空調(diào)器導(dǎo)風(fēng)板用鋁合金異型材沖壓加工工藝

鄧贊輝 于冠超 熊傳林 吳俊斌 丘永坤

1.珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070；

2.珠海格力精密模具有限公司 廣東珠海 519070；

3.珠海格力智能裝備有限公司 廣東珠海 519070

1 引言

隨著人們生活水平的提高，美學(xué)的觀念漸入人心，消費(fèi)的目的不再只是單純的使用產(chǎn)品，產(chǎn)品的美學(xué)、檔次愈來愈重要，產(chǎn)品需要具有更深層的意涵[1]。在中高端產(chǎn)品上，基于鋁合金具有質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、易再生、良好的耐蝕性和加工性能及豐富的表面處理方法等特點(diǎn)，易滿足產(chǎn)品在形態(tài)、功能、色彩、表面機(jī)理等方面的需求，越來越多的鋁合金零件會(huì)逐步取代傳統(tǒng)注塑件。鋁合金型材與通過沖壓、鍛造等塑性變形方法得到的鋁材相比具有一些額外的優(yōu)點(diǎn)，型材在擠壓過程中受到三向壓應(yīng)力作用，其制品精度更高，表面質(zhì)量更好，被廣泛應(yīng)用在交通、建筑、軍需、家電等行業(yè)[2,3]。大多數(shù)鋁合金產(chǎn)品不是一步擠壓到位的，需要進(jìn)行二次加工，而在企業(yè)批量生產(chǎn)中，鋁合金產(chǎn)品的二次加工多以沖壓為主[4]。

由于鋁合金異型材結(jié)構(gòu)的特殊性，其沖壓過程與板料沖壓有不同的特點(diǎn)，板材可以直接沖壓加工，而型材沖壓加工前需對(duì)型材進(jìn)行銑削讓位，然后沖壓得到所需要的零件。關(guān)于鋁合金異型材的沖壓加工工藝，行業(yè)鮮有應(yīng)用，也尚無完整的報(bào)道，本文在研究用鋁合金異型材加工空調(diào)器導(dǎo)風(fēng)板的基礎(chǔ)上，對(duì)其沖壓加工工藝進(jìn)行了分析，并針對(duì)生產(chǎn)過程中遇到的關(guān)鍵問題提出了解決方案，掌握這類零件加工的特點(diǎn)并制訂合理的沖壓加工工藝，對(duì)于提高這類產(chǎn)品的質(zhì)量、降低產(chǎn)品成本、提高合格率具有十分重要的意義。

2 產(chǎn)品分析及工藝方案

某空調(diào)器鋁合金導(dǎo)風(fēng)板成形弧面的模型如圖1所示，其成形部分的尺寸為90 mm×40 mm×16 mm，整體外觀呈不規(guī)則球面。零件所用材料為6063-T5型材，其厚度為1.1 mm。采用Tescan MAR3場(chǎng)發(fā)射電子顯微鏡配帶的電子背散射衍射探頭對(duì)其表面形貌、晶粒取向進(jìn)行了表征，表征面與擠壓方向垂直，顯微組織如圖2所示，其平均晶粒尺寸約為53 μm，內(nèi)部有明顯動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為，有利于消除加工硬化、材料內(nèi)應(yīng)力，提高材料的加工性能。

根據(jù)空調(diào)器整體結(jié)構(gòu)的不同，鋁合金導(dǎo)風(fēng)板異型材的結(jié)構(gòu)也不一樣，但其加工工藝基本一致，鋁合金導(dǎo)風(fēng)板需要經(jīng)過立筋銑削、切邊、成形。鋁合金導(dǎo)風(fēng)板主要存在壓印、塌陷、起皺的缺陷，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的外觀。因此成形弧面較大的導(dǎo)風(fēng)板還需采用整形的手段，對(duì)于整形也無法改善的情況，經(jīng)過多次試模驗(yàn)證確定分布成形的方法能有效減少表面缺陷。

