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[冲压] 铝合金车身冲压件模具结构特点和工艺设计

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发表于 2020-3-5 08:14:42 | 显示全部楼层 |阅读模式

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铝合金车身冲压件模具结构特点和工艺设计

魏春谊 唐士东
(一汽大众汽车有限公司,长春 130000)
【中国汽车材料网】摘要:以铝合金制件模具制造和维修改进为例,针对铝合金板料特点,在模具设计时采用新工艺新方法减少制件回弹,提高制件的尺寸和形状符合率,同时缩短调试时间;针对生产过程中存在的料屑问题,总结归纳出若干消除或减少料屑的方法,避免生产过程中因料屑导致返修工作增加及产生废品,有效提高生产效率;同时介绍了铝合金板料生产设备的特点,以及生产过程中的诸多注意事项。
关键词:铝合金板料 冲压模具 料屑

随着中国汽车工业2020战略计划的实施,各汽车厂家冲压制件的的新技术、新工艺、新材料不断涌现。其中,铝合金冲压制件在汽车上的应用广泛增加,代表了汽车制造厂家的最新科技技术的转化实施运用能力;同时,铝合金车身成为节能汽车和电动汽车的首选,兼顾了汽车工业节能环保和可持续发展的需求;为了减少城市二氧化碳的排放量,应对日益严格的环境要求和环保法律,汽车自身轻量化已成为不可逆转的发展趋势。铝合金制件还具备吸收撞击能量的特点,极大地提高了使用安全性能,这也是高端汽车的重要标志。


1 汽车表面铝合金板料的特性

汽车铝合金板料在美国铝业协会铝合金标准分为八个级别。一汽大众汽车车身材料采用的是5000系和6000系。

1.1 5000系材料

5000系材料主要合金元素为Al-Mg,主要应用于汽车的结构件和非外露内部件,优点如下。

a.板料供货状态强度稳定;

b.具有非常良好的成型性能,便于冲压加工;

c.具备良好的耐均匀腐蚀性;

d.具有优良的焊接性能;

e.具有加工硬化特性,成型过程发生加工硬化,强度提高。

缺点如下。

a.不能应用于质量要求很高的外表面部件。在成型加工过程中可能产生吕德斯带(Luders lines)即拉伸应变台阶,是一种发生在合金变形时的表面缺陷,常见于高含Mg合金。

b.在涂装烘烤过程中,材料强度降低。

1.2 6000系材料

6000系材料主要合金元素为Al-Mg+Si,主要应用于汽车的外表面部件,非外露内部件和结构件。

优点如下。

a.板料供货状态强度低,便于成型;

b.具有很好的成型性能,便于冲压加工;c.具备良好的耐均匀腐蚀性;

d.具有优良的焊接性能;

e.具有烘烤硬化性或涂装硬化性;

f.具有出色的表面质量。

缺点为自然失效即屈服强度随着放置时间增长而升高,需要先进先出。一般失效时间为铝合金板料出厂6个月,一旦失效很难冲压成型。

1.3 铝合金板料性能指标

铝合金板料的硬化指数值较大,拉延、翻边回弹大,工序件与模具服帖性差;厚向异性系数值较小、屈强比大、成形性能差、易裂。铝合金板料延伸率差,最大为25%,大约只有钢板的一半;成型过程中易裂,有些甚至在电泳后出现开裂。铝合金板料内外表面质量无区别,轧制方向对性能无影响。

铝合金板料时效变化非常明显,0~3月内,铝合金板料性能基本没有变化;3~6个月内铝板性能稍有变化,时效期越短,成型性能越好;6个月之后,超过时效期,屈服强度增大15%,抗拉强度变化不大,延伸率较低因此变化不大,屈强比变化大,成型性能越差,制件极其易裂。

2 拉延模具特点2.1 铝合金材料机械性能特点

在制件成型过程中,铝板回弹大于钢板回弹。图1所示为铝板、软钢和高强钢3种材料的典型应力-应变曲线,由图1数据可知,在同样的应变条件下卸载,铝板的回弹比普通钢板要大很多。

