铝合金车身覆盖件冲压工艺与模具开发技术探讨

文/张云山·一汽模具制造有限公司

铝合金车身覆盖件冲压工艺与模具开发技术探讨

文/张云山·一汽模具制造有限公司

张云山，高级工程师，一汽高级专家。负责公司冲压模具项目冲压工艺规划、方案制定及审核，以及CAE仿真模拟分析及缺陷应对措施制定；负责解决车间调试阶段所出现的技术问题；负责同步工程项目方案策划、产品修改方案审核、工艺可行性方案评估审核等。

车身轻量化的提出及必要性

与钢制零件相比，铝制零件可减重30%～40%。汽车每减重10%，可节油8%。凡是可用铝合金制造的零件都用其代替，每辆车的平均用铝量将达到450kg左右，轻量化效果非常显著。欧洲铝协（EAA）预测：在2015年前欧洲小汽车用铝量将增至300kg/车。因此，铝合金代替钢板制造汽车覆盖件是当前全球汽车行业重要发展方向。图1是奥迪A8全铝车身和轿车覆盖件示意图。

汽车耗油取决于发动机的排量和车体总质量，而减小排量受保证动力性需求限制，因此优化汽车结构设计和采用轻质材料制造车身成为降低整车质量的重要途径。

铝合金的机械性能

目前，适用于汽车外覆盖件成形的主要是6XXX系列铝合金，表1给出了6106铝合金板材的冲压成形机械性能。

图1 奥迪A8全铝车身和轿车覆盖件

表1 6106铝合金机械性能一览表

⑴铝合金的密度：铝合金板材的重量很轻，满足汽车轻量化的要求。同等体积下，铝合金板材的重量是钢板的34%。

⑵铝合金板材的屈服应力分析：铝合金板材的初始屈服强度很低，平均屈服强度只有90MPa，最大不超130MPa。

这就决定了铝合金材质软，易产生表面缺陷，任何过大的接触压力都会产生压痕，任何表面棱角、凸起、孔洞或尖锐形状都会在其表面留下痕迹，任何刮擦都有可能产生表面缺陷，任何碎屑都会产生明显的表面痕迹。

⑶铝合金板材的回弹问题分析：与深冲钢板相比，铝合金板材的回弹量较大，其弹性模量是钢板的1/3，也就是说铝合金板材的回弹量约是钢板的3倍左右。因此，铝板的尺寸精度的控制是铝合金模具设计关注的重点。冲压零件回弹的类型主要是膜向回弹和弯曲回弹。

⑷铝合金材料的屈服强度比或硬化曲线分析：无屈服平台，屈服强度的计算只能采用Rp0.2，颈缩量很小，断裂具有突然性，与深冲钢板相比，铝合金材料的屈服强度比较低，铝合金材料屈服强度比低，意味着单位应力梯度所需的塑性变形更大。因此，在圆角/特征几何区域的变形更易集中于局部，这就意味着板材的成形性能会更差。

铝合金材料硬化模型建立的要点：常规的幂次式不适合铝合金硬化曲线拟合，必须采用试验应力应变关系曲线或分段幂次式曲线描述，根据供应商提供的Rp0.2、Rm、n值建立硬化曲线会产生明显的误差。

⑸铝合金板材屈服模型分析：传统Hill屈服准则不适合铝合金板材屈服面的描述。Barlat或BBC AL是当前公认的铝板屈服准则，新屈服模型的物理体现：应力应变场分布将与Hill屈服面不同，材料变形局部化发展迅速，一旦发生局部化，将很快发生破裂，这就意味着材料的成形性能将变差。铝合金单拉试件几乎无颈缩现象，整体延伸率与断裂延伸率相近。

⑹铝合金板材厚向异性指数r分析：厚向异性指数代表板材抗变薄的能力，厚向异性指数越大，表明板材抗变薄的能力越强，成形性能越好，反之，材料抵抗变薄的能力越弱，成形性能越差。与钢板相比，铝合金板材厚向异性指数较小，抗变薄能力较弱，容易产生变形局部化，成形性能较差。

