luda 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。
图1 拉延工艺造型拔模角示意图
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）。
图2 拉延凸、凹模圆角
凸模圆角Rd根据料厚可按表1进行设计。
表1 拉延凸模圆角Rd
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。
图3 拉延筋圆角示意图
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。
图4 拉延筋侧修处断开示意图
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。
图5 压边圈符型面与坯料关系
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。
4.2.1 修边角度要求
铝合金修边角度要小于钢板，要求外板0±5°，内板0±12°。刃口间隙要稍大于钢板，单侧刃口间隙取(5%～7%)t，其中t为零件料厚。
4.2.2 刀块材料及热处理要求
修边刀块材质选择SKD11，热处理HRC58～62
4.2.3 废料屑处理注意事项
a.冲孔尽量安排在最后工序（产生的残屑会划伤零件）。增大压边力有助于减少残屑量、提升面品质量。
b.铝合金修冲模具不设置废料刀（二次切断除外），避免产生废料碎屑。
c.为了减少碎屑，修边刀块和凸模刃口成0.5°倾角，即斜韧带。修边刀块不采用纯尖角样式，修边凹模刀刃口倒角R0.5。如图6所示。这样可以有效避免修边时产生的摩擦，从而避免产生过多的铝碎屑。
图6 修边刃口示意图
4.2.4 压料板压料面设计要求
铝合金修边压料板压料面宽度小于钢板模具。铝板质地较软，为减少压料面压伤零件概率同时保证修边必要的有效压边，修边压料宽度一般内板取20～25mm，外板取30～35mm，如图7所示。
图7 修边压料芯压料示意图
4.2.5 修边刀块设计要求
修边刃口形状可采用阶梯刃口，不可采用波浪刃口，避免剪切产生废料屑。如图8所示。
图8 修边刃口样式示意图
4.2.6 冲孔凸模设计要求
铝合金材质轻且易产生毛刺，为避免冲孔废料堵塞，所有冲孔凸模均采用顶料凸模。
4.2.7 废料滑道设计要求
为便于废料滑出，修边废料滑道角度θ≥25°且采用网纹板。
4.3 翻边整形模设计注意事项
铝合金质地软、（铝合金板表面氧化层）黏着性强、热传导系数大（约是钢的3倍）易发热、延伸率低等特点使铝板翻边整形模具在翻边间隙、翻边刀块材料、表面处理和翻边圆角等方面与钢板模有很大区别。
4.3.1 翻边间隙设计要求
翻边刀块间隙比钢板模大，铝板取0.95t，t为零件料厚。
4.3.2 翻边凸模圆角设计要求
铝合金延伸率低，易出现龟裂，翻边凸模圆角要尽量大，R≥1.6 t，如图9所示。
图9 翻边凸模圆角示意图
4.3.3 翻边刀块材料选择和表面处理要求
同拉延相同，薄板时翻边整形镶块选择GGG70L，激光淬火HRC55～60，表面镀铬处理。厚板时翻边整形镶块选择SKD11，真空淬火HRC58～62表面进行TD或者PVD处理。
4.3.4 压料板压料面设计要求
根据铝合金质地软的特性，翻边整形模压料芯压料面比钢板要稍小一点，压料宽度内板取30～35mm，外板取40～45mm。同时外板零件压料芯需要增加平衡垫，内板不做强制要求。压料板压力要稍大一点，压料力建议是钢板模的1.2倍。
4.3.5 翻边冲压方向与翻边线夹角设计要求
要求冲压方向与翻边线夹角a≥55°，如图10所示。
图10 冲压方向与翻边线夹角示意图
4.4 包边设计注意事项
由于铝合金板韧性和延伸率都不及钢板，包边易开裂，所以包边工序优先选用机器人滚边，不建议采用模具扣合包边。
4.4.1 包边样式设计要求
包边样式优先选择“水滴”包边，不建议用“平压”包边，要求“水滴”处圆角R2～2.5，如图11所示。
图11 水滴包边和平压包边示意图
4.4.2 压合角度和压合速度要求
铝合金韧性差，滚边压合力不能过大，压合速度也要稍慢一些，一般在200～250mm/s。压合前角度要控制在90±5°，每次压合角度不大于30°，不可V形压合。
4.5 仓储要求
铝板（主要指6000系等热处理后可强化的合金系列）的保质期为热处理后6个月。铝板冲压及后工序胶粘对灰尘极为敏感，故铝板坯料和零件仓储需防尘。另外铝板不同于钢板，需要5～40℃条件下存储。
4.5.1 库房要求
建立专用板料和零件存储库房，保证仓储温度和洁净度（防尘）达标。
4.5.2 库存管理要求
按计划筹措板料和规划生产，确保铝板先进先出，减少库存时间。并建立板料保质期预警机制（一般到期前一个月预警）。
我国铝合金进口一般需要海运，在生产厂实际有效的加工时间为100天左右。国产铝板在生产厂实际有效的加工时间为140天左右。
4.5.3 制造要求
铝板时效（保质期）不仅仅针对冲压加工，而是要求所有涉及到的变形加工，如冲压、铆接（SPR和TOX）、包边等。所以要求铝板在保质期内完成所有涉及变形加工的工序。
5、结束语
本文根据铝合金板与钢板性能上的差异，分析总结了铝合金板冲压工艺及模具与钢板冲压工艺和模具的区别。其中包含铝合金板CAE分析、冲压工艺造型、模具材料及表面处理以及模具结构设计等方面的注意事项。对铝合金板汽车车身零件冲压工艺设计和模具开发具有一定的意义。
来源：《汽车工艺与材料》
作者：王猛 李森 刘庆 刘东 杜敏