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图1 应力应变示意

公式1为板料回弹的常用公式,由于铝板的弹性模量约为钢板的三分之一,因此铝板的回弹要远大于钢板回弹。

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式中,R为回弹前的圆角半径;R′为回弹后的圆角半径;σS为弯曲材料的屈服极限;t为弯曲件的厚度;E为弯曲材料的弹性模数。

对比两款发动机罩内板的拉延模拟结果(图2),可知钢板制件中部最大回弹为-1.31 mm。而铝板制件中部最大回弹为-4.33 mm。基于此,在铝件模具的工艺设计过程中应重点关注回弹问题,做好前期的回弹补偿,适当位置增加工艺凸包、局部型面补偿设置等使板料均匀成型,减少回弹量。

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图2 钢件和铝件模拟对比

2.2 拉延筋工艺设计和结构设计

铝合金板料模具拉延筋设置和钢板料模具的设置不同,拉延筋为圆筋时,铝合金板料模具成型圆角较大;钢板料模具拉延筋宽10 mm,高5 mm;而铝合金模具拉延筋宽12 mm,高6 mm,这样可以增大进料阻力,也使凹模内部的材料在较大的拉力作用下,产生较大的塑性变形,从而提高制件的刚度,减少由于变形不足而产生的回弹、暗坑、波浪等缺陷。

铝合金板料成型易裂。拉延模具凹模圆角比钢板件拉延模具圆角要大很多。如表1所示,钢板料强度高,在成型时流动性强,圆角小制件也不会出现缩颈和拉裂。铝合金板料强度低,在成型时流动性差,圆角小制件容易出现缩颈和拉裂。

表1 钢板料和铝合金板料成型圆角对比
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2.3 注意事项

铝合金板料比较软,在成型时对拉延模具各项要求高,尤其是对模具的硬度和表面光洁度比钢件高很多。一般工作部分硬度在HRC56~58。否则在生产时,凸模凹模及压料面会出现大量的积屑瘤直接影响制件质量。

一般拉延模具在验收后,稳定生产1~2万件。零件尺寸和形状尺寸达到标准后,拉延凸凹模全部做涂层处理,压料圈不做涂层处理,便于以后对模具压料面磨损进行研修和调整维修,可以提高模具表面光洁度和表面硬度。

由于铝合金板料较轻,为钢件的三分之一。拉延模具在压件后容易产生制件真空吸附在凹模中,一般通过增加顶料销的数量和加大通气孔直径来消除此问题。

3 修边模具特点

铝合金材料软,在切削时更容易产生料屑,往往因料屑造成停台,产生大量的返修品,是制约生产效率的一个重要因素。因此料屑是国内外冲压厂家提高效率的重点公关项目。

3.1 在修边工艺设计和结构设计中避免和减少料屑

3.1.1 废料刀注意事项

修边设计时,首选分段修边,避免使用废料刀。如必须设计废料刀时,在保证排废料的基础上,尽可能减少废料刀的数量。应使用旋转废料刀和弹性废料刀,旋转废料刀(图3)将上模凹模镶块基座置于废料刀位置,做成活动式旋转镶块。以镶块中心位置为旋转轴,避免废料刀前端刺破板料产生料屑。

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图3 旋转废料刀示意

3.1.2 拉延筋在废料刀处断开

在拉延模具中,排布拉延筋在废料刀处断开5~8 mm平面。避免筋槽处立切。如图4所示,立切时角度较大,钢件和铝件都容易产生料屑。

3.1.3 修边角度要求

模具铝件切削最大角度为10°,当模具修边切削角度大于10°时,应在拉延凸模切削位置做工艺型面。将切削角度大的部分修改为合理角度,再进行切削。如图5所示,凹模刃口不能采用波浪式刃口,修边时要保证切削同步。