铝合金板在车身制造中的应用

在框架类零件中的应用

从轻量化、低成本和短周期等多方面考虑，空间框架式轿车车身结构逐步得到发展，这种车身结构零部件数量少，主要由框架、刚性材料和覆盖件组成，采用铝合金挤压型材和内部连接真空压铸接头焊接组成。铝挤压型材、铝真空压铸件及铝合金板是Audi A8铝车身的三种基本元素，使车身质量减轻了40%，该空间框架使车身的静态扭转刚度提高40%。

国外轿车车身框架用铝合金多为Al-Mg-Si（6XXX）系和Al-Zn-Si（7XXX）系，特别是7XXX-T5铝合金，适用于由高温成形过程冷却后，不须经冷加工，可直接予以人工时效的产品，可进行矫直、矫平，但不影响力学性能极限，其屈服强度σs和抗拉强度σb均大大超过冷轧钢板。为加强缓冲，增加抗冲击强度，多采用“口”、“日”、“目”及“田”字形薄壁中空铝型材，既减轻质量，又提高了挤压成形性，降低制造成本。

在车身覆盖件中的应用

车身覆盖件多用5XXX防锈铝和6XXX硬铝合金制作，如车门、行李厢、发动机罩、翼子板及车厢底板等。5XXX系为非热处理强化铝合金，成形性良好，主要用于制作内板等形状复杂的部件。Audi A2全铝车身的覆盖件中，5182铝合金在薄板零件中占15%，这种合金拉深时硬化显著，可以获得很高的强度值。可热处理强化的6106铝合金板材同时具有较好的力学性能、成形性能和抗腐蚀性能，适合于制造车身外表件和内表件。特别是作为外覆盖件，虽然因热处理使断裂延伸率略有降低，但在碰撞时可产生足够的变形能力，并且具有相应的抗凹性能。

6XXX-T4铝板的屈服强度σs和抗拉强度σb几乎接近冷轧钢板的强度值，n值大于或等于冷轧钢板的n值，成形工艺易于掌握。6XXX系铝合金含镁少，更易于回收，降低了回收的烧损，是未来汽车用铝合金薄板的理想材料。

铝合金板材冲压工艺与模具设计

冲压工艺设计

冲压工艺设计，即工艺方案设计，根据铝板覆盖件的产品特点来确定成形区域、补充形状、修边布局、刃口状态及相关的翻边、整形形状等相关的工艺内容，在设计过程中需要详细分析零件成形过程中板料的流动情况及各工序冲压过程的稳定性、成形角度等多方面因素，制定相应的工艺过程。主要涉及以下三个方面。

⑴产品工艺性评估。产品工艺性评估是工艺设计之前必须要分析的过程。由于铝合金的延展性较低，制件的成形性相应也更加困难，因此，铝合金在成形时对零件的成形深度、特征圆角R值的大小、材料在成形过程中的流动方向都有特殊要求。如果产品不能满足成形性能要求，则必须与产品部进行沟通，进行产品参数的相应修改。

⑵拉延工艺补充设计。铝合金件的拉延工艺补充设计，必须遵循以下原则：拉延模R的最小值为料厚的3倍，这样可避免二次成形，所有零件几何形状应该一次出来；压料圈闭合时板料不能有波浪和褶皱，压料面要保证可展性；要考虑与钢板件的回弹量不同，铝件回弹量要大。另外，制件的补充造型必须使拉延走料均匀，尽量使拉延模型与最终制件的形状一致；所有的工艺圆角应足够大；过渡应尽可能平缓；拉延深度应尽可能浅；拉延筋阻力系数不能太大；材料的走料方向必须100%与拉延方向一致；拉延模的上下模间隙值应该是在板料料厚名义尺寸上加5%。

