【技术帖】铝冲压件生产稳定性研究

宋洋sy 2019-12-31

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摘要：近年来高档乘用车中铝冲压件的比例逐渐增多，但铝冲压件生产过程中返修率高、废品率高、停台时间高仍然是行业难题，目前，生产中的主要痛点集中在缩颈拉裂及料屑两大方面。结合近十年约50个铝冲压件品种的生产维护经验，针对铝冲压件生产时常见的缩颈拉裂问题及料屑问题，从板料、模具、冲压设备、数字化技术、制度管理等方面进行了控制方案的提炼总结，该系列方案可以有效提高铝冲压件生产稳定性，新投产铝件模具稳定周期可由8个月缩短至3～4个月。

关键词：冲压件缩颈拉裂料屑稳定性

1、前言

汽车覆盖件中铝件与钢件对比，具有质量轻、散热快、吸音性能好、不锈蚀等优点。目前用于冲压件的铝合金板材多是6000系铝合金，由于铝件与钢件材料不同，在冲压生产典型的两大工艺中，成形工艺中的缩颈拉裂问题，以及分离工艺中的料屑问题有较为突出的影响。新制模具铝件料屑问题每生产千冲程停机时间高达20min，超过普通钢件5倍，同品种缩颈拉裂频次铝件高于钢件3倍。

另一方面从趋势上看，高档乘用车中铝件的占比逐渐增多，以一汽-大众奥迪车型为例，长春基地所生产的奥迪系列产品中，奥迪Q3前后盖、老款奥迪Q5前后盖、新款奥迪Q5前后盖、老款奥迪 A6L（C7）四门、新款奥迪 A6L（C8）前后盖、四门、翼子板均使用了铝冲压件，新款A6L在外部可视的13个冲压覆盖件中，铝件数量达到了9个，占比70%，相比老款为31%。在关注效率及废返品率的主机厂中，铝件数量占比少时对主机厂影响并不明显，但铝件模具数量品种一旦超过车型模具数量的二分之一，主机厂的新模具调试工作将承受巨大压力。针对以上问题，为了快速实现铝件模具生产稳定，对铝冲压件的稳定生产建议控制方案如下。

2、铝件缩颈拉裂

在成形工艺中，铝件与钢件相比更易出现缩颈拉裂问题。该问题主要有两方面原因：一是相同塑性硬化指数n值的铝合金板的冲压成形性能远低于冷轧钢板。铝料自身厚向异性指数r值低，深冲性、局部断后伸长率都较低，成形窗口窄，成形能力只有钢的1/3。其次是铝料有时效特点，热处理后随时间增加，铝本身强度、硬度升高，塑性、韧性下降。一般铝卷料热处理后需要在6个月时间内进行生产，而在这6个月的生产窗口里，由于时效原因不同批次铝料生产前机械性能千差万别，在模具中成形时模具裕度与材料性能的匹配性差，缩颈拉裂时有发生。为解决缩颈拉裂问题，项目技术方案如下。

2.1 板料时效控制

铝板料有时效的特性，随时间增加强度、硬度升高，塑性、韧性下降。由于板料制造工艺、热处理后出厂状态、运输、温度等等条件的不同，在冲压生产前铝板料的机械性能差异性很大，以某车型内板铝件为例，6个月统计时间内，屈服强度到达公司入口检测时，最小值为71，最大值为109，波动量为34.9%，这种波动对模具的生产调整影响很大，也造成了连续生产时经常出现缩颈拉裂等问题。

由于时效是铝料的固有特性，技术上无法改变，而且铝料的性能到达主机厂时千差万别。为解决这一问题可以先积累出模具可以稳定生产的机械性能区间，然后利用铝料时效的特性，掌握时效规律，针对屈服强度偏低的铝料放置停用使其自然时效，屈服强度升高至预期的范围后再进行生产。图1所示为某牌号铝件按标准制成的拉伸样片，图2为已经拟合完成的时效曲线，利用其规律可以指导该牌号其他卷号铝料的生产日期控制。

