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欢迎来到铝冲压“作战指挥室”
作者:Keeler Technologies公司 Stuart Keeler
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冲压模具/锻压/冷镦模具展厅
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在汽车工业,“减轻重量”是常常听到的热点话题。这就意味着在产品设计过程中,需要降低车身重量以实现燃油效率的最大化,从而达到美国联邦政府规定的《企业平均燃油经济性》要求。采用铝合金材料制成低重量冲压产品,是汽车制造商减重的方法之一。目前,工程师可用的铝合金分为两大类:不可热处理的和可热处理。

首先,这个分类将铝的类型 ( 即5XXX 系列) 作了定位 。第二要考虑到每种铝可能发生的成分变化:这就涉及5005、5154 以及5636,当然也包括5XXX 系列的其他组合。

第三条涉及到每个特定合金组合适用的回火:5145: O, H34, H38,以及H112。 这样的回火确定了稳定显微结构、增强应变硬化效应、防止老化所需的精整条件,以及使合金具有特定属性的其他组合。

工程师可以在现有的大量合金中选择适用于冲压的特定的铝合金。但是,多数情况下,铝材专家们需要整理每种可能使用的卷材的优点和缺点,然后向用户一一解释。这就要求供应商和买家双方合作,讨论每个特定卷材的具体属性,而不是泛泛而谈哪种拉伸性好、哪种强度高。

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铝的属性

跟其他金属合金一样,为了让铝合金具有成形性, 研究人员运用了万能拉伸试验。 他们将材料的细长条加工到特定的尺寸,然后夹到拉力试验机的颚板中,在拉伸长条的同时,记录下拉力和样品的拉伸程度。随后, 他们将这些数据转变为应力应变曲线,以表现评估材料的能力。

测试显示了材料的数个属性,其中包括弹性系数, 这个系数是用来测量原子内部保持原子稳定的力道。初期运用到样本上的张力导致原子间的空间增大。随着成形力的增加,随后启动的塑性(永久变形)力量,会持续增加原子间的空间。这股力量移除之后,原子会收缩,希图回复到中性状态——这就是“回弹”。如果运用压缩力,则会得到类似的结果,当然反应是相反的。

几乎所有的冲压部件,均会表现出回弹力。与拉伸试验不同的是,塑性变形所产生的冲压轮廓会起到屏障的作用,阻止原子完全恢复到稳定的状态。这就造成了危险的残余应力,或者说是困力。任何随后的成形、金属修整、冲孔、支架焊接、热处理,或者其他对压力平衡的破坏,都会造成更多的回弹,以及偏离原有的尺寸规格。

在给像铝和铜合金这样的有色金属成形的时候,回弹力是个非常大的挑战。回弹力跟弹性系数有关,系数低就意味着回弹力大。多数有色金属合金的系数是10 个百万单位,而钢的是30 个百万单位。因此,在相同的设计和厚度条件下,铝冲压的回弹力是钢的三倍。回弹力还跟材料的抗屈强度成比例,抗屈强度越大,回弹力就越大。

加工硬化指数(n-值) 是通过拉伸试验中,从10% 到极限抗拉强度或者最大负荷下的应变值来测算的。n-值较高的合金,整体拉伸性更强,并且将应变梯度的局部化降到最低的能力也越好。不妙的是,用来提高材料强度的冶金术同时也降低了材料的成形性。对于一个指定的合金,n-值会随着强度的提高而下降。多数常规钢材的常用n-值可以通过幂律方程计算 :σ = K €n。一些铝产品的n-值会随着应变的增加而下降。对于这些合金,首先公布的数字是最大初始n 值,括号中的数字是平均n-值。举个例子:0.35 (0.26)。