2.1 立筋銑削

立筋銑削是為了滿足后工序的加工，將多余的鋁余量銑削掉。擠壓型材增加立筋的原因主要有三點(diǎn)。第一，保證與面板裝配的美觀性，防止導(dǎo)風(fēng)板閉合時(shí)撞傷面板體。第二，增加立筋有利于鋁合金型材的擠壓，避免尖角與平臺(tái)直接接觸，使型材扭曲變形。第三，部分鋁合金導(dǎo)風(fēng)板弧度較小，為保證其剛度，中間需增加立筋。但增加立筋也帶來了一些負(fù)面影響，比如立筋處易出現(xiàn)明暗相間的暗紋，立筋銑削不平整、深度不合格導(dǎo)致后工序加工產(chǎn)生壓印、塌陷等。

2.1.1 立筋銑削設(shè)備及工作原理

立筋銑削設(shè)備為我司自主研發(fā)的GRZZ-1445專用銑削機(jī)，銑削機(jī)平臺(tái)由氣動(dòng)壓緊裝置、下支撐夾具、基座、左右驅(qū)動(dòng)電機(jī)組成。按加工流程，設(shè)備工作過程分為3個(gè)步驟，分別為上料壓緊、電機(jī)刀具銑削、松開取料。銑削時(shí)刀具由里向外移動(dòng)，刀具與立筋呈順時(shí)針方向運(yùn)轉(zhuǎn)，如圖3所示。刀具可通過程序控制其橫向、縱向、高度方向上的運(yùn)動(dòng)，每一條立筋銑削次數(shù)根據(jù)立筋高度而定，一般銑削一至三次。

2.1.2 立筋及其加工對(duì)零件的影響

（1）立筋處易產(chǎn)生擠壓暗紋

鋁合金型材擠壓暗紋是鋁合金擠壓行業(yè)比較棘手的問題。如果擠壓模具設(shè)計(jì)不合理，工藝控制不當(dāng)，增加立筋后噴涂會(huì)導(dǎo)致暗紋的產(chǎn)生，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的外觀。造成條紋明暗差別有兩種原因: 一種是物質(zhì)本身呈條紋狀色差，如粗晶帶、焊合暗紋等；另一種是相鄰部位粗糙度不一致對(duì)光的反射不同而造成的。主要解決方法有提高鋁棒質(zhì)量、選擇合適擠壓比、改進(jìn)模具結(jié)構(gòu)[6]。針對(duì)暗紋問題，批量生產(chǎn)中極不穩(wěn)定，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中除了兩側(cè)邊緣的立筋外，不建議在中間再增加立筋。

“規(guī)劃環(huán)評(píng)”及“礦區(qū)規(guī)劃環(huán)評(píng)”技術(shù)導(dǎo)則所推薦指標(biāo)體系對(duì)于西南礦區(qū)規(guī)劃環(huán)評(píng)指標(biāo)體系建立具有指導(dǎo)意義。通過對(duì)規(guī)劃類型、規(guī)劃層次以及涉及的區(qū)域或行業(yè)發(fā)展?fàn)顩r和生態(tài)環(huán)境狀況的分析，確定規(guī)劃的環(huán)境目標(biāo)和對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的篩選，見表1。

圖1 鋁合金導(dǎo)風(fēng)板成形弧面模型

圖2 6063-T5擠壓型材組織

圖3 立筋銑削示意圖

（2）立筋銑削平整度、深度的影響

由于銑削機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，在立筋銑削過程中，異型材截面形狀不規(guī)則，零件裝夾后與理想狀態(tài)存在一定偏差，容易產(chǎn)生變形。此外，加工過程零件震動(dòng)頻率高、振幅大，嚴(yán)重影響銑削產(chǎn)品的尺寸精度及表面粗糙度，導(dǎo)致銑削后的零件存在尺寸波動(dòng)[5]。立筋的平整度及深度會(huì)使后工序產(chǎn)生壓印、塌陷的現(xiàn)象。對(duì)于平整度與深度產(chǎn)生的問題可通過調(diào)試刀具銑削速度、夾具壓緊力、確定尺寸可波動(dòng)的具體范圍來加以改善。

圖4 立筋銑削高度對(duì)切邊的影響（a壓印，b平整，c塌陷）

圖5 成形極限圖[8]

