1.引言
汽车工艺的进步使得节能环保问题备受瞩目，特别是汽车轻量化，这一技术对于提升燃油效率、减少二氧化碳排放带来的环境污染至关重要。实际上，汽车轻量化主要涉及车用材料的轻量化，而在此过程中，复合材料、高强度钢板、铝镁合金等新型材料的应用起到了至关重要的作用，它们在确保结构强度的同时，显著降低了车辆的整体重量。近些年，高端车型中，铝合金的应用量呈现出显著上升的趋势。这种材料不仅机械性能优越，密度较低，还拥有耐高温、抗腐蚀以及抗蠕变等特性。在降低汽车自重的条件下，铝合金完全能够达到对汽车性能的预期要求。尽管铝合金压铸件成为了汽车工业的热点，但一些结构件乃至外板件也开始尝试采用这类材料进行冲压成型。本研究对具有代表性的铝合金结构部件进行了深入剖析，并据此归纳出了铝合金普遍的成型特性。
2.制件及材料性能分析
2.1制件分析
图1展示了某款家用轿车的结构部件，该部件由铝合金厚板制成，其形状较为特别，加工过程中难度较大，对加工精度有较高要求。此外，该部件的模具开发周期较短，但技术含量和制造难度均较高，且缺乏可供参考的类似经验，因此方案实施过程中存在较大的风险。
该制件定位的基准RPS点位于侧面D7MM孔、一个D8MM孔以及顶面另一个D7MM孔。翻边部分共有5个冲孔和2个压窝凸台。对于2-D8MM孔、2-8.2MM凸台以及D7MM孔，它们的位置公差要求较高，因此只能采用侧冲方式；而2D8.2MM压窝凸出朝外，需要设计成往复式斜楔才能实现。该制件顶部存在三个冲孔，其冲压角度为20度，其中2-D7MM孔的精度要求较高，需分别于两个工序中完成。制件轮廓线的公差控制在±0.5MM范围内，故2.5MM厚的板材在冲裁时，其修边展开面所形成的斜角不宜过大。此外，端面翻边的尺寸高达52MM，而圆角仅为R6MM，至于材料在端头处的流入量是否充足，还需进一步研究分析。拉伸如果不能成功,能否大胆采用整体翻边必须认真考虑。
2.2材料性能
该制件所选用的材料型号为EN485-AW-5754-O/H111，其厚度达到25毫米。这一牌号源自德国，其中EN485-AW代表铝材料的性能标准编号，5754则对应着化学符号标志系统中的AMGY代号。O/H111则是对材料状态的标识，O表示退火状态，而H111则意味着该材料在经过最终退火处理后，还进行了适当的加工，但其硬化程度较低，远不如HLL。该材料的力学性能指标如下：抗拉强度介于190至240兆帕之间；屈服强度不小于80兆帕；延伸率需达到16%以上；布氏硬度应为52。对比常规汽车结构件所用材料，该材料虽然抗拉性能不强，但其厚度较厚，延伸率仅为DC钢的一半。在成形过程中，需确保有充足的给料，并在工艺补充时尽量减少材料流动的爬坡和弯折，以便于成形并减少冷作硬化及板料变薄的趋势。在硬度和抗拉强度方面，FJ硬铝与软铝之间的差异，可作为确定冲裁间隙和回弹角度的参考。此外，若对制件表面质量要求较高，则在使用模具材料时需注意减少制件表面的划伤。
3 冲压方案的确定
3.1方案分析
依据制件的具体特性，我们可以挑选拉伸或是成形这两种不同的处理方式。拉伸工艺对材料有较好的控制能力，不过完成端面拉伸后，必须进行两次修边处理，这会导致交接处存在一定的难度，且整个工序较为繁琐。而采用成形方案，虽然存在翻边和叠料的风险，但能够有效简化工序流程。
方案一涉及多个步骤：首先进行拉伸操作（OP10），接着执行修边工序（OP20），随后进行翻边处理（OP30），紧接着是侧修边并冲孔（OP40），然后再次进行侧修边冲孔（OP50），最后完成侧冲孔压窝（OP60）。具体步骤可参照图2。
方案二涉及的操作流程为：首先进行落料冲孔（OP05），随后进入成形工序（OP10），再进行修边冲孔（OP20），接着是翻边整形（OP30），之后是侧修边侧冲孔（OP40），最后是侧冲孔压窝（OP50）。具体步骤可参照图3。
3.2CAE分析
为确保方案的可信度，我们分别对两种方案的成型工艺实施了计算机辅助工程分析。
方案一，在制件端面A区域出现了裂纹，而B区域材料的减薄程度已高达30%（详见图4）。经过对拉伸板料进行裁剪以及调整压料力，端头开裂问题有所缓解，然而材料的减薄问题依旧严重超标，并且在同一成形区域内，出现了明显的皱纹倾向（见图5）。
方案二中，制件端面经过两道成形工序，首先形成较深的顶部凹槽，随后进行周向翻边（如图6所示）。该制件的翻边形状颇为独特，尤其是端头翻边面的高度难以精确控制，侧面翻边断面的精度也有特定要求。通过成形分析，发现翻边后的端面在c、d位置（如图7所示）材料有所增厚，出现了堆积。对修边线进行调整并重新计算后，尽管积料形状有所改善，但材料增厚趋势依然存在。
