精密仪器

浅谈车身铝合金板冲压工艺和模具注意事项

摘要:汽车车身用铝合金板与传统汽车低碳钢板比,具有弹性模量小易回弹、质地软、成形窗口窄、切口敏感度高等特点。通过分析铝合金板的特点对冲压和产品质量的影响,结合经验数据阐述和总结了铝合金板在冲压工艺设计和模具开发方面需要注意的事项。


关键词:弹性模量 铝合金 冲压工艺


1、前言


近年来,汽车工业快速发展,全球汽车保有量急剧攀升。随之而来的是能源危机和环境污染日趋严峻,减少能源消耗已经成为汽车工业发展客观面临的严峻挑战。汽车轻量化无疑是解决以上问题的重要方法之一。


有研究表明,小轿车车重每减轻10%,燃油效率可提高6%~8%,排放降低约4%。而车身系统质量占整备质量的比例约在40%~50%之间,所以汽车车身轻量化就尤为重要。


铝合金材料具有密度小、强度高、抗腐蚀性强、可回收循环利用等诸多优点。另外,铝合金弹性性能高,安全性高,发生碰撞时吸能效果好,铝合金吸能约是钢的1.5倍。采用铝合金板材替代传统低碳钢板作为车身材料是目前车身实现轻量化的重要方法之一。


2、车身用铝合金板材种类及特点


目前,在汽车车身上应用的铝合金板材主要有5000系和6000系两个系列。


5000系是Al-Mg系铝合金,是目前在汽车车身上应用最为广泛用量最大的系类,主要合金元素是镁元素,镁元素含量在3%~5%之间。主要优点有:强度高、延伸率高、较好的冲压成形性、优异的焊接性和抗腐蚀性。主要应用在车身内板等结构相对复杂的零件。其缺点是易产生吕德斯线和延迟屈服,主要用在车身内板等成形复杂的结构件上。


6000系是Al-Mg-Si系铝合金,主要含有镁和硅两种合金元素,拥有4000系和5000系两者的优点。属于热处理后可强化的合金,热处理可强化铝合金的过饱和铝基固溶体具有时效强化特性,即在室温或加热到某一温度时,其强度和硬度随时间的延长而增高,尤其是零件在经涂装185℃烘烤20 min后,强度有大幅提升,但塑性降低。因此6000系铝合金板的保质期一般为6个月,主要为避免材料因微观组织变化而导致冲压性能降低。而5000系铝合金则无此特性和要求。6000系铝合金的优点主要有:较高的强度、优异的塑性、高抗腐蚀性和优良的涂装着色性。6000系板材主要用于车身外覆盖件,如发动机罩外板和前后车门外板等零件。


铝合金材质零件和钢制零件在冲压工艺和模具结构上并没有本质的区别。但由于铝合金板的弹性模量比钢板的小(约为钢板的1/3),厚向异性系数r和延伸率δ均远低于钢板,切口敏感性高,成形窗口窄等原因导致铝合金板零件冲压工艺又不能完全套用钢板冲压规律和机制。


3、铝合金板材件冲压工艺注意事项


3.1 CAE仿真分析注意事项


3.1.1 网格划分


CAE分析网格划分精细(fine)级别以上。因铝合金成形窗口窄且现在计算机性运算速度快,所以网格划分设置为fine级别。


3.1.2 摩擦系数


摩擦系数f=0.15,额外润滑f=0.12(涂油或者塑料薄膜)。铝合金质软,易产生铝屑,所以成形模具型面均需镀铬等提升表面光洁度的处理。


3.1.3 开裂判定标准


双向拉伸应变状态部位减薄率小于0.18,单向拉伸和单向拉伸单向压缩应变状态部位小于0.16。


3.1.4 回弹分析


铝合金板弹性模量E小(约为钢的1/3),易回弹,所以零件成形分析时需进行全工序分析并做回弹分析,回弹分析须采用夹持方式进行详细分析。


3.2 工艺造型注意事项


铝合金弹性模量小,成形窗口窄以及切口敏感度高等特点导致铝合金工艺造型和钢板工艺造型有一定的区别。


3.2.1 拔模角要求


拉延模工艺补充拔模角a=15~30°,拔模角过大易起皱,过小易破裂,如图1所示。


image.png

3.2.2 凸凹模圆角要求


拉延凸、凹模圆角是钢板的1.2至1.5倍。如图2所示,当轮廓为直线或者近似直线时,凹模圆角取Rp=12~15mm,当轮廓急剧变化或者角部时,取Rp=16~20。Rp≥3t(t为零件料厚)。

image.png

凸模圆角Rd根据料厚可按表1进行设计。

image.png

3.2.3 拉延筋设计要求


拉延筋采用圆筋,不可采用方筋。筋圆角要比钢板件稍大一些,r/t>5,rmin=4,如图3所示。为减少铝屑的产生,侧修边处拉延筋断开,如图4所示。

image.png

3.2.4 成形设计要求


a.铝合金比钢板更容易硬化,铝合金零件尽量一次到位,不安排有整形量的整形(翻边除外)。


b.铝板质地软,翻边尽量一序完成,不要分工序,避免分析翻边交接处棱印等缺陷。


image.png

4、模具设计注意事项


4.1 拉延模设计注意事项


4.1.1 材料选择和表面处理


薄板成形部位模具材料选择GGG70L,激光淬火HRC55~60,表面镀铬处理。厚板成形部位模具材料选择SKD11,真空淬火HRC58~62表面进行TD或者PVD处理。


4.1.2 压边圈设计要求


压边圈符型面比坯料大40mm,防止板料颤动,带起灰尘,如图5所示。

image.png

4.1.3 模具排气和退料要求


a.凸模与压边圈之间的间隙稍大一点,一般取:5~6mm,比钢板模具大2~3 mm;


b.凸凹模间的间隙取1.05t(t为板料厚度);


c.铝板密度小,板料轻,上下模排气孔密度加大,1.5倍钢,排气孔直径Φ4mm设置在上模凹角处,不影响零件表面质量。同时根据零件形状增减顶料销。


4.2 修边冲孔模设计注意事项


与钢板修边冲孔模相比,如何减少铝板修边冲孔的残屑和毛刺是铝板修冲模具首要研究的课题。铝板修边毛刺和残屑产生于刃口切入及刃口与板材间的摩擦。其严重程度取决于修边角度和刃口间隙。