空调热交换器铝翅片冲压开裂的分析研究及改进措施

1 翅片冲制成型方式

早期翅片成型一般采用深冲型，后来为了适应铝箔减薄化出现了变薄拉伸型。为了适应逐步提高的深冲成型要求，各模具厂家相互促进，逐步出现了 ECO 型( 改进后的深冲型) 、DOF 型( 深冲与变薄拉伸相结合型)，目前空调两器厂家采用的主流成型方式就是 ECO 型和 DOF 型。

两种成型方式的工艺路线如图 1 所示。

2 冲制过程中受力及变形分析

翅片在冲制过程中，不同部位受到相应的挤压力而发生相应的变形，最终成为模具冲制出来的翅片形状。为了研究翅片在冲制过程中的受力及变形情况，如图 2a 所示对冲床凸模和凹模在冲制翅片时受力情况进行分析，凸模和凹模的法兰区域，铝箔受到径向的拉应力和切向的压应力，相应应力下分别产生伸长和压缩变形，铝箔厚度增大时在法兰区外缘厚度增大。在凹模的弯角处，铝箔受到径向拉伸应力，同时发生塑性弯曲，铝箔厚度减小。铝箔经过凹模弯角后，产生反向弯曲，弯角侧壁受轴向拉伸，成为应力传送区，弯角底部受双向拉伸。在凸模弯角处，铝箔产生塑性弯曲和径向拉伸，此部位在拉伸过程中铝箔变薄最剧烈，可能发生缩颈，如果径向拉应力大于铝箔的屈服强度，便会在此处产生拉裂，且在靠近凸模底部的一侧可能性较大。图 2b 显示了铝箔翅片在变薄拉伸时的变形情况，变形时铝箔内外表面的摩擦力具有不同的方向，外表面摩擦力使已经变薄部位侧壁的拉应力增加，而内表面摩擦力使已经变薄部位侧壁的拉应力减小，从而促使变薄拉伸获得较大的变形。

对冲制好的翅片( 0． 097 mm 厚度 8011-H24 铝合金及状态) 沿孔径剖开，镶嵌试样后放在金相显微镜下观测并测量，如图 3 所示。

通过测量得出在翻边变形量达到最大( 达到 28． 93% 至 32． 36% ) 时，变形量较大，受力较复杂造成凸模弯角处即翻边部位发生缩颈，是翻边处在冲制时易出现裂边的主要原因。如果同等条件不变的情况下，提升铝箔的屈服强度，在冲制发生变形时，凸模弯角处发生变形时应力低于铝箔的屈服强度，则不会发生缩颈，就不会发生翻边时造成的开裂问题。

3 改善铝箔性能的试验方案

经过上述分析，针对供给某企业 0． 097 mm 厚度 8011A-H24 铝合金箔反馈的规格 FPI18 翅片翻边开裂问题，对铝箔生产工艺改进以求改

善铝箔的性能，试验方案是改进退火热处理工艺来改善铝箔性能，从而解决翅片冲孔翻边开裂问题。

3． 1 试验铝箔合金成分

对 8011A 铝合金箔的生产工艺进行改进，该合金成分见表 1。

3． 2 生产工艺路线

将现有工艺路线中的成品一次退火，变更为在箔轧前进行一次均匀化退火，在箔轧后进行成品退火，如图 4 所示。

3． 3 工艺改进结果讨论

本试验中通过增加中间退火改善了铝合金箔的综合性能，检测结果见表 2。增加中间退火以后铝箔的抗拉强度、伸长率及杯突值变化不大，均符合预期要求，但是屈服强度得到较大的提高，屈强由原来78.7% 提升至 96% ，改进工艺前后铝箔拉伸曲线如图 5。从拉伸曲线图可以看出，仅进行成品退火时在铝箔拉伸过程中曲线比较平滑，没有明显显的屈服拐点，这意味着在铝箔变形过程中各向异性较大，屈服程度不同，在发生变形时各个方向发生缩颈变形的时机不同，冲制过程中表现为开裂。而改进工艺后，铝箔拉伸曲线显示有明显的屈服拐点，屈服强度得到较大提升，由此推断在铝箔翅片冲制过程中可以弥补改进前铝箔存在的开裂风险。 对于 8011A 铝合金空调箔，通过控制合金再结晶和第二相的大小、分布可以改善合金的强度和塑性。通过位错堆积模型可知，促成临近晶粒位错开动时晶界上的应力大小与位错堆积群的大小是成比例的 如果一个比较长的堆积距离可以通过一个较小的应力作用达到发生移动，而在堆积距离较短时，则需要较大的应力才能达到同样的效 果。HallPeach 方程定量的描述了晶粒尺寸与合金强度的关系 σ* = σ0 + kd1/2，其中 σ0表示阻止位错移动的摩擦力，k 表示相邻晶粒位相差对位错移动的影响系数。从式中可看出，晶粒越细小，材料强度就越高，当流变发生后，在较高的应力作用下，会有大量的晶粒一起参与塑性变形，变形协调性得到提高，宏观表现为发生较大变形而不开裂。此外，第二相的存在具有两面性，粗细不均的第二相会增加变形的不均匀性，参考文献: 变形过程中产生附加应力，造成材料塑性下降，但是如果第二相是呈弥散分布的细小质点，就会对位错起钉扎作用，即阻碍位错的滑移，且质点越细小，金属得到强化的程度越高，金属发生变形时的均匀性和协调性得到提高，改善其塑性。 铝合金箔在轧制过程中，晶粒会发生拉长，形成纤维状组织，同时产生加工硬化，退火时随着温度的升高，会发生回复与再结晶。而只进行成品退火时，合金组织是变形的纤维组织基体上有再结晶晶核及再结晶晶粒存在; 而增加中间退火后，由于铝合金箔冷轧的总压下量减小，纤维组织拉长程度及加工硬化程度较小，回复再结晶所需能量减小，成品退火后内部组织由变形纤维组织和大量的细小、均匀分布的再结晶晶粒及第二相质点组成，使铝合金箔的综合性能得到改善。 经过试验，改进工艺后铝合金箔在该用户冲床进行试冲，其冲制结果如表 3 所示。 4 结 论 1）在铝合金箔翅片冲制过程中，凸模底部翻边部位变形量较大，对铝合金箔的屈服强度要求较高，确保铝合金箔性能有较大的屈强比，则可增加铝合金箔冲制过程中对模具的适应性，冲制出较好的翅片。 2) 在铝合金箔生产工艺中，在冷轧与箔轧工序之间增加中间退火，铝合金箔的屈服强度可以得到较大提升，其屈强比可达到 96% ，可大大改善高铝合金箔深冲成型性能。