【摘要】描述了铝合金板冲裁工艺的研究现状。列举了汽车覆盖件模具调试过程中常见的毛刺形式；对毛刺形成机理进行阐述，分析了毛刺产生的原因。根据汽车覆盖件生产特点确定关键工艺参数，建立铝合金板冲裁工艺过程的有限元模型。通过设计正交试验确定了影响毛刺高度的显著性因素。分析了单工艺参数下对毛刺高度的影响情况。为铝合金汽车覆盖件模具的生产和调试解决毛刺问题提供了理论依据。
关键词：毛刺；铝合金汽车覆盖件；正交试验；显著性；理论依据
中图分类号：TG385.2 文献标识码：B
1引言
汽车轻量化是汽车工业发展的重要方向，轻量化材料的应用已经成为汽车工业轻量化设计的重要手段。由于具有比重小、耐腐蚀、比刚度高及散热性好等优点，铝合金成为汽车工业关注的轻量化材料，目前应用较多的为2000系、5000系、6000系、7000系[1~3]。铝合金材料由于其自身的材料特性，使得其成形特点及工艺参数与钢板差异较大。其中冲裁工艺例如：修边、落料、冲孔，是汽车覆盖件成形工艺中的重要工艺过程，目前学者以垂直修边为研究对象在凸模剪切力、剪切过程机理、压料力、凸凹模间隙方面进行了大量研究[4]。研究的关键在于冲裁后毛刺质量的控制及剪切断面的质量方面。在汽车覆盖件模具设计行业，对于薄铝板冲裁的断面质量没有过多要求，冲裁质量的关注点在于毛刺的尺寸及产生的方向。毛刺产生于修边或冲孔工艺过程，毛刺经常会伴随着生产过程的进行流转到下游工序，甚至最终产品上；毛刺的产生及流转严重影响产品的外观质量及操作人员的安全。因此，研究冲裁过程毛刺产生的原因及其影响因素，对于提高制件质量及安全生产显得尤为重要。
2毛刺形成机理
板料的冲裁过程从凸模接触板料开始根据材料的变形和破坏机理分为3个过程，如图1所示，弹性变形阶段、塑性变形阶段和断裂分离阶段。弹性变形阶段，板料在凸模的压力下产生微小的弯曲变形；随着凸模的下行，刃口处材料应力首先达到材料的屈服强度，在凸凹模刃口间隙间形成塑性变形区域。随着凸模的下行，刃口附近材料出现初始裂纹，随着裂纹的扩展及凸凹模刃口产生裂纹的合并，最终韧性断裂，剪切过程完成。毛刺产生于材料塑形变形阶段的后期，凸模和凹模的刃口切入一定深度后，刃口正面材料被压缩，刃尖部分为高净水压力状态，使裂纹的起点不在刃口尖部发生如图2所示，而是在距离刃尖不远的模具侧面产生，在拉应力的作用下裂纹加长，材料断裂而产生毛刺。
3毛刺现状
模具调试过程中毛刺经常出现于修边、修边接刀、废料刀、冲孔等位置，如图3所示。板料剪切断面及毛刺的高度定义如图4所示。毛刺产生于冲裁过程的断裂分离阶段，由于凸凹模刃口间隙的存在，导致裂纹在拉应力作用下的扩展不在一条直线上，在材料断裂分离的末端形成毛刺，汽车覆盖件冲裁中，毛刺的产生是不可避免的。同时，板料的冲裁过程中的断裂分离阶段受到材料本身的性能参数、凸凹模刃口间隙、刃口几何形状、润滑条件、剪切线曲率、温度、压料力、剪切角度等多方面因素的影响。
4关键因素影响显著性研究
4.1材料断裂准则及模拟方法
金属材料冲裁过程的模拟关键在于材料断裂准则的选择和有限元网格断裂的处理方式。国内外学者对材料断裂准则及有限元网格断裂的处理方式进行了大量研究，研究表明采用Cockroft&Latham模型（公式1），配合以有限元网格的单元删除法可以准确的模拟金属材料的冲裁过程[5~6]。
4.2实验模型建立及结果分析
根据汽车覆盖件模具设计、加工、调试及量产特点，定义以下关键工艺参数作为研究对象：冲裁方向与制件表面法向夹角α，凸凹模间隙D，凸模刃口处圆角R凸，凹模刃口圆角R凹，设计如图5所示模型，其中T=1mm，材料选取Al-5083。综合考虑研究效率及因素水平变化覆盖情况，采用正交试验方法研究工艺参数对毛刺高度的影响情况。设计L9（3，4）正交试验，正交试验因素与水平如表1所示，设计正交试验L9（3，4）如表2所示。实验结果如图6及表2所示，对结果数据进行极差分析（见表3），影响毛刺高度的显著性顺序为：冲裁方向与制件表面法向夹角α（修边角度），凸凹模间隙D，凹模刃口圆角R凹，凸模刃口处圆角R凸。
5单因素影响研究
汽车覆盖件模具对修边（或冲孔）刃口间隙的要求根据材料厚度及性能的差异取3%~10%材料厚度；修边方向与制件表面法向夹角α一般控制在30°~-15°。同时，由于模具刃口的磨损在凸、凹刃口处会产生圆角，对刃口磨损采取补焊后修刃口，以便得到控制毛刺在合理的范围内。根据此特点，确定冲裁方向与制件表面法向夹角α及凸凹模间隙D为单因素影响研究对象。
5.1冲裁方向与制件表面法向夹角影响研究
固定其它3个因素：凸、凹模间隙分别取D=3%T、D=5%T、D=8%T（其中T=1mm），凹模刃口圆角R凹=0，凸模刃口处圆角R凸=0。冲裁方向与制件表面法向夹角α（修边角度）按照表4进行取值。分析结果如图7所示，可见冲裁方向与制件表面法向夹角α对毛刺高度的影响呈现阶段性分布，并且刃口间隙越大，冲裁方向与制件表面法向夹角α对毛刺高度的影响越显著。
5.2凸凹模间隙D影响研究
固定其它3个因素：冲裁方向与制件表面法向夹角分别取α=5°、α=0°、α=-5°；凹模刃口圆角R凹=0，凸模刃口处圆角R凸=0。凸凹模间隙按照表5进行取值（其中料厚t=1mm）。分析结果如图8所示，可见对于不同的冲裁方向与制件表面法向夹角，凸、凹模刃口间隙对毛刺高度的影响呈现不同规律，不同的冲裁方向与制件表面法向夹角下最小毛刺高度对应的凸、凹模间隙不同；α=0°时毛刺高度对凸、凹模刃口间隙敏感度较高。
6总结
根据汽车覆盖件模具设计、加工、调试及量产特点，确定研究的关键工艺参数；通过正交试验确定了工艺参数对毛刺高度影响的显著性顺序；并且通过单因素分析，研究了主要工艺参数对毛刺高度的影响。为铝合金汽车覆盖件模具的生产和调试解决毛刺问题提供了理论依据。
参考文献
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[4]SomnathGhosh，AniruddhaKhadke.NumericalSimulationsandDesignofShearingProcessforAluminumAlloys[J].JournalofManufacturingScienceandEngineering，2005，（127）：612~621
[5]郭蕾，黄珍媛等．基于数值模拟的薄板冲裁过程应力分析[J]．冲压，2006，（6），59~60
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作者：蒋松 喻航 单位：四川成飞集成科技股份有限公司
