铝合金零件翻边拉深复合成形工艺研究

文/韩来福，房文丽，郭秀江·内蒙古一机集团特种技术装备有限公司

铝合金零件翻边拉深复合成形工艺研究

文/韩来福，房文丽，郭秀江·内蒙古一机集团特种技术装备有限公司

韩来福，高级工程师，主要从事冲压技术工作。主持完成的《车辆典型冲压件成形技术研究》项目获得一机集团公司科技进步二等奖，拥有8项专利，主管及参与的项目曾多次获得过省部级科技进步奖、优秀成果奖。

冲压成形工艺中，内凹形翻边与拉深复合成形，是属于复杂曲面形状的拉延成形。例如某零件材料为铝板5A02-O，厚度为1.5mm，在试制生产时，不合格品率一直很高，废品率高达50%，主要问题是零件在成形时易产生起皱与拉裂，如图1所示。

图1 产生起皱、裂口的零件

起皱与裂纹产生的原因及分析

材料对成形零件质量的影响

表1所示为包含5A02-O在内的三种材料的力学性能对比分析。从中可以看出，铝合金3A21-Y1的成形塑性是最好的，但是强度较低，不符合设计的强度指标要求；而铝合金5A06-O成形塑性是最差的，但其强度指标是最高的；铝合金5A02-O的性能是处于前两种材料之间的。在冲压批量生产中发现，以上三种材料，在不增加热处理工序的情况下，材料5A02-O、5A06-O，产生裂纹裂口不能正常生产（图1），而用材料3A21-Y1则能够成形出合格零件。

表1 材料机械性能对照表

由于5A02-O是铝镁合金，常温下塑性较差，故在冲压成形工艺中，翻边拉深较为复杂的零件时，在凸缘边缘处易产生开裂，难度较大。也就是说，铝合金材料5A02-O在不采取热处理的情况下，其冲压成形性能是很差的。

翻边成形的工艺性分析

该零件在Ⅰ区的成形属于内凹形的外缘翻边（图1），其变形特点近似于内孔翻边，变形区主要为切向拉伸。经计算，其内凹形的外缘翻边变形程度E凹为37，但是材料5A02-O的外缘翻边允许极限变形程度为35，因E凹大于材料允许的极限变形程度，故该零件在成形翻边时产生裂口。

在Ⅱ区的成形截面属于半圆形拉深成形（图1），其变形特点近似于半圆形截面沿投影90°直角的轨迹拉深成形的零件，在90°区域内很容易产生聚料而失稳起皱（图1）。

压边力对拉延成形过程的影响

半圆形零件拉延成形时对凸缘的约束力存在一个最佳值。在拉延过程中，压边力的主要作用是用来增加坯料的拉应力，控制材料的流动，避免起皱。压边力太小，板料拉延时会起皱；压边力太大，板料拉延时就会有被拉裂的危险。因此确定拉延工艺时，最佳的压边力是等于防止板料起皱的最小压边力。经过试冲并批量生产，得到如表2所示的压边圈压边力对拉延过程的影响数据。

改进措施

进行退火热处理

技术人员通过外出调研，对5A02-O材料的退火性能有了进一步掌握，根据冲压特性的要求，进行完全退火，并注意以下具体事项：

⑴加热速度。加热速度与再结晶后的晶粒度成反比，故应选择铝合金退火炉来保证加热速度。

⑵加热温度、保温时间。高温短时加热可获得细小的晶粒，反之，保温时间过长，由于晶粒的相互吞并而长大，形成聚合再结晶，会得到粗大的晶粒而影响性能。

经过重新退火，伸长率由规定的18%提高到21%，并使板材整体伸长率均匀，增加了可冲性，使冲压裂纹由90%降低到10%。

改进模具气垫板结构

在模具压边圈上加工一个深度1.6mm 的压边槽（图2），拉延前将零件毛坯放在压边槽内（毛坯厚度为1.5mm）。根据板料在冲压成形过程中“弱区先变形”的特点，在开始压紧毛坯成形时，因零件凸缘区有0.1mm的间隙，可以控制调节压边力，达到先小后大的效果，使凸缘区外边缘的材料先变形流动，从而可以减小凹模口部圆角半径处的径向拉应力，从而达到既可以限制成形Ⅱ区域的起皱又可以减少成形Ⅰ区域裂纹的效果。图3所示是改进后成形出的零件。

图2 压边槽结构图

图3 改进后成形出的零件

选择润滑介质

在试冲与生产中，经过试验在零件毛坯上面放一层塑料布，用来增加润滑，效果较好。

调整气垫压力值

从表2总结的数据来看，机床气垫压边力在130～195kN之间，零件的质量效果较好，而且根据零件的冲压工艺，成形后的零件毛坯在进行切边工序时，可将零件毛坯凸缘上裂口的大部分切掉，只剩一点小裂口，在与另一个零件口对口焊接时，正好焊接上了，不影响零件的整体质量。

结束语

⑴铝合金材料5A02-O化学成分因含有镁元素，对零件成形性能有较明显的影响，通过采取退火措施，可以明显改善零件的成形性能。

⑵通过采取完全退火，调整机床压边力，将压边力调整在130～195kN之间，及在模具压边圈上加工压边槽、在零件毛坯上放塑料布润滑等措施，用强度指标较高的材料5A02-O成形，也可取得较好的效果。

⑶通过近两年的批量生产证明，对于翻边、拉深复合成形类零件，按照外缘翻边工艺计算，虽然超过了允许的极限变形程度，但是通过采取措施，还是能够有效提高零件合格率的。