浅析铝合金冲压生产质量问题

2017-10-11王飞飞皮劲朱威神龙汽车有限公司技术中心

锻造与冲压 2017年18期

文/王飞飞,皮劲,朱威·神龙汽车有限公司技术中心

浅析铝合金冲压生产质量问题

文/王飞飞,皮劲,朱威·神龙汽车有限公司技术中心

本文阐述了铝合金在冲压工业化过程中遇到的特殊质量问题，从材料特殊性、工艺性以及生产环境等因素分析了造成质量缺陷的原因，并进行了一系列的试验工作，提出了相关的解决及预防措施，从而为后续铝合金应用的深入提供一定的经验总结。

随着车身轻量化的发展及国家对汽车排放要求日益严格，各汽车生产厂商都在研究应用铝合金代替钢板生产汽车覆盖件。神龙公司全新车型雪铁龙C6及全新标致308应用了铝合金生产发动机罩零件，由于铝合金材料的特殊性，在批量生产过程中，也遇到不同的质量问题，给生产带来极大的困难和挑战。

铝板Roping缺陷

由于铝板的晶体结构和钢板有较大差异，铝板在轧制过程中，条状晶界被进一步拉长，从而在板材表面形成带状条纹，如图1所示。零件在冲压成形过程中，板料产生塑性变形，垂直于轧制方向产生较大的屈服应变时，原来的条纹缺陷会进一步扩大，白车身油漆过后无法遮盖。图2为机罩外板零件表面产生的带状条纹缺陷。

图1 铝板板材表面条纹

图2 铝机罩表面条纹缺陷

Roping条纹是铝板型材的固有缺陷，通过对板料预应变试验，将板材试样，垂直轧制方向单向拉伸，微观扫描检查条纹波纹度，图3为铝板料预应变试验图，随着应变的加大，波纹度越大，条纹缺陷越严重。当预应变达到10%时，板料经过拉深之后的表面条纹已比较明显。这样的原型材经过模具拉延，内部产生的复杂应变引起的缺陷比试样单向拉伸产生的缺陷要严重。

通过试验，正常模具参数及工艺条件下，垂直于轧制方向的应变达到4.7%（图4），零件表面的条纹缺陷比较清晰。试验通过调整压力及涂润滑油的方式，增加两侧的流料，从而减小垂直轧制方向的应变，应变减小到2.5%左右。图5为增大板料流入后零件表面应变，冲压单件做油漆之后，缺陷基本可被油漆遮盖。

图3 铝板料预应变试验

图4 正常参数下零件表面应变

图5 增大板料流入后零件表面应变

Roping是铝板特有的缺陷，无法完全消除，在前期设计CAE分析成形过程中，在满足零件刚性的要求时，尽量减小垂直轧制方向的应变，尤其是零件表面反成形区域，最好控制在3%以内，此还有待后续车型验证。

铝板生产不稳定

铝板断裂延伸率低，只有钢板的1/3，发生缩颈后马上开裂。且铝板厚向异性系数R值较低，只有钢板的1/2不到，铝板抗变薄能力差，表面易产生波纹，生产过程中不稳定，板料、设备、模具等参数的波动对生产影响比较大。

雪铁龙C6铝机罩内板使用铝板5系材料5182O生产过程中，成形开裂和起皱同时出现，图6为铝机罩内板包边面波纹变形图，图7为铝机罩内板开裂图。模具对板料的性能波动的包容性弱。

图6 铝机罩内板包边面波纹变形图

图7 铝机罩内板开裂图

在模具及设备参数没有任何波动的情况下，每批次零件生产状态差异大。现场对每次调试生产板料取试样检测，通过对每批次板料机械性能的主要参数的对比，波动都在标准范围之内，如表1所示。

表1 板料机械性能对比

在机械性能波动都在正常范围时，调试结果完全不一致。说明前期关注的方向出现偏差，通过试验发现板料自身油量的变化对成形结果影响较大，前期分析过程忽视了板料自身油量的变化。通过对比不同批次板料的油量，表面油量都接近标准下限。在对板料重新涂油之后，零件自身的开裂情况好转很多。