2.2 沖壓切邊

立筋銑削后鋁合金導(dǎo)風(fēng)板采用模具沖壓切邊。切邊受立筋銑削質(zhì)量的影響，由于鋁合金較軟，當(dāng)立筋銑削過多時(shí)，模具沖切后零件表面會(huì)塌陷；當(dāng)立筋銑削后的厚度較基材厚時(shí)，沖切后會(huì)在零件外觀面形成一個(gè)壓痕，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的質(zhì)量。對(duì)于此類有塌陷、壓印的零件，需要高強(qiáng)度的打磨。此外由于立筋銑削的不穩(wěn)定性將導(dǎo)致零件表面塌陷、壓印的程度存在差異，給自動(dòng)化打磨帶來困難，而人工打磨一致性又差。對(duì)于切邊工序，經(jīng)過分析可以將下模設(shè)計(jì)為凹模，上模設(shè)計(jì)為凸模，這樣零件外觀面與下模始終緊密貼合，能有效限制加工過程中材料的流動(dòng)，使型材外表面受力均勻，避免塌陷、壓印的產(chǎn)生，此法用實(shí)驗(yàn)得到了驗(yàn)證。但此法給零件自動(dòng)化生產(chǎn)帶來困難，零件需翻轉(zhuǎn)過來再進(jìn)行下工序。

2.2.1 立筋銑削深度對(duì)切邊的影響

本文用實(shí)驗(yàn)確定了銑削深度對(duì)切邊的影響。實(shí)驗(yàn)所用鋁型材厚度為1.04 mm，立筋銑削后的厚度與型材分別相差0.3 mm、0.2 mm、0.1 mm、0 mm、-0.1 mm、-0.2 mm、-0.3 mm、-0.4 mm。由于設(shè)備的波動(dòng)，實(shí)際銑削后的厚度為1.30 mm、1.18 mm、1.10 mm、0.96 mm、0.90 mm、0.82 mm、0.71 mm、0.6 mm。對(duì)銑削后的型材進(jìn)行沖壓切邊。結(jié)果表明，立筋高于基材厚度時(shí)均有壓印產(chǎn)生，相差越大，壓印就越大。小于型材厚度的試樣，0.82 mm～1.0 mm之間的型材比較平整，當(dāng)型材厚度小于0.7 mm時(shí)有較大塌陷現(xiàn)象，如圖4所示。為了保證零件的質(zhì)量，型材切筋后的厚度最好控制在0.9～1.0倍材料厚度之間。

2.3 成形

成形是鋁合金導(dǎo)風(fēng)板加工中最重要的一道工序，對(duì)于成形較簡(jiǎn)單的零件，一次成形后用尼龍打磨尖角及成形弧面即可。對(duì)于大弧面成形的結(jié)構(gòu)，零件表面會(huì)產(chǎn)生起皺、壓印的現(xiàn)象。產(chǎn)生問題的原因有兩種。第一，超出6063鋁合金的起皺成形極限，此種問題需嚴(yán)格控制零件的結(jié)構(gòu)，將其控制在成形極限之內(nèi)；第二，塑性變形過程不能有效限制材料的流動(dòng)。避免第一類問題發(fā)生的方法是優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高模具加工精度，避免超出成形極限。對(duì)于第二類問題，需嚴(yán)格控制其弧面結(jié)構(gòu)，弧面大、曲率大的結(jié)構(gòu)成形時(shí)零件易懸空從而導(dǎo)致起皺，詳情見下文仿真分析。對(duì)于此類零件也并非全無辦法，經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)于弧面較大的零件，可對(duì)成形面再進(jìn)行沖壓整形，將起皺部分強(qiáng)行壓平，然后再進(jìn)行打磨。對(duì)于整形無法優(yōu)化的結(jié)構(gòu)，可采用分步成形的方法，即第一次成形小部分，第二次在第一次成形的基礎(chǔ)上再成形，依此類推，相當(dāng)于緩解了材料成形時(shí)的應(yīng)變速率，有利于零件的成形。此上述兩種方法已在我司部分產(chǎn)品上得到了驗(yàn)證，下面將分析分布成形與一次成形。

