铝板零件的切屑压伤研究

铝板零件的切屑压伤研究

文/于志鹏·长安福特汽车有限公司杭州分公司

于志鹏，冲压工艺工程师，主要从事模具开发、调试、冲压生产中模具问题的解决工作。

目前随着汽车轻量化的需求，铝板越来越多使用在车身上面；轻量化的车身对降低油耗有着显著的作用，各个主机厂都开始着手对铝板零件的开发；铝板属于新材料新技术的应用，在国内还没有普遍使用，目前各个主机厂都在探索其使用过程；本文主要探讨铝板零件生产过程中的切屑问题及解决办法。本文以我公司发动机盖外板为例，从设计、调试、保养几个方面探讨如何开发、使用以及维护模具，研究铝板零件生产过程中的切屑问题。

目前汽车保有量持续增加，其中燃油消耗对环境污染日益增加，现在各大主机厂都在应用汽车制造轻量化技术来降低汽车的油耗。其中铝板的应用，是轻量化的重要一部分（纯铝的密度接近2700kg/m3，约为铁的密度的35%），作为汽车的外覆盖件，铝板的应用可以降低重量的10%左右。传统的汽车外覆盖件都使用冷轧钢板进行冲压，技术成熟.目前大多数汽车厂都在试验和摸索对铝板的应用，铝的性质与钢板不同，在工艺上有较大不同。

铝板发动机盖的零件分析

发动机盖材质ENAW-6014，料厚1.2mm，抗拉强度280MPa，屈服强度120MPa，采用串联自动化方式生产，共4序模具。铝材料相对于钢材硬度小（铝材料硬度HB25，钢板硬度HB50），材料伸长率差（铝材料延伸率13%，钢板延伸率35%）。所以零件成形较钢板差，切边条件不好，易产生切屑、切屑容易粘连、表面容易压伤。

本零件模具根据压机需求工艺规划如下：

OP10（单动拉延，正装）；OP20（修边）；OP30（修边+翻边）；OP40（翻边侧修边）。

下面从模具设计、现场应用、后续问题处理三个方面来探讨如何避免模具切屑。

模具设计

根据钢板的经验，防止切屑压伤需要避免交刀、减少废料刀、控制切边角度。

根据切边角度的规范，修边的冲压方向要在70～110°之间，为了避免产生问题，工艺设计角度全都控制在85～95°之间，如果不能保证这个角度就采用斜楔进行修边。如图1所示。

为了模具的切边设计合理，为了防止切屑的产生，OP20模具只切掉了零件的前后端，这有效地避免了一次切断的交刀废屑，并且前后端的零件采用了2次切断的工艺，有效地避免了零件的损伤。如图2。

另外在实际的模具中发现，由于铝屑的粘滞性较强，原有交刀的工艺缺口是按照钢板的特性设计的，效果不好。于是我们增大了工艺缺口，深度增加至1mm，长度增加0.5mm，这样有效地解决了此项问题；图3所示为钢板与铝板设计工艺缺口形状对比图。其中虚线为钢板设计工艺缺口形状，点线为铝板设计工艺缺口形状，钢板的设计工艺缺口较铝板的大些。

图1 OP20与OP30切边位置图

图2 发动机盖后端采用了2次切断的工艺（红色实线代表废料，红色虚线代表废料刀）

图3 钢板与铝板设计工艺缺口形状对比图

再次由于此零件采用了拉延筋进行拉延控制，拉延筋为半圆形，立壁存在一定的角度，这样会造成零件与修边刀口的平行，即产生立切，这种立切会导致零件的切屑，所以在废料刀的位置，拉延模面进行了平缓处理，使切边刀与零件垂直，这样就有效地避免了切屑，如图4所示。

图4 普通位置拉延筋断面与废料刀位置断面比较

模具现场应用

模具调试结束后，零件进入量产阶段，切屑压伤的问题造成停线率升高，我们统计了量产后3个月的切屑压伤停线率，平均15%左右，与我们的目标3%相差很多。

停线问题中，其中OP20，OP30，OP40在生产过程中切屑的压伤较频繁，由于铝板材质较软，切屑的压伤必须返修，此零件的一次性合格率（FTT）仅60%左右，40%的零件需要返修，与我们的目标FTT99%相差较远；这两点增加了冲压生产的生产成本，返修成本大幅增加，图5所示为改进前的停线率以及FTT。

图5 改进前的停线率以及FTT

控制零件断口的光亮带大小来控制切屑产生

切边间隙

我公司原有的铝板生产经验并不丰富，切边间隙选择与钢板大致一致，为料厚的8%，但根据铝板较软的特性，8%的间隙使断口的光亮带占比2/3左右，这样就产生部分毛边，这些毛边在翻边过程中极容易被摩擦掉，形成切屑。我们后来查询了国外的标准件手册，优化切边间隙，切边刃口间隙为板料厚度的10%～12%，根据此特性对刀口进行研修，保证所有的间隙一致。为了避免修边结束后再次摩擦断口，我们将刀口垂直度做到-2°，刃口粗糙度达到Ra0～20.4μm。

