汽車鋁合金覆蓋件輕量化溫成形技術(shù)關(guān)鍵問題

文/韓小強(qiáng)，戴明華，胡平，盈亮，趙坤民·大連理工大學(xué)汽車工程學(xué)院

汽車鋁合金覆蓋件輕量化溫成形技術(shù)關(guān)鍵問題

文/韓小強(qiáng)，戴明華，胡平，盈亮，趙坤民·大連理工大學(xué)汽車工程學(xué)院

安全、節(jié)能、環(huán)保的主題理念，對汽車產(chǎn)業(yè)界提出了輕量化發(fā)展的新要求。實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的主要途徑包括：優(yōu)化汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、縮小零部件尺寸、最大限度降低零部件的重量、采用鋁鎂合金、超高強(qiáng)度鋼板、復(fù)合材料等輕質(zhì)材料替代傳統(tǒng)鋼材。

技術(shù)背景

以奧迪（Audi）公司為代表的世界汽車制造商對鋁合金車身應(yīng)用的研究，高度體現(xiàn)了鋁合金車身應(yīng)用的可操作性和市場潛力。從1982年在AUDI100C3上使用鋁合金車門里板、車門框架到1994年進(jìn)行奧迪A8全鋁車身設(shè)計(jì)（見圖1），將車身重量降低到261kg，最終實(shí)現(xiàn)AUDIR8Spyder100%全鋁車身打造的目標(biāo)。鋁合金車身覆蓋件應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)20%～40%的減重效果，具有巨大的市場潛力。汽車鋁合金覆蓋件輕量化溫成形技術(shù)的開發(fā)是車身沖壓件制造研究的發(fā)展趨勢，該技術(shù)的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用將為企業(yè)帶來廣闊的發(fā)展前景和巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

溫成形制造工藝并不是一種新的加工方法。早在1946年，國外就開始使用該技術(shù)進(jìn)行圓筒件和盒形件的拉深研究。直到汽車輕量化的重要性凸顯之后，溫成形技術(shù)才逐漸得到重視和應(yīng)用。本文對鋁合金溫成形技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、工藝特點(diǎn)和發(fā)展方向進(jìn)行了深入解讀，圍繞鋁合金溫成形技術(shù)要點(diǎn)，介紹了汽車鋁合金溫成形技術(shù)的研究進(jìn)展及關(guān)鍵成形裝備技術(shù)。

鋁合金溫成形技術(shù)研究現(xiàn)狀

圖1 奧迪A8（ECB2010）輕質(zhì)金屬覆蓋件車身

溫成形技術(shù)在我國的研究起步晚，發(fā)展階段還停留在材料的高溫基礎(chǔ)性能研究上。大連理工大學(xué)胡平教授團(tuán)隊(duì)基于多年熱成形技術(shù)研究基礎(chǔ)，開展了鋁合金材料熱力性能研究。依靠自主開發(fā)的國內(nèi)首臺T-FLD溫?zé)岢尚螛O限設(shè)備（見圖2），進(jìn)行了鋁合金高溫成形性能研究。在獨(dú)立開發(fā)的沖壓件成形性仿真CAE軟件系統(tǒng)KMAS-HF模塊中，通過集成鋁合金熱力成形極限分析功能、鋁合金界面?zhèn)鲗?dǎo)系數(shù)和熱力性能等參數(shù)，有效實(shí)現(xiàn)溫成形技術(shù)的工藝優(yōu)化及最終產(chǎn)品性能分析，可部分代替實(shí)際試驗(yàn)研究，加快研究進(jìn)度，節(jié)省研發(fā)成本。

圖2 國內(nèi)首臺溫?zé)岢尚螛O限測試設(shè)備（T-FLD）及成形極限預(yù)測

國外溫成形技術(shù)已相對成熟。美國福特公司和伊朗德黑蘭大學(xué)對7075高強(qiáng)鋁合金的溫成形性能進(jìn)行了研究；荷蘭TNO工業(yè)技術(shù)研究所對1050、5754和6016三種牌號的鋁合金開展了高溫成形研究，并實(shí)現(xiàn)了較大深度的盒形件成形。此外，鋁合金的溫成形技術(shù)背后的應(yīng)用市場和效益，還引起了世界上眾多大型汽車企業(yè)的高度重視。目前國內(nèi)外研究重心主要集中到了以下幾種鋁合金上：包括5000系鋁合金AA5182、AA5754、AA5083；6000系鋁合金AA6111、AA6061；7000系高強(qiáng)鋁7075。

鋁合金溫成形工藝簡介

溫成形技術(shù)通過把鋁合金等輕質(zhì)金屬板材加熱到一定成形溫度（200～400℃），保證材料在該溫度下能獲得較好的延伸率（20%～25%），在模具內(nèi)進(jìn)行沖壓成形（含翻邊和包邊），從而獲得強(qiáng)度高、回彈小的輕質(zhì)金屬沖壓件，其工藝生產(chǎn)過程，如圖3所示。根據(jù)板料成形過程中溫度變化情況，溫成形可歸為等溫成形（B）和非等溫成形（A、C）兩類。等溫成形是指板料在成形過程中溫度基本恒定，從而實(shí)現(xiàn)成形的最佳狀態(tài)；而在非等溫成形中，板料溫度在跟模具接觸過程中發(fā)生變化。