3.1.4 修边设计排布

不能采用垂直修边和斜楔修边同时工作,或两个不同角度斜楔在同工序修边接刀。否则接刀处会产生大量料屑,如图6所示。

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图4 拉延筋的断筋示例

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图5 拉延凸模合理角度

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图6 不良斜楔排布

3.2 修边间隙

一般钢件修边间隙为料厚的8%。铝合金材料较软,修边间隙为板料厚度的10%左右,刃口间隙比钢件模具大,不同材料和抗剪强度的修边间隙值见表2。

表2 不同材料和抗剪强度的修边间隙值 mm
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通过在生产实验可知,图7a所示间隙为板料厚度10%~15%时,此修边断面的光亮带是四分之一,几乎没有料屑。图7b所示间隙为板料厚度5%~8%时,此修边断面的光亮带是料厚的三分之二,料屑非常严重,刃口立面容易产生积屑瘤。图7c所示间隙为板料厚度20%~25%时,此修边断面的光亮带几乎没有,料屑也非常严重。

3.3 实际生产中总结得出的工作方法

修边的凹模镶块上模镶块刃口-2°,下模可以按需要做0.5°的倾角。冲孔类按需要可以做空开。如图8所示,凹模镶块刃口磨损后,不能打磨降低高度来使刃口锋利。通常将刃口烧焊,按原基面修复。修复工作十分复杂。冲头需要顶针式退料,保证废料滑落。

上模刃口切入要尽可能的浅,修边刀刃口1.3 mm左右。减少刃口同制件的接触,从而减少料屑的产生。

因为铝合金板料较轻,废料下滑困难,滑废料要保持通畅。废料滑道角度要求一级滑道大于30°,二级大于25°。冲孔时多采用顶针式冲头方便废料下滑。

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图7 铝合金板料断面示意

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图8 刃口-2°剖视和-2°冲头

4 翻边模具和成型模具特点

板料的最小弯曲半径是料厚的1.5倍;凸凹模间隙是正常尺寸+5%的料厚。在翻边成型过程中一定要考虑回弹,根据翻边的半径和形状,回弹角通常大于3°。根据生产状态,制件质量,确定对其翻边镶块需要进行PVD涂层处理,以提高翻边镶块的表面强度和耐磨性。

4.1 对模具压料板的要求

压料板着色与修边一样,要求全部均匀着色。压料板平衡块分布均匀,数量足够。并要求压料板表面光洁度要好,尤其是在有一定角度的地方表面不能出现硬点且需保证光洁度。否则会产生细小的粉末料屑。在能够保证工作质量情况下,翻边压料面尽可能窄,一般25 mm左右,可以避免大面积的同制件表面接触所产生的料屑。

4.2 对模具翻边成型凸模凹模的要求

在翻边模成型设计时,应当用整体的凸模或凹模,尽量避免镶块式的凸模和凹模(图9),在工作时接缝处走料会产生大量的料屑。如果因为工艺或复杂的结构不能实现整体凸模或凹模时,应当在镶块的侧面增加侧把螺钉,以最大限度地控制接缝处料屑的产生,同时要考虑涂层处理需要最大尺寸规格。

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图9 翻边凸模对比

翻边间隙为成型件的料厚,R角不可太小且要求光顺平整,行程不易过长。在翻边折点处都是产生料屑集中的地方。(图10)

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图10 翻边镶块局部

4.3 对模具镶块涂层的要求

翻边镶块在制件尺寸合格,能够稳定生产的情况下,要求全部镀铬。如镀铬后镶块因更改尺寸等原因进行焊接,生产稳定后从新镀铬。涂层实施后,清理和抛光只能用橡胶油石、擦布抛光,不允许用砂纸等抛光工具。

5 压合模具特点

铝件压合模的底模,材料同钢件不同,保证底模硬度为HRC55~58的同时,还要保证底模的光洁度,避免铝件的料屑和积屑瘤。压合时铝件要在17℃以上,温度低时制件容易缩颈开裂。铝件压合模有倒边压合模和滚边压合模两种压合方式。倒边压合模是通过镶块弧线运动进行压合;滚边压合模通过滚轮滚动进行压合。

5.1 倒边压合模

倒边压合模(图11)的工作时间短,效率高。生产1 000件左右时对压合镶块表面进行抛光。主要保证工作面的光洁度,清理料屑。压合镶块磨损后,需要对镶块烧焊、打磨、研修、调整、调试,维修技术复杂且时间长。