⑶制件在模具调试及生产过程中的定位问题。制件在后工序中的定位是工艺设计必须要考虑的一个重要问题。由于铝合金材料的特点决定制件在成形过程中伴随着较大的弹性变形，而在生产过程中，批次不同导致的材料性能波动，不同生产班次导致的冲压环境波动及大批量制件生产先后导致的冲压参数的波动，都会对制件定位产生较大的影响，因此，铝合金零件在冲压过程中，各工序间必须有稳定的定位形式，通常第一序修边模具的工序件定位采用拉延工序的半月翻口形状进行粗定位，对于四周封闭拉延、且拉延深度较深的制件可以不设计半月翻口。拉延序的半月通常设置在压料面平缓、不走料或少走料的区域，如角部位置。定位部分可以对称设置。翻口尺寸为翻口凸模直径的1/4，翻口的数量可以设置1个、2个、3个，甚至4个。封闭拉延的半月翻边为向上翻孔，开口拉延的半月翻孔可以在两端开口处向下翻孔，也可以在前后两端根据收料线的位置向上翻孔，这要根据制件的实际情况来设定。此外，后工序的零件在工艺设计时，应根据相应的冲压方向进行规划，以便保证工序间有稳定的定位环境。

模具结构设计

⑴修边冲孔模。修边冲孔模的修边刃口和修边镶块需要整体淬火和退火，硬度为HRC58～62。修边镶块的热处理形式调整为涂层处理。下模修边镶块的刃口尽可能锋利，尽可能减小切边刃口与板材切边边界的摩擦。为了避免有先切现象，不允许有波浪刃口。最终目标是沿着制件形状同时均匀切割。冲裁间隙必须准确无误。修边刃口必须100%沿着冲裁方向进行抛光。上模镶块刃口的表面粗糙度Ra≤0.1μm，下模镶块刃口的表面粗糙度Ra≤0.3μm。铝件模具的上下模刃口的锋利性的重要程度要比铁件模具大。

⑵翻边成形模。板料的最小弯曲半径是料厚的1.5倍。如果翻边时出现波浪，在征得工艺和制造部门的同意后，有必要在翻边时采用压料板压料，此情况同时适用于出现该情况的比较平缓的制件。当翻边或者只有最终成形时，有必要考虑回弹。根据翻边的半径和形状，回弹角可能大于通常的3°角，一般为4°～5°，在成形和翻边区域凸凹模的间隙必须是正常尺寸的1.05倍，即料厚的1.05倍。

⑶铝板冲压件回弹控制原则。保证凸凹模均匀接触，确保板料变形均匀发展。最大限度地增加板材膜向变形以减小回弹。保证零件主型面变形均匀性，防止出现面内应力差而产生回弹。为避免产生的关联变形尽可能采用拉延工艺，降低回弹量。为减小翻边回弹量，如引入过拉延工艺等。翻边或者只有最终成形时，必须考虑回弹。根据翻边的半径和形状，回弹角可能大于通常的3°角，一般为4°～5°。

⑷铝板零件设计原则。铝板零件的拔模角应足够大，以防止回弹补偿产生冲压负角（理论上应比钢板大约3倍）。翻边高度应尽可能小，以减小翻边回弹量，特征圆角应尽可能大，以防止产生大的应力梯度，局部特征应尽可能浅，尽可能平缓，以减缓变形的局部化趋势。

结束语

用铝合金板材生产的汽车覆盖件存在着成形性差、构件强度低、抗凹性低、焊接性能低、结合部位抗腐蚀性能差、延伸率低、生产成本高等问题，其中冲压成形工艺技术与焊装技术以及生产成本是制约铝合金汽车覆盖件应用的关键因素。因此，降低铝合金板材的生产成本，改进和研发冲压成形工艺技术、焊装工艺是促进铝合金汽车板应用的重要发展方向。