1 铝合金冲压件回弹问题
某汽车铝合金冲压件尺寸合格率平均值只有55%左右，如图1所示，且尺寸波动较大，稳定性差，这主要是零件回弹造成的，如图2所示（单位：mm）。
图1 钢、铝合金冲压件尺寸合格率对比
图2 零件回弹
1.1 铝合金冲压件回弹原因
（1）铝合金材料特性：①弹性模量低，铝合金的弹性模量相对钢材较低，约为钢材的1/3，如表1所示，在冲压过程中更容易发生弹性变形，卸载后弹性恢复能力强，导致回弹量较大；②各向异性，铝合金在不同方向上的力学性能存在差异，如表2所示，这种各向异性使冲压件在变形过程中各部分的应力应变分布不均匀，产生较大的回弹。
表1 铝合金与钢材弹性模量对比
表2 铝合金不同方向各向异性数值对比
（2）零件形状与结构形状复杂：①汽车冲压件一般形状复杂，如经过深拉深、弯曲、翻边等多种变形工序的成形，在冲压过程中各部位的变形程度不同，应力分布复杂，回弹难以控制；②截面变化大：零件截面形状和尺寸的急剧变化会导致应力集中，在冲压后应力释放时易引起较大的回弹。
（3）冲压工艺参数：①压边力不足，压边力是控制铝合金材料在冲压过程中流动的重要参数，如果压边力不足，材料在拉深过程中容易起皱，同时也会导致回弹增大；②模具零件间隙不合理，间隙过大，材料在冲压过程中受到的约束减小，回弹增加；间隙过小，材料与模具零件之间的摩擦力增大，可能导致材料局部过度变形，也会引起较大回弹。
（4）模具设计与制造：①模具结构设计对铝合金冲压回弹有重要影响，如果模具的凸、凹模形状与零件最终形状不完全匹配，或模具的脱模机构设计不合理，都会导致冲压件在脱模过程中产生额外的变形，增大回弹量；②模具制造精度不高，如模具零件表面粗糙度大、尺寸精度差等，会导致铝合金材料在冲压过程中与模具零件的贴合性不好，局部应力不均匀，引起较大的回弹。
1.2 回弹解决措施
（1）优化材料选择与处理：选择合适材料，在满足汽车零部件性能要求的前提下，尽量选择弹性模量较高、各向异性差异小的铝合金材料，如一些经过特殊合金化处理的铝合金，可从根本上减小回弹的可能性。
（2）改进零件设计：①简化形状，在设计汽车铝合金冲压件时，应尽量简化零件的形状，避免过于复杂的结构和急剧的截面变化，如一些必须存在的复杂形状部位，可采用分段设计或增加过渡圆角等方式，减小应力集中，降低回弹风险；②合理设计加强筋，在零件上合理布置加强筋，可提高零件的刚性和抗变形能力，有效抑制回弹，加强筋的高度、厚度和间距根据零件的具体形状和受力情况进行优化设计。
（3）优化冲压工艺参数：①调整压边力，通过试验和模拟分析确定合适的压边力大小和分布，对于形状复杂、变形程度大的铝合金冲压件，可采用分区变压边力技术，在不同部位施加不同的压边力，使板材在冲压过程中均匀变形，减小回弹；②优化模具零件间隙，根据铝合金材料的厚度和性能，选择合理的模具零件间隙，一般铝合金冲压件的模具零件间隙应比钢材冲压件稍大，但具体数值需要通过试验确定。
（4）优化模具设计与制造：①优化模具零件型面，采用数值模拟技术对冲压过程进行模拟分析，根据模拟结果对模具零件型面进行优化设计，使其与零件的回弹变形趋势相匹配，通过对模具零件型面的补偿，减小零件的回弹量；②提高模具零件精度，提高模具制造精度，确保模具零件的尺寸精度、形状精度和表面粗糙度符合要求，采用高精度的加工设备和先进的加工工艺，如数控加工、电火花加工等，保证模具的质量。
2 铝合金冲压件开裂问题
铝合金强度高，延展性比传统钢材差，在冲压过程中易开裂，如图3所示，造成企业生产成本增加。
图3 铝合金冲压件开裂
2.1 开裂原因
铝合金材料的厚向异性指数r值低，如表3所示，抗减薄能力差。铝合金材料的延伸率比钢材小，钢材为42%~47%，铝合金为20%~23%，所以铝合金冲压件比钢材冲压件更容易产生开裂。
表3 铝合金与钢材r值及延伸率对比
2.2 解决开裂措施
工艺性要求零件造型圆角加大：凸模圆角R凸≥15 mm，凹模圆角R凹≥10 mm，内板拔模角度≥20°，外板拔模角度≥25°，大拔模角度利于优化拉深开裂，如图4所示。
图4 铝合金冲压件造型截面
铝合金CAE分析阶段冲压工艺开裂判定：一般铝合金CAE分析减薄率≤16%，如图5所示，翻边半径区域减薄率＜12%，最大不能超过14%。
图5 铝合金冲压件CAE减薄率及实物开裂状态
3 铝合金冲压件成形过程中铝屑问题