图1 时效样片

图2 时效曲线

2.2 铝板机械性能预警及区间供货

通过对板料料卡进行改革，如图3所示将板料所有信息都打印至料卡上，方便生产问题出现后快速进行材料性能比对分析。另外对生产出现过问题的性能数据进行总结归纳，形成每个铝件品种自己的性能预警区间，超出区间的使用蓝色卡片料卡（图4），起到缺陷提前预警作用。

图3 料卡

图4 铝料性能预警

2.3 利用Autoform、ATos等数字化手段，辅助进行缩颈拉裂点优化

针对模具固定位置容易产生缩颈拉裂问题，特别是拉延模拟报告中理论缩颈最大点或者超过安全裕度线（FLC）的，可以辅助使用数字化软件和设备进行优化。例如，可通过应用Autoform模拟软件，结合模具拉延模拟文件对危险区域进行Sigma稳健性分析，确认材料各项机械性能，生产润滑条件，模具拉延筋状态对危险区域的影响程度，哪项指标影响更为剧烈，从而与材料厂家协议某项性能参数特殊控制，或模具进行有针对性的调整，图5所示为某车型后盖外板通过进行Sigma分析，找到了生产中易发生拉裂位置的重要影响因素。之后使用图6中的Atos扫描设备，进行模具型面更改前扫描，采集记录模具型面及压边圈的原始扫描数据，进行模具改进后再次扫描，利用差值记录准确的模具更改变动量。

图5 Autoform分析拉裂位置的敏感影响因素

图6 ATos型面数据扫描

2.4 Comsmart网格监控

通过生产经验，整理总结铝件易发生的缩颈拉裂位置，对这些位置进行模具裕度监控，主要使用Comsmart网格应变分析设备（4×500万像素三维立体摄像头），通过手持摄像头拍照的方式（图7）获取监控区网格应变的具体情况，从拍照到计算机计算结束约1个小时即可完成，具有操作方便、快捷、易标定等优点。完成后输出图8所示类型的分析报告，提示哪些位置安全，哪些位置还有风险。针对风险位置，模具维修人员评估进一步优化的可行性。

图7 Comsmart网格应变应用

图8 监控报告示例

2.5 设备特殊功能开发

当前冲压件生产设备中，拉延下气垫已经可以实现分段压力功能，图9所示为某后盖通过设置分段下气垫压力，成形前期板料流动阶段使用小压力成形，后期零件形状固定阶段使用大压力稳定尺寸精度。使用分段压力设置可以有效解决深拉延铝件的拉裂问题。

图9 分段压力设置功能在铝板成形应用

3、铝件料屑

在分离工艺中，铝件料屑问题非常突出，修边/ 冲孔工序中料屑产生机理与钢件相似，但因为铝的弹性模量低，约为钢的1/3，更易发生回弹，冲裁断裂后的弹性恢复比钢更为强烈，导致断裂后的切口表面与冲头侧壁接触的压应力更高，刮蹭更为剧烈，从而产生更多的热量，铝料断裂面上的一些材料就会粘附在冲头侧壁上，产生粘贴现象，累积多了后形成了积屑瘤，图10所示为积屑瘤产生过程，随积屑瘤增多，冲裁间隙变小，产生毛刺及大量料屑问题。另一方面小间隙会加速冲头的磨损降低使用寿命；同时阻力增大，易造成凹模或孔箍紧冲头，发生模具事故，甚至断裂。为了避免料屑产生，主要对以下几个方面进行攻关研究。

图10 铝件积屑瘤产生示意

3.1 模具结构

从模具刃口结构上，修冲刃口或冲头做负角度处理，增加躲避区，冲裁时尽可能避免材料断面与刃口刮蹭，可以有效减少积屑瘤产生。图11所示为无负角度与有负角度刃口示意图对比。在实际应用过程中，大众标准给出的刃口负角度值为-2°，从实际应用结果看，效果不是很理想。从理论讲，刃口及冲头负角度越大，躲避区越大，就越能避免刮屑产生，但同时角度越大，刃口的强度就越薄弱，冲头所受高应力的时间会加长，冲头所受的应力就越大，相应磨损也会加剧。通过受力分析及生产验证，负角度应该在-2°～-4°之间是可靠且有效的。

