于30°的斜面對修邊刃口影響不大,但對于厚板料的沖裁斷面則出現(xiàn)按差(見圖9)。也曾考慮過落料出全部輪廓,但由于成形的修邊線不易控制,特別是二次翻邊更是如此,定位時工件可能有微量位移。針對這種情況,通過增加交接工藝缺口使之得到改善。

　　2）翻邊鑲塊上出現(xiàn)積屑，在沖壓到一定數(shù)量后，翻邊工序件的翻邊面上出現(xiàn)一定程度的劃傷。檢查后發(fā)現(xiàn),翻邊鑲塊淬火硬度和表面粗燥度值均滿足設(shè)計要求,劃傷是由于該鋁合金材料硬度不高,沖壓過程中有較嚴(yán)重的發(fā)熱現(xiàn)象,在凹模鑲塊上燒結(jié)出現(xiàn)了積屑所至。在清除掉積屑后,沖壓時加上潤滑油劃傷得到了暫時解決。針對這類現(xiàn)象,要求對鑲塊進(jìn)行表面TD強(qiáng)化處理。

　　3）壓窩狀態(tài)不理想:側(cè)沖壓窩時發(fā)現(xiàn)壓窩尺寸未達(dá)到圖紙要求(見圖10A),凸模尺寸考慮的是料厚等距,實際沖壓時該材料局部脹形性能不佳,導(dǎo)致凸臺外形沒有壓出。通過重新設(shè)計凸模尺寸進(jìn)行試沖,達(dá)到圖10B所示尺寸時狀態(tài)比較理想。

　　4）修邊線確定困難:修邊線除第1條所述問題外,還存在C、D區(qū)域(見圖7)翻邊形狀確定困難的情況。該處由于翻邊變化大形狀特殊,大量材料在此處進(jìn)行了擠壓,很小的一點調(diào)整將引起翻邊后C、D區(qū)域較大的變化,左右區(qū)域調(diào)整的不均勻,會引起E端面的傾斜。因此,該處修邊線的調(diào)整要逐步進(jìn)行,多取一些控制點,多試幾輪,確保輪廓符合檢具以及E處端面平行。

　　5）制件的回彈:根據(jù)材料的性能,查出制件翻邊后的回彈角度在3°~5°之間,因此在方案制定時翻邊工序考慮了2°回彈角。但沖壓實際情況卻反映翻邊回彈卻不足1°,局部還出現(xiàn)翻邊包緊凸模的現(xiàn)象。為進(jìn)一步證實,選取同一材料的典型制件做試驗,發(fā)現(xiàn)在R/=2~3的情況下,反而有1°~2°的負(fù)向回彈,回彈角隨R的加大而減小。因制件翻邊R不允許更改,通過適當(dāng)加大翻邊間隙使翻邊形狀達(dá)到了要求該種材料的這一性能在今后模具設(shè)計中應(yīng)事先給予考慮。

　　6）沖裁斷面:根據(jù)材料的性能,按鋁材查出制件沖裁最小間隙為O.09MM,但實際情況反映,沖裁端面光亮帶達(dá)到了70%-80%,該間隙偏小。逐漸磨小凸模尺寸,最終試出合理單面沖裁間隙應(yīng)為0.2MMN(料厚T=25MM)。廢料切刀處由于修邊有先后,產(chǎn)了較產(chǎn)中的塌角(見圖L1)。通過減小刃口高差,提高刃1利程度情況有所好轉(zhuǎn)。對軟而厚的材料而言要徹底消除塌角,建議在以后模具設(shè)計時改為圖12所示廢料切刀形式較為合適。

　　五、結(jié)束語：

　　通過對比分析、CAE計算確定的沖壓工藝方案經(jīng)過實際驗證,制品合格,精度和表面質(zhì)量達(dá)到了設(shè)計要求.整體成形的設(shè)想,為同類型制件沖壓方案的確定提供了思路。

　　【興迪源機(jī)械簡介】

　　興迪源機(jī)械(Xingdi Machinery)是一家專注流體壓力成形技術(shù)的鍛壓設(shè)備制造企業(yè)。自2007年創(chuàng)立以來，興迪源機(jī)械一直致力于內(nèi)高壓成形的技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)品研發(fā)。主營產(chǎn)品范圍從生產(chǎn)普通液壓設(shè)備，現(xiàn)今發(fā)展至生產(chǎn)、研發(fā)國內(nèi)頂尖流體壓力成形技術(shù)的鍛壓設(shè)備。

　　目前，興迪源內(nèi)高壓成形智能設(shè)備已運用在制造航空、航天、核電、石化、汽車、摩托車、自行車業(yè)的沿構(gòu)件軸線變化的圓形、矩形或異形截面空心構(gòu)件以及管路配件的生產(chǎn)制造中。同時也適用于生產(chǎn)航空飛行器上輕體構(gòu)件有空心結(jié)構(gòu)框架、發(fā)動機(jī)上中空軸類件、進(jìn)排氣系統(tǒng)異型管和復(fù)雜管件等。