应变率硬化指数( m 值) 可能给铝带来一些挑战。随着成形速度的加快,一些合金的强度会增加(m=+),一些不变(m=0),还有一些的强度会下降(m=-)。变形(应变)梯度在某个位置形成的时候,M 值就显得很重要了。冲压的一些局部特征,比如特征线条、尖锐的隆起部分、急弯等会开始局部成形。这些特别造型部位材料的应变速度比周边材料快。铁合金的M 值是正数,所以开始快速成形的时候,材料强度会增加,这也会限制梯度的发展。

一些铝合金的M 值是负数,因此会在局部失去强度,加快梯度的发展,并且带动早期的失败。一条修剪过的空白边缘、冲孔挤压、或者其它冲压重冷加工区域都会保留较长的早期裂缝,这些区域的M 值会是负数。 研究人员持续开发方法,试图通过温成形来将铝的M 值从负数转为正数。

铝的冲压

多数用于钢成形的冲压车间设备都适用于铝的加工。但是,主要是为钢的冲模设计而开发的规则,应用于铝合金的成形时,就必须修改了。关键的工艺变量包括:

◆铝坯的可成形性特征
◆部件和工具的几何形状
冲床的设置,具体包括润滑以及压边圈压力的准确控制

铝会在板材表面形成薄薄的天然氧化铝涂层,这个涂层可能会在成形时破碎并且擦伤切割和成形工具。这个氧化薄膜非常坚硬、易碎,并且附着力强, 容易破碎。这样就可以进行黏附力强的金属表面接触,通常的条件是表面预处理(PVD,TD 或者其他材料)以保护机床。

由于铝的可成形性低于钢,产品设计上的一些特色,比如辐射、拉深、壁角、转折等就必须精心挑选,因为这些特色会影响到铝冲压的成本和质量。工程师必须小心地设计铝冲压工艺,尤其是在部件过去是由钢制造的条件下,这时候要考虑到铝的特别属性。

由于铝的弹性系数只有钢的三分之一,过去钢制的产品,现在用铝生产的话,除非产品设计有所改变,否则刚度会大大缩水。设计师有两个方案可选: 增加板材的厚度,或增加产品中加强筋的用量。冲压件的最终刚度与厚度的平方成正比,而加强筋是通过增加横截面积来提高刚度。

同时,工程师必须谨慎确定铝冲压件的部件半径。半径小的话,应变会限制在局部区域,进而造成拉伸,部件可能很快就在成形时毁掉了。相反,半径大的话就会缩小压边圈和部件褶缘之间的接触面积,这就增加了冲模半径附近未支撑区域形成皱褶的可能性。

困难的、不规则形状的部件通常对齿顶有一些特别要求,以促进物料滑移、将局部的拉伸最小化。 最终的铝冲压设计会平均拉伸,变形时应变会均匀分布。

凹模内拉拔

杯拉伸比是指毛坯直径和冲头直径之间的比率。如果这个比率过大的话, 金属板材的滑移就会有困难,可能会过度拉伸。成功的凹模内拉拔能够做到拉伸的最小化,因为材料的位移主要体现在压缩上。

由于铝的等级以及成形的回火差异,拉拔缩径率会有差异。有些等级的铝的极限压延系数(LDR) 跟钢相似,而其他的要低得多。冲模设计手册上一般都有低碳钢的压延系数。由于加工硬化性能上的差异、表面形貌、以及其他因素,工程师不应将这个表格应用在黄铜、铝、以及其他有色金属上。

对于铝合金而言,工程师的目标LDR 应该低于1.6,除非该合金冲压的过往经验与之相左。一般来说,第一次拉拔可以从坯料减少40% 开始,第二次减少20%,第三次和第四次减少15%。此前已经在1100、3003 以及5005 合金上进行过第四次或者更多次的拉拔,并不需要中间退火。

对于强度较高的合金(比如2014、2024、3004、 5052 以及 6061),缩径量会小一些。第一次拉拔时差不多允许的缩小率是30%,第二次是15%, 第三次是10%。一般来讲,对于这些合金,第三次拉拔后,局部或完全退火是必要的。