铝屑是铝合金冲压件成形的常见问题，如图6所示，制约生产效率，同时产生大量返修件。分析产生原因并制定解决措施，减小或消除铝屑对生产造成的影响。
图6 成形过程中产生铝屑
3.1 铝屑产生原因
铝合金硬度较低，剪切断面与刃口的摩擦，对剪切断面二次切削产生大量铝屑，如图7所示，而产生铝屑具有较强的粘黏性，在切削过程中刃口会频繁附着铝积屑瘤，造成铝屑堆积。
图7 铝屑产生机理
3.2 铝屑解决措施
常规措施：①上模修边镶件设计3 mm垂直刃口面，以上部分做2°倾角空开，上模修边镶件刃口倒R0.2 mm圆角，并进行钝化处理，如图8所示；②翻边/整形镶件采用PVD涂层，增加润滑，减少刮蹭料屑；③设置合理的修冲间隙（10%料厚）和翻边间隙（12%料厚）；④高频次的清擦抛光维护。
图8 修边模刃口结构
特殊措施：①铝合金质软，为减少压伤，压料板符形区宽度相对钢材小，翻边宽度推荐40 mm，整形宽度推荐50 mm，减少对零件表面的压伤；②提高零件冲裁速度，提升断面质量，减少料屑产生；③对于伺服压力机，降低回程速度，可以减少料屑飞溅；④对于内板件，适当喷涂润滑油，减少料屑飞溅；⑤针对修边/冲孔凸模，进行表面涂层（类金刚石薄膜）新技术应用（diamond like carbon，DLC），硬度大幅提升，同时降低了粗糙度，如图9所示。
图9 修边/冲孔凸模刃口DLC涂层处理
4 汽车铝合金冲压件冲击线问题
在冲压成形过程中，由于铝合金材质屈服强度为130~160 MPa，屈服强度低，材料与模具零件由成形开始前压紧时的静摩擦状态，转变为材料开始流动后的动摩擦状态，如图10所示，在凹模圆角处材料拉深并伴随加工硬化，产生冲击线，如图11所示（理论分析冲击线状态与零件实物冲击线状态一致）。
图10 铝合金冲压件冲击线形成过程
图11 铝合金冲压件冲击线
4.1 冲击线产生原因
（1）模具因素：①模具零件间隙过小，会使材料流动阻力增大，易产生冲击线；②模具零件表面粗糙度高、有损伤或磨损，会加剧与材料的摩擦，导致冲击线更明显。
（2）工艺参数：①冲压速度过快，冲击力过大且材料来不及均匀流动，会产生冲击线；②压边力过大，会限制材料的正常流动，使冲击线问题加重。
4.2 冲击线解决措施
优化零件结构，增大零件拔模角；合理设计模具结构和圆角半径；降低模具零件表面粗糙度，减缓模具零件型面与材料的摩擦；调整冲压工艺参数，降低冲压速度，合理控制压边力。
5 铝合金冲压件压合开裂问题
由于铝合金冲压件的材质韧性较差，在压合包边过程中受外力影响极易开裂，如图12所示，是成形过程中常见的质量缺陷。
图12 铝合金压合包边开裂
5.1 压合开裂原因
在压合包边过程中，翻边R角处是应力集中的区域，当翻边R角过小时，应力集中现象会更加严重，材料在该区域所受的应力急剧增大。如果材料的强度和韧性不足以承受这种集中应力，就容易在R角处产生裂纹，导致开裂。
在压合包边过程中，当滚压角度过大时，材料在短时间内受到的弯曲和拉伸应力急剧增加。如果材料的韧性和延展性不足，无法承受这种突然增大的应力，容易在包边处产生开裂。
5.2 压合开裂解决措施
铝合金冲压件翻边R角设为R2.0~R3.0 mm，避免R角处出现应力集中点，消除压合包边开裂问题。铝合金冲压件压合包边后圆角采用包边截面类似水滴形状，如图13所示，降低包边系数，消除包边开裂问题。铝合金一般包边后外圆角为R1.5~R2.5 mm，钢材一般为R0.9~R1 mm。
图13 压合包边后断面形状
每次压合角度不能过大，尽量采用滚边工艺，分多次辊压。翻边角度小于115°，分3次滚边，如图14所示，第1道工序从115°滚压至60°，第2道工序从60°滚压至30°，第3道工序从30°滚压至0°。当翻边角度为115°~135°时，需要增加一道滚边将翻边角度先翻至90°，即分4次滚边，如图15所示，第1道工序从135°滚压至90°，第2道工序从90°滚压至60°，第3道工序从60°滚压至30°，第4道工序从30°滚压至0°。
图14 翻边角度小于115°度压合包边工序
图15 翻边角度115°~135°压合包边工序
▍原文作者：杨庆波 王金彪 舒城 王建军 徐鹏
▍作者单位：中国第一汽车股份有限公司
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