现场除了需要关注油量的稳定性之外，同时对模具也做相应更改。工艺模面如图8所示，通过分析，1位置外侧拉延筋断开，在板料流动速度不一致，零件包边面产生波纹，同时2位置发生开裂。现场无法通过调整压力来同时解决起皱和开裂的问题。

图8 工艺模面

当将1位置外侧拉延筋连上时（图9），可以通过调整拉延筋的阻力，控制板料流动，改善1位置的波纹，同时降低整体压料压力，从而解决2位置处的开裂。当生产压力降低时，也降低了内板中间部位成形的风险。增加了模具的生产裕度。

图9 压料圈加筋

所以当模具对板料比较敏感时，需要调整模具的状态，改善模具自身的包容性，同时要为后期模具预留整改备案。

铝板表面凸包缺陷

全新标致308铝机罩在批量生产过程中，表面质量缺陷造成返修一度达到60%以上，现场模具反复清洁造成模具停机，生产效率极低，给冲压生产带来很大的困难。

问题分析

通过现场模具清理发现：零件表面的凸包、凹坑主要来自拉延工序和翻边工序。拉延工序通常会擦出异物留在模具表面，具体有塑料薄膜（图10）、金属颗粒（图11）、脏污等，其中塑料薄膜及金属颗粒为主要问题。翻边工序模具表面往往是铝屑。

拉延异物原因分析

铝板对包装要求较高，通常包装有三层薄膜，最里面一层防锈膜，中间一层防水膜，外面还有一层缠绕膜。模具表面发现薄膜碎屑的主要原因有两点：第一，由于薄膜缠绕紧，生产线头拆包过程中，切割薄膜产生的细小碎屑。第二，铝板供应商直接提供型材，打包完成后通过汽车运输到库房，长途运输过程中，难免发生板料窜动从而导致板料与定位销碰撞，进而导致铝板薄膜镶嵌到板料中。神龙公司目前采用气动分张铝板的结构形式，在拆垛分张过程中，气刀吹气时很容易将薄膜吹到板料上，在拉延过程中产生质量缺陷。

图10 细小薄膜

图11 金属颗粒

通过对板料表面细小颗粒做EDS能谱分析，确定存在板料上金属颗粒是铝粉。可以判断在供应商处卷料切割成型材过程中，切割断面产生的铝粉没有完全清理干净，在气刀分张过程中，被吹到板料表面。

值得注意的是，由于铝板较软，即使很细小的铝粉碎屑都可造成零件产生缺陷。现场试验发现，在零件反成形区域，即使模具闭合高度抬高2mm，零件表面依然会产生缺陷，说明在成形过程中缺陷就已经产生。

针对拉延过程中的问题，在铝板生产之前的准备过程中要注意如下问题：

⑴模具清洁。模具表面通常会打一些排气孔，模具调试或者生产过程中的异物有些会散落到气孔之中，所以在生产之前对模具表面以及排气孔做清洁工作是十分必要的（图12）。

图12 模具清洁

⑵对中台清洁（图13）。目前神龙公司一厂冲压线是钢铝共用重力对中，钢板生产过程掉落的锌粉等异物可能散落在拆垛台上，对铝板冲压生产造成隐患。

图13 对中台清洁

⑶拆包方式变更。原始刀割拆包容易产生小的塑料薄膜，需要按照初始包装的顺序分序打开薄膜，并且避免在拆包过程中板料划伤薄膜。

⑷板料清洁。只要存在切割，就有铝粉存在的风险，所以需要对切割端面再次清理，可以用抹布擦拭或者吸尘器清理板料端面。

翻边工序模具上的铝粉主要是由于前工序修边产生的铝粉在翻边过程中，通过上模翻边刀块带到模具表面。检查修边工序零件时，发现切割断面已产生毛刺。正常的切割端面如图14所示，切口光亮带及撕裂带均匀分布。但是对于产生切屑的切割端面（图15），光亮带很小，撕裂很不均匀。用塞尺检查刀口间隙局部最大已达到0.3mm。铝板冲裁间隙一般要求为料厚的10%，对于1mm厚的铝板，冲裁间隙也不得大于0.1mm。由于间隙过大，零件断面光亮带减小，板料撕裂过程中容易产生铝屑，粘连在板料断面上，从而带到翻边序上。