切边刃入时机

切边刀块刃入时，首先要保证修边刀块刃入时机的一致性，避免零件剪切，因为剪切容易产生铝条，同时刃入，可以保证零件同时被切断从而减少切屑，刃入深度控制在3mm左右，减少刀口与零件的摩擦，从而减少切屑的产生。

刃口形状

切边刀块与修边刃口不能过于锋利，在切边刀块与修边刃口上用锉刀或者油石打磨一下，让刃口有0.2mm左右的圆角，避免刃口太过锋利。如不这样，铝板在切边的过程中有被拉断的趋势，会产生更大的断裂带。

经过以上处理，切边光亮带缩小至1/3左右，切边切屑产生条件基本被阻断，图6为整改后零件断面的示意图。

图6 整改后零件断面的示意图

模具及镶块的热处理

根据参考国外的标准件手册，刀块表面涂覆镀层，可以提高刀块的耐磨程度，增加镶块的光洁度，增加镶块的硬度，这样可以避免产生废屑，减少模具的维修。

对于OP10拉延模具，由于为成形工序，材料在型面内流动，由于长时间工作，难免会产生材料脱落，粘滞在拉延筋上，这样也会产生碎屑，对于这个问题我们对模具采用了电镀处理，增加模具的光洁度，防止摩擦产生碎屑，另外也增加了模具的硬度，防止拉毛对模具产生损伤。

对于OP20/30/40模具，我们对比传统的电镀以及TD处理，最终采用PVD技术。相对于电镀，PVD的耐磨程度较高。相对于TD处理，PVD的处理温度较低，约240～350℃，这样对于镶块的变形有很好的控制作用。

模具结构变更

零件的下模为了保证切边不出现塌角，需要下模符型，但是经过分析观察，铝屑较轻，随着零件在压机内高速移动，这些切屑可能会落在下模的凸模上，这样就造成了零件的压伤。对于这个问题，我们计算了铝板的抗拉强度，发现屈服强度小于钢板，切边力也小于钢板，于是我们减少了模具下模的符型区域。我们将符型区域减少到了20mm。

同样，对于上模，为了避免上表面的切屑压伤，我们将上模的符型区域也进行了缩小，缩小至15mm。这样由于接触面积小了，模具压伤的概率也大大降低了；从OP20/30/40的经验我们总结出铝板的修边模具符型区域可以由40mm缩短至20mm，翻边模具的符型区域可以由60～80mm缩短至30～40mm，如图7所示。

图7 模具实际符型数模与实物对照图

模具的预防性维修（PM）

由于我公司生产量比较大，模具预防性维修也尤为重要，废屑的产生与我们对模具的PM成反比例关系，即PM频次越多越仔细，切屑产生就越少。我们的PM主要体现在两个方面。

PM之一，保养

保养的频次是每1000冲次进行一次，内容涵盖刃口的清洁、模具的清洁，在生产结束后我们会对整体进行清洁，擦拭模具上的碎屑，由于铝屑较轻，我们还会在刃口上涂抹黄油，这样漂浮的切屑会被粘在涂有黄油的镶块上。

对于刃口我们还会在保养的过程中对刃口进行擦黑、崩口检查，如果刃口有擦黑、崩口，我们将会在研配压力机上进行间隙检查维修，防止因生产磨损造成的修边间隙不良。

在生产过程中我们会关心废料下滑的情况，如果遇到下滑不良的现象，我们会在下线时进行废料滑道的维修，防止由于卡废料而造成刃口被啃到的现象。

PM之二，点检

点检的频率是每10000冲次进行一次，主要是模具的拆解，包含检查导向部件、检查安装螺栓。如果导向部件间隙改变，螺栓松动，会导致切边镶块活动，这样模具就会不稳定，导致切屑发生，一般对于铝板模具的导向精度是0.03～0.05mm之间。

点检的另外一项工作是给润滑部件加油，防止因为零件疲劳造成的模具不稳定。

对于模具预防性维修，已经建立相应的标准与制度，这些可以有效地保证模具的可靠性。

结束语

经过模具这些方面的持续的分阶段改进工作，我公司发动机盖外板因切屑压伤的停线时间下降至3%左右，一次性合格率达到了99%以上，大大的提高了生产效率，降低了冲压生产的成本。图8为整改后的停线率以及FTT趋势图。

铝板模具切屑问题，是目前铝板生产的主要问题，各个主机厂都受其困扰。这是个综合性的问题，跟设计、使用、维护都有关系，但我认为这问题的根源还是设计，如果在设计的阶段就考虑模具结构问题，在机加工的时候就设计好间隙，这样就会大大的减少后期的工作。另外使用维护也根据实际建立相应的标准，切屑的问题从而就可以得到控制。

图8 整改后的停线率以及FTT趋势图

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