第一次拉拔时,拉冲头跟阴模之间的间隙一般是物料各边厚度的110%。对于较高强度的铝合金,间隙可能要求是各边厚度的115~120%。随后的拉拔要求更多的间隙,因为每次拉拔都会增加物料的厚度。

矩形的拉拔

在做矩形或者盒子形部件的拉拔时,如果部件所有圆角半径都在0.500 到1.00 英寸之间,拉深一般限制在半径的7 倍之内;如果半径是0.250 英寸或者更低的话,倍数就限制在12 倍。另外,要保持拉深和圆角半径最少为板材厚度的5 倍。

我们建议直边时凸模圆角半径为板材厚度的9~12 倍,而转角处的半径至少是板材厚度的12 倍。模具口的半径,直边时应该是板材厚度的9 倍,转角处为9~12 倍。有条通用的规则:冲压半径应该跟模具半径一样大或比后者大, 这样可以降低冲压穿透物料的几率。在矩形盒子的拉深操作中,毛坯的状态尤为重要。这时候要避免毛坯角落里有多余的材料,因为这些余料会妨碍物料滑移入阴模,导致圆角半径劈开。

对于需要多次缩径的产品, 第一次拉拔作业后变形的表面区域,必须跟最后一次拉拔作业后的总体表面区域相平。如果表面区域过大,多余材料就会导致材料皱缩、褶皱、皱曲等成为主要问题。如果初次拉拔时的表面区域比最终产品表面小,那么可能会出现拉拔失败的问题,原因是过度拉拔。

不规则形状的拉拔

有些工艺不是单纯的拉深,而是将拉深和拉伸成形结合起来,这种情况下工程师就必须控制压边圈下面的材料滑移,一般会控制毛坯形状、润滑条件、拉伸压边筋、定位杆、以及压边力。

对于不规则造型产品的几何形状,通常可以使用齿顶来改善材料滑移。模具设计师在产品修整线以外额外加上齿顶以辅助材料滑移,原理是平衡线上的横截面长度、造就稳定的拉深。通常用到的齿顶花色包括拉伸壁、拖杆、张力调整杆、架座、冲孔延展等(见图2)。

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在对不规则形状进行拉深时,坯料的形状(轮廓) 尤为重要。尽管矩形坯料可能提供了简便,并且成本低,但是这样的形状不能够将成形性最大化。可以通过分析方法(成形模拟)或者“试错”来优化或者改进坯料形状,这会大面积改进铝的拉深成形工艺。

在控制金属板滑移的同时将摩擦最小化,是铝合金拉深成功的关键. 铝合金成形时, 有必要将板材和模具表面分离开来. 特别为铝冲压配置的润滑剂能够在模具表面和坯料氧化薄膜之间形成坚固的屏障。如果冲压润滑剂得当,可以避免坯料和加工工具表面的“亲密”接触。

聚乙烯或者聚氯乙烯塑料薄膜可以用在铝的表面以辅助拉拔、保护工件表面。这些薄膜带来了优异的润滑效果,摩擦系数低于油。多数情况下聚乙烯就可以了;对于复杂的拉拔以及需要多次成形作业的,可能要用到聚氯乙烯。问题在于,这两种薄膜的清除均非易事。

压边力的悉心控制

要想让铝板材不褶皱,就要有充分的压力,但是如果压力过大,又会 导致本应拉拔的铝伸展开来。使用张力调整杆(图3)和定位杆(图4) 可以提供额外的约束力,避免压边力过大。

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张力调整杆限制进入阴模的物料滑移,具体是起着减速带的作用,也就 是延缓物料滑移进入需要更多伸展的区域。这会在冲压时造成绷紧的外观。

欧洲铝协会发布的《汽车铝加工手册》推荐了张力调整杆参数的一般 设计原则:

R1=3~6t;R2=6t;B1=12t;B2=15t;h=6~10t (t=板材厚度)