3.3方案确定
对比分析两个方案后，我们发现方案二在实施上更具可行性；同时，针对该方案存在的不足，我们可以在L安排中采取相应措施，要么规避，要么进行优化。
定位精度不稳定。具体操作为：在材料基本不发生位移的区域进行定位孔的冲压（详见图8）。
端头翻边材料存在积聚的设想。针对此问题，我们需采取以下措施：首先，对落料轮廓进行优化调整；其次，运用软件进行精确计算；最后，在冲压环节进行试验以确定最佳方案。
翻边断面的精度要求较高，而与型面垂直度的保持较为困难。为此，我们采取了以下处理措施：首先，对落料轮廓进行修改（如图8所示），其次，在后道工序中增设了局部斜楔修边环节，这一步骤同时还能完成斜楔冲孔的操作。
4方案实施及问题总结
在执行该方案的过程中，由于其中存在一些难以兼顾的环节，加之这是首次对这种材料的冲压操作，缺乏实践经验总结，故而暴露出了一些实际操作中的问题。
落料线与修边线连接处存在问题：落料部分处于平坦状态，而修边则是在经过一次拉伸后进行，为了确保大面积的覆盖，导致与落料线的交界处形成了15°的夹角。对于小于30°的斜面，对修边刃口的影响并不显著，然而在厚板料的冲裁断面上，却会出现误差（如图9所示）。也曾思考过将材料切割成完整的轮廓形状，然而，由于在成型过程中修整边缘的线条难以把握，尤其是进行第二次翻边时更是如此，这可能导致工件在定位时发生微小的移动。为此，我们采取了增加交接工艺缺口的方法，以改善这一状况。
翻边镶块表面累积了杂质，当冲压达到一定次数后，翻边工序件的表面出现了轻微的划痕。经检查，翻边镶块的淬火硬度以及表面粗糙度均符合设计规范。然而，划痕的产生并非源于淬火硬度或表面粗糙度，而是因为该铝合金材料的硬度不足，在冲压过程中产生了较明显的发热，导致凹模镶块上形成了积屑。在清除积屑之后，通过在冲压过程中添加润滑油，划痕问题得到了暂时的缓解。针对这类现象,要求对镶块进行表面TD强化处理。
压窝状态不尽如人意，侧冲压窝过程中，我们发现压窝尺寸并未符合图纸所示（参见图10A）。在凸模尺寸设计时，我们主要考虑了料厚等距，然而在实际冲压过程中，该材料的局部胀形性能并不理想，这导致了凸台外形未能成功压出。为此，我们通过重新设计凸模尺寸并进行了试冲，当达到图10B所示的尺寸时，压窝状态变得相对理想。
修边线的确定存在难题，除了第一条提到的问题之外，C、D区域（如图7所示）的翻边形状也难以确定。该区域由于翻边变化显著且形状独特，大量材料在此受到挤压，即便是微小的调整，也会导致C、D区域翻边后的较大变化。若左右区域的调整不均匀，则可能引起E端面的倾斜。因此，对于修边线的调整，必须分阶段逐步实施，增加更多的控制点，并且经过多轮试验，以保证轮廓能够与检具相吻合，同时确保E处端面保持平行状态。
制件在翻边后，需依据材料特性确定其回弹角度，理想范围应在3°至5°之间。据此，在制定方案时，已将翻边工序的回弹角度设定为2°。然而，实际冲压过程中，翻边的回弹角度却未达到预期，仅有不足1°，且在局部区域甚至出现了翻边过于紧密，导致与凸模贴合过紧的情况。为加深验证，我们取自相同材料的代表性制品进行测试，结果显示在R值介于2至3之间时，竟出现了1至2度的反向回弹现象，且该回弹角度随着R值的增大而逐渐减小。鉴于制品的翻边半径R值不可调整，我们通过适当扩大翻边间隙，成功实现了所需的翻边形状。针对该材料的这一特性，在未来的模具设计中，我们应提前予以充分考量。
根据材料特性，铝制件在冲裁时，经查最小间隙应为0.09毫米，然而实际操作中，冲裁端面的光亮区域占比高达70%至80%，表明此间隙过小。为此，我们逐步减小凸模尺寸，并通过试验确定，合理的单面冲裁间隙应为0.2毫米（料厚为25毫米）。此外，由于废料切刀处的修边顺序不一，导致产生了较大的塌角现象（见图L1）。通过降低刃口的高度差异，刃具的锋利度得到了一定程度的提升。对于质地柔软且厚度较大的材料，为了完全消除塌角现象，建议在未来的模具设计中采用图12所示的废料切割刀型，这样更为适宜。
5结束语
经过对比分析和CAE计算得出的冲压工艺方案，在经过实际生产验证后，成功冲压出符合要求的制件，其尺寸精度和表面质量均满足设计标准（见图13）。这一整体边成形的构想，为类似制件的冲压方案制定提供了新的思路。铝合金材料的应用前景十分广阔，而对该材料首次接触的经验总结，将为后续项目的顺利进行提供宝贵的参考。