5.2 滚轮压合模

滚轮压合模制造成本相对较低。在调试或压合尺寸更改时,对滚轮轨迹程序进行更改即可。滚边压合时一般要3次倒边压合,所用工作时间较长,每生产3 000~5 000件后,需更换滚轮。每一个制件有5~6个滚轮,滚轮表面要进行涂层处理,现场滚轮压合模及工作示意见图12。

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图11 倒边压合模

5.3 压合模压料板

铝件压合模的压料板不能采用金属材料,铝件软,金属压料板会压出痕迹,一般采用树脂压料板。在压合调试研修时不是很方便,如一小部分压料板着色不好,需要对整个压料板进行打磨研修。

6 冲压生产设备特点6.1 开卷设备

开卷设备(图13)包括两套矫直机即钢料矫直机、铝料矫直机,每套矫直机各有17个矫直辊,每个矫直辊直径为50 mm,每套矫直机各有一个支撑架,每套矫直机有自动清洗校直辊装置。两套送料辊即钢料送料辊、铝料送料辊,铝料送料辊表面涂层是合成材料。

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图12 现场滚轮压合模及工作示意

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图13 开卷设备

伸缩皮带和堆垛皮带采用钢铝板料混合生产,钢料采用永磁吸附板料;铝料采用皮带中间孔真空吸附板料,靠自重下落,真空负压发生系统。

6.2 铝合金板料分层

拆垛装置采用吹气方式使铝合金板料分层,设备见图14。一般采用双面挡块吹气口,截面为矩形,吹气方向斜向上倾斜,这样便于分层。铝合金板料表面有较多油时,气会将板料上的油吹成扇形状,拉延时容易产生波浪、暗坑、棱子等表面质量缺陷。更要注意拆垛装置周围环境是否清洁,避免吹气分层时,吹入杂物对板料造成污染。

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图14 板料分层设备

6.3 机械手取件和传输

分层后抓取板料时,机械手先抓取两边缘板料,再抓取中间板料。制件传输与钢件不同,为真空皮带传输或皮带运输,皮带运输速度要求缓慢,靠制件自重产生的摩擦进行传输。

6.4 废料的传输

铝合金板料与钢料的废料绝对不能混放,处理系统必须完全分开。废料传输有两条传输带,不同板料生产时,自动选择钢或铝合金废传输带。

7 生产时注意事项7.1 板料

a.存放。铝卷单层存放,不可以堆垛运输。是避免对卷表面磕碰和自重作用下的横向挤压,铝卷需要竖立储运。因此开卷线需考虑翻转90°的问题。并有专用的吊具,专用防尘罩。

b.温度。铝合金板料的温度、湿度很重要,注意防雨、防锈。在北方冬季,要提前一天送到工作地点,保证铝料达到室内的温度。铝板料内外表面质量无区别,轧制方向对性能无影响。

c.润滑。铝合金板出厂时表面涂敷固体润滑介质。在生产过程中不使用清洗机和涂油机,清洗机会损坏铝板自带的干性润滑。如因来料脏或因润滑不足造成质量缺陷,则使用清洗机和涂油机。注意因涂油机的使用,导致零件表面的油量发生变化,以免影响激光焊及油漆。

7.2 工位器具

板料托架或井字架,考虑到拆包后的吊装板料,必须用可以容纳躲避绳带的条栅料拍子。铝件工位器具的橡胶块很软,比钢件软很多,零件竖放。避免平放时因自重而变形损坏。凡是与零件接触的部位均增加一层塑料,防止铝件与其他金属接触。

7.3 制件返修

返修打磨产生的铝粉屑要集中收集处理,且打磨需要带通风的打磨间,返修区域有铝屑收集装置、排风装置。空气中的铝粉达到一定的浓度时会发生爆炸,所以安全保障措施不容忽视。

8 结束语

铝合金板料是近期在国内汽车上广泛应用。这需要对铝合金板料模具工艺、结构设计进行细致深入的研究。吸取国外的先进工艺和生产经验,提高制件表面质量和尺寸位置精度,同时达到稳定、高效、持续的高质量生产,给模具设计、模具制造、模具维护和生产过程组织的人员带来了新的课题,这也是新材料、新工艺、新技术发展的需要,正是通过不断的蜕变,夯实模具制造技术和维护方法。


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