张力调整杆的中心跟拉拔模(冲孔开口线)之间的距离,一般是板材 厚度的25 倍。

压铆螺母柱负责控制模具面和坯料表面的空隙,还能辅助物料滑移。

定位杆会完全阻止物料滑移入模具, 想多紧, 就能有多紧。

《汽车铝加工手册》推荐了定位杆参数设定的基本原则:

R1=3t;R2=2t;B1=12t;B2=15t;h=6t(t=板材厚度)

张力调整杆的中心跟拉拔模(冲孔开口线)边缘之间的距离一般是板材厚度的24 倍。

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如果压边圈是平的,弯曲件的加工就 要有大范围的拉深了。长距离的拉深加上压 力,意味着气弹簧会带来压力和距离的变化, 这可能会限制铝板的成形性。

开发过的或者说是弯曲的压边圈,可 以将拉深最小化,具体方法是,在模具接近 时预先改变坯料的形状,以适应冲压成品的 大致形状。开发压边圈加上恰当设计齿顶的 目标就是为成形打造均匀的拉深、平均分布 的应变,防止冲压件过度拉伸和破碎。

弯曲成形

折弯工艺中的总伸长率是非常重要的,因为折弯应力关系到弯曲处外 表面的延伸率。M 值为负数的铝合金,在做拉力试验时会表现出较低的总伸长率。样品的变形不会跟正常断裂应变相符,而是会迅速变细,一旦达 到极限拉力就会崩溃。

在相似的拉力下,钢材崩溃的总伸长率是40~45%,而铝的则是24%~30%。结论就是,钢材折弯的加工经验,并不完全适用于铝。 举例来说, 一个钢材成形的卷边可以压到封闭,而如果是铝的卷边,就要有大半径折 弯了,原因就是铝的总伸长率较低。因此,金属成形加工人员在铝加工上 趋向于特定类型的卷边,名为绳状卷边 (图6)。

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如果要做带背压的折弯,就要将物料放在冲头和压板之间,然后再折 弯褶缘(图7)。这样可以限制褶缘侧翼收缩时形成皱褶, 同时还能将褶缘拉伸时的边缘拉伸和撕裂的几率降到最低。背压的 应用也有助于减少回弹。

冲裁落料

优秀的割边质量能够避免下料工位上落下裂片或 者微细物料. 这些裂片可能会带到接下来的工艺里面去, 破坏成形件的表面. 过量的裂片和颗粒积聚还可能导致毛边。优秀的割边质量还是保证自由边的成形 性、方便后续成形操作的要求之一。

割边的质量直接关系到冲头跟阴模的吻合,以及冲头跟模具配件之间的空隙。切割间隙要么体现在总间隙(即冲头直径跟模具孔之间的差距)上,要么体 现在(多数情况下)各边的切割间隙。

合适的切割间隙取决于物料类型、厚度、以及抗 剪强度。总的来说,对于低强度铝合金(UTS 最高230MPa),各边冲头到模具的间隙会是材料厚度的3% 到8%;对于高强度铝合金(UTS 大于230MPa) 可能要求间隙达到材料厚度的11%。

有了合适的切割间隙,板材表面顶端和底端的裂 缝就能清楚对接,不需要二次剪切。二次剪切,又名 双段,意味着原先的间隙不充分。相反,切割间隙过 大会导致剪切边缘出现大半径或者蝶形轮廓,经常伴 随有大的毛刺。

切割边缘的状况还取决于机床刀片的锋利程度。 冲头或者模具上的钝刃会造成跟间隙过大类似的问题。

板材表面的天然铝合金涂层可能会在成形时破 碎,擦伤成形和切割工具。因此,负责金属成形的工 作人员会选择高等级工具钢制成的切割和成形工具, 这就经常要求应用PVD、TD 或其它表面处理手段。在材料上整体薄施润滑剂应该在多数情况下适用于铝 板的两面,即便是在坯料和剪切阶段。
文章内容仅供参考 (投稿) (9/27/2014)
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