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，易滿足產(chǎn)品在形態(tài)、功能、色彩、表面機理等方面的需求，越來越多的鋁合金零件會逐步取代傳統(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，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，板材可以直接沖壓加工，而型材沖壓加工前需對型材進行銑削讓位，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，對其沖壓加工工藝進行了分析，并針對生產(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并制訂合理的沖壓加工工藝，對于提高這類產(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場發(fā)射電子顯微鏡配帶的電子背散射衍射探頭對其表面形貌、晶粒取向進行了表征，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，對于整形也無法改善的情況，經(jīng)過多次試模驗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。第一，保證與面板裝配的美觀性，防止導(dǎo)風(fēng)板閉合時撞傷面板體。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，銑削機平臺由氣動壓緊裝置、下支撐夾具、基座、左右驅(qū)動電機組成。按加工流程，設(shè)備工作過程分為3個步驟，分別為上料壓緊、電機刀具銑削、松開取料。銑削時刀具由里向外移動，刀具與立筋呈順時針方向運轉(zhuǎn)，如圖3所示。刀具可通過程序控制其橫向、縱向、高度方向上的運動，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)計不合理，工藝控制不當(dāng)，增加立筋后噴涂會導(dǎo)致暗紋的產(chǎn)生，嚴重影響產(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、改進模具結(jié)構(gòu)[6]。針對暗紋問題，批量生產(chǎn)中極不穩(wěn)定，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中除了兩側(cè)邊緣的立筋外，不建議在中間再增加立筋。

“規(guī)劃環(huán)評”及“礦區(qū)規(guī)劃環(huán)評”技術(shù)導(dǎo)則所推薦指標體系對于西南礦區(qū)規(guī)劃環(huán)評指標體系建立具有指導(dǎo)意義。通過對規(guī)劃類型、規(guī)劃層次以及涉及的區(qū)域或行業(yè)發(fā)展狀況和生態(tài)環(huán)境狀況的分析，確定規(guī)劃的環(huán)境目標和對評價指標的篩選，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

由于銑削機的設(shè)計特點，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，加工過程零件震動頻率高、振幅大，嚴重影響銑削產(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[5]。立筋的平整度及深度會使后工序產(chǎn)生壓印、塌陷的現(xiàn)象。對于平整度與深度產(chǎn)生的問題可通過調(diào)試刀具銑削速度、夾具壓緊力、確定尺寸可波動的具體范圍來加以改善。

圖4 立筋銑削高度對切邊的影響（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，模具沖切后零件表面會塌陷；當(dāng)立筋銑削后的厚度較基材厚時，沖切后會在零件外觀面形成一個壓痕，嚴重影響產(chǎn)品的質(zhì)量。對于此類有塌陷、壓印的零件，需要高強度的打磨。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，給自動化打磨帶來困難，而人工打磨一致性又差。對于切邊工序，經(jīng)過分析可以將下模設(shè)計為凹模，上模設(shè)計為凸模，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，使型材外表面受力均勻，避免塌陷、壓印的產(chǎn)生，此法用實驗得到了驗證。但此法給零件自動化生產(chǎn)帶來困難，零件需翻轉(zhuǎn)過來再進行下工序。

2.2.1 立筋銑削深度對切邊的影響

本文用實驗確定了銑削深度對切邊的影響。實驗所用鋁型材厚度為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，實際銑削后的厚度為1.30 mm、1.18 mm、1.10 mm、0.96 mm、0.90 mm、0.82 mm、0.71 mm、0.6 mm。對銑削后的型材進行沖壓切邊。結(jié)果表明，立筋高于基材厚度時均有壓印產(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，對于成形較簡單的零件，一次成形后用尼龍打磨尖角及成形弧面即可。對于大弧面成形的結(jié)構(gòu)，零件表面會產(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。避免第一類問題發(fā)生的方法是優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高模具加工精度，避免超出成形極限。對于第二類問題，需嚴格控制其弧面結(jié)構(gòu)，弧面大、曲率大的結(jié)構(gòu)成形時零件易懸空從而導(dǎo)致起皺，詳情見下文仿真分析。對于此類零件也并非全無辦法，經(jīng)過大量實驗驗證，對于弧面較大的零件，可對成形面再進行沖壓整形，將起皺部分強行壓平，然后再進行打磨。對于整形無法優(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)變點構(gòu)成的，通常用于定量的評價板料在不同加載路徑下成形時的極限變形情況，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。成形極限圖是評定和判斷板材成形性能最直接和最綜合的方法，它是評價板材成形性能好壞和解決板材沖壓問題的有效工具[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對導(dǎo)風(fēng)板沖壓成形仿真，其可顯示加載過程中各個時刻材料的變形狀態(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)計不當(dāng)常會出現(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起皺非常嚴重，原因是b、c、d過程中零件懸空，金屬流動未受到有效的限制，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)，成形時未能有效限制材料的流動，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，上半部分成形時零件與模具平滑過渡，未出現(xiàn)起皺現(xiàn)象，其與模具實際加工的結(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)特點和技術(shù)要求，采用實際加工與仿真技術(shù)相結(jié)合的方法，對關(guān)鍵工藝過程及生產(chǎn)問題進行了全面的分析，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。在實際生產(chǎn)過程中應(yīng)重點注意以下幾點：

（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）對于外觀面要求極高的導(dǎo)風(fēng)板，模具設(shè)計時切邊工序應(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比

從近幾年的開發(fā)及應(yīng)用情況來看，此加工工藝對保證鋁型材導(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。