3 鋁合金導(dǎo)風(fēng)板加工數(shù)值模擬

3.1 成形極限圖

成形極限圖（FLD）是由一系列的極限應(yīng)變點(diǎn)構(gòu)成的，通常用于定量的評(píng)價(jià)板料在不同加載路徑下成形時(shí)的極限變形情況，它給出從單拉到雙拉各種應(yīng)變路徑下板料的極限主應(yīng)變。成形極限圖是評(píng)定和判斷板材成形性能最直接和最綜合的方法，它是評(píng)價(jià)板材成形性能好壞和解決板材沖壓?jiǎn)栴}的有效工具[7]。成形極限圖如圖5所示[8]，ε1表示主應(yīng)變，ε2代表次應(yīng)變。板材在成形過程中一般存在兩種成形極限，破裂和起皺。起皺主要是拉-壓和壓-壓兩種應(yīng)力狀態(tài)作用的結(jié)果，可通過優(yōu)化工藝、增加壓邊力解決，但壓邊力過大會(huì)導(dǎo)致板料破裂，因此板料破裂失穩(wěn)成為最常見的失效形式[9]。

3.2 導(dǎo)風(fēng)板加工數(shù)值模擬

采用Autoform對(duì)導(dǎo)風(fēng)板沖壓成形仿真，其可顯示加載過程中各個(gè)時(shí)刻材料的變形狀態(tài)、回彈情況、成形極限圖等。鋁合金導(dǎo)風(fēng)板沖壓成形數(shù)值模擬分為三步：第一步是將板材加工成型材的形狀；第二步切邊；第三步成形。其中成形過程最為重要，工藝設(shè)計(jì)不當(dāng)常會(huì)出現(xiàn)起皺、塌陷的缺陷。

成形起皺過程分析如圖6所示，圖6中e、f起皺非常嚴(yán)重，原因是b、c、d過程中零件懸空，金屬流動(dòng)未受到有效的限制，導(dǎo)致起皺區(qū)域擠料。零件與模具接觸的演變過程如圖7所示，材料與模具接觸并非平滑過渡，起皺區(qū)域呈V字型閉合。綜上，導(dǎo)風(fēng)板在塑性變形過程中，型材處于徑向、環(huán)向受壓，中間懸空的復(fù)雜狀態(tài)，成形時(shí)未能有效限制材料的流動(dòng)，從而導(dǎo)致起皺的產(chǎn)生。仿真結(jié)果表明，起皺部分集中在零件下半部分，上半部分成形時(shí)零件與模具平滑過渡，未出現(xiàn)起皺現(xiàn)象，其與模具實(shí)際加工的結(jié)果吻合，采用分布成形法能有效改善起皺現(xiàn)象。一次成形與分布成形得到的零件對(duì)比如圖8所示，一次成形有較大起皺（如圖8中圈起部分），而分布成形的零件起皺現(xiàn)象明顯改善。

4 結(jié)論

根據(jù)鋁合金導(dǎo)風(fēng)板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和技術(shù)要求，采用實(shí)際加工與仿真技術(shù)相結(jié)合的方法，對(duì)關(guān)鍵工藝過程及生產(chǎn)問題進(jìn)行了全面的分析，提出了一套完整的鋁合金異型材導(dǎo)風(fēng)板加工工藝方案。在實(shí)際生產(chǎn)過程中應(yīng)重點(diǎn)注意以下幾點(diǎn)：

（1）型材除了兩側(cè)增加立筋外，盡量避免在型材中間增加立筋，防止暗紋的產(chǎn)生；立筋銑削深度應(yīng)控制在0.9～1.0倍材料厚度，防止后工序產(chǎn)生壓印、塌陷。

（2）對(duì)于外觀面要求極高的導(dǎo)風(fēng)板，模具設(shè)計(jì)時(shí)切邊工序應(yīng)將零件外觀面朝下放置在下模，防止切邊處塌陷。

（3）對(duì)于成形弧度較大的零件，成形后可采用整形的手段減輕起皺、壓印的缺陷。對(duì)于整形也無法滿足外觀要求的可采用分布成形的方法避免缺陷的產(chǎn)生。

圖6 起皺過程圖

圖7 零件與模具接觸過程圖

圖8 大弧面導(dǎo)風(fēng)板一次成形與分布成形對(duì)比

從近幾年的開發(fā)及應(yīng)用情況來看，此加工工藝對(duì)保證鋁型材導(dǎo)風(fēng)板的正常生產(chǎn)，提高產(chǎn)品的合格率具有重要的指導(dǎo)意義。