图11 铝件修冲刃口负角度构原理示意

3.2 特殊镀层

类金刚石（DLC）涂层技术应用：近年来新兴的模具涂层技术中，TICN涂层对翻边整形镶块应用较好，但对于修冲工序应用较差，主要问题是耐磨性差，效果不明显。近几年欧洲部分模具厂商在修冲工序应用DLC涂层技术，极大增加表面光洁度及耐磨性。通过比对试验，DLC涂层确实大大缓解积屑瘤情况，减少在线处理时间，线下维护难度大大降低。

图12所示为对某门内板加强框模具左右对称的冲头进行批量生产对比试验，左侧为普通冲头，右侧为DLC涂层冲头。在同样进行5272冲程试验后，从图13可以看出，左侧普通冲头已经附着了部分积屑瘤，需要用砂纸进行抛光处理，而右侧DLC表面仍然光洁，附着的铝屑用擦布即可去除，DLC涂层防积屑瘤现象十分显著。

钢绞线在下料过程中，第一步，需要监测钢绞线的质量和刚度，确保钢绞线的质量满足实际工程的使用需要，禁止将不符合规范的钢绞线带入施工现场。另一方面，在钢绞线的下料过程中，需要保证预应力筋设计的尺寸和张拉要求达到行业标准，符合实际施工操作规范。一般情况下，预应力管理管道以金属波纹管到为主，直径在16～25m之间时也可以选取金属波纹管道作为管道使用。在管道穿行过程中，需要将钢绞线进行标号，确定号码后再进行施工，施工一般选择单根穿梭的方法，从而避免在穿行过程中出现的钢绞线纠缠等隐患。

图12 普通冲头与DLC涂层冲头对比试验

图13 对比试验结果

3.3 板料及模具润滑

对于内板铝件，适当在板料表面涂油会缓解料屑问题。图14所示为在板料涂油机界面按零件形状添加适当的拉延油。零件表面有一定含油量，料屑产生后可以粘附在刃口或者随刃口下行落到下模空开处，减少飞溅缓解零件垫料屑情况；同时由于涂油后摩擦系数降低，也有利于缓解刮屑产生。以某车型后盖内板为例，在实施涂油措施前，铝屑停台达到40min/1000件，实施涂油措施后，迅速降至20min/1000件左右。

另外在铝刃口模具的日常保养维护中，如图15所示在刃口上刷涂润滑用黄粘油，也可以加大润滑，甚至粘附已产生的料屑，降低料屑问题。

图14 板料涂油机界面

图15 日常刃口维护润滑

3.4 切削速度

根据冲压成形理论，当冲裁速度较快时，由于高速冲击的影响，拉伸和弯曲的影响降低，剪切的影响变大，断面光亮带有所增加，断面质量有一定程度提高，减少料屑产生；在生产时提高生产节拍改善降低铝屑产生频次。通过实验验证，高节拍对铝屑产生确实有利好影响，即便是刃口锋利程度不足，也不会导致料屑恶化。同时由于切边速度快，会对料屑产生向下的拉动力，减少飞溅。

3.5 模具维护周期

保证刃口或冲头的光洁度，减少料屑堆积，当前探索出的经验是5000个冲程至少彻底清擦抛光一次，此经验可以固化到铝件模具的日常维护中。

3.6 遮蔽区料屑

制作遮蔽区样件，对于已经产生的料屑制件，在非功能区及非可视区，实际是对用户无任何影响的，由于此类问题而进行返修不创造价值，反而造成了返修成本。可以将此部分区域涂以其他颜色，在生产过程中作为遮蔽样件，发生料屑而不必进行返修。图16所示为某车型后盖内板及发罩内板已经制作完成的两个遮蔽样件。

图16 遮蔽样件

4、结束语

针对铝件缩颈拉裂解决方案的汇总如下。

a.进行板料时效控制研究，探索不同铝牌号料的时效周期，控制生产前性能稳定性；

c.利用Autoform、ATOS等工具实施缩颈拉裂点板料控制及模具优化；

d.建立Comsmart模具缩颈拉裂点网格监控制度，定期监控缩颈拉裂风险；

e.开发设备特殊功能，成功实现拉延下气垫分段压力使用，解决缩颈拉裂问题。

针对料屑问题解决方案的汇总如下。