圖3 鋁合金溫成形工藝過程

圖4 三種溫成形技術(shù)工藝路線

與傳統(tǒng)的冷成形相比較，高溫條件下鋁合金材料流動應(yīng)力減小。一方面可以提高斷后延伸率，改善成形性；另一方面可以改善常溫成形下鋁合金常見勒德斯線和橘皮現(xiàn)象，提高產(chǎn)品表面質(zhì)量。此外，溫成形技術(shù)能消除回彈影響，產(chǎn)品精度高，成形質(zhì)量好。由于不同覆蓋件的形狀不同，因而對成形性的要求也不同，覆蓋件形狀的復(fù)雜程度對模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也有很大影響。基于以上情況，溫成形技術(shù)出現(xiàn)了如下三種工藝方法（見圖4）。

其中A工藝?yán)昧虽X合金導(dǎo)熱快的特點(diǎn)，用接觸傳熱的方式對板料進(jìn)行升溫；B工藝則是比較理想的鋁合金溫成形工藝，雖然該工藝對5000系鋁合金的研究取得了較好的成形效果，然而成形后的產(chǎn)品具有強(qiáng)度低、抗凹性能差的缺點(diǎn)，及高溫模具設(shè)計(jì)制造及使用壽命等問題，生產(chǎn)成本較高；而工藝過程C則避免了模具加熱控溫這一難題，只需要添加一個中高溫加熱爐，就可以在傳統(tǒng)冷沖壓生產(chǎn)線上實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級，具有技術(shù)實(shí)現(xiàn)快捷，改造成本低的特點(diǎn)。該工藝技術(shù)是伯明翰大學(xué)的學(xué)者于2009年專門針對可熱處理強(qiáng)化的6000系和7000系鋁合金發(fā)明的，不僅可以實(shí)現(xiàn)鋁合金覆蓋件的有效成形，還能保證溫成形產(chǎn)品的強(qiáng)度和抗凹性能，滿足相關(guān)法規(guī)要求。

輕質(zhì)金屬的溫成形技術(shù)是繼高強(qiáng)度鋼熱成形技術(shù)之后的又一個新的發(fā)展方向，溫成形技術(shù)的工藝過程C與熱成形技術(shù)具有異曲同工之妙。高強(qiáng)度鋼熱沖壓技術(shù)在我國的應(yīng)用日漸成熟，為溫成形技術(shù)的拓展提供了前瞻性引導(dǎo)和技術(shù)依托。車身覆蓋件輕量化溫成形技術(shù)不僅可實(shí)現(xiàn)覆蓋件的有效成形，還可保證成形后產(chǎn)品具有足夠的強(qiáng)度、硬度機(jī)械特性、抗凹陷性和碰撞吸能特性。

汽車覆蓋件輕量化溫成形產(chǎn)業(yè)化技術(shù)的自主研發(fā)

6000系列鋁合金在520～530℃溫度下固溶熱處理后(T4態(tài))能獲得很好的延展性，而人工時效后（T6態(tài)）的強(qiáng)度又能得到顯著提升。利用T4態(tài)延展性好，高溫延伸率提高的特點(diǎn)，使板料在固溶熱處理之后，人工時效之前進(jìn)行高溫成形。為了保證溫成形產(chǎn)品具有足夠的成形深度、尺寸精度及良好的表面質(zhì)量，必須嚴(yán)格控制溫成形的各階段工藝。鋁合金的高熱導(dǎo)率、非鐵磁特質(zhì)，也對適應(yīng)自動化生產(chǎn)需求的傳送設(shè)備及成形工藝節(jié)拍控制提出了更高要求。依托高強(qiáng)度鋼板熱沖壓生產(chǎn)線的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，基于研究開發(fā)熱沖壓生產(chǎn)線的經(jīng)驗(yàn)積累和研究條件，大連理工大學(xué)胡平教授團(tuán)隊(duì)以非等溫成形工藝為技術(shù)路線，以6000系可熱處理強(qiáng)化鋁合金為重點(diǎn)，已開展了適應(yīng)于鋁合金覆蓋件溫成形沖壓小試生產(chǎn)線的自主研發(fā)工作。鋁合金覆蓋件溫成形技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化實(shí)現(xiàn)需要解決以下關(guān)鍵技術(shù)問題。

大尺寸覆蓋件加熱技術(shù)及成形潤滑條件

溫成形技術(shù)對鋁合金板材的加熱時間需要進(jìn)行嚴(yán)格控制。鋁合金導(dǎo)熱性能良好，升溫快，過長的加熱時間會導(dǎo)致晶粒粗化，影響塑性。且該技術(shù)的產(chǎn)品主要為發(fā)動機(jī)罩蓋、車門內(nèi)板等大型零部件，因此對爐體的結(jié)構(gòu)和爐子的加熱能力都有很高的要求，需要其能夠容納大尺寸坯料進(jìn)行大功率加熱，同時實(shí)現(xiàn)恒定的溫度控制。溫成形沖壓生產(chǎn)線要保證連續(xù)自動化運(yùn)轉(zhuǎn)，其加熱裝備需要實(shí)現(xiàn)板料的連續(xù)加熱并保證節(jié)拍可控的自動化進(jìn)出料功能，有足夠的加熱功率和定位精度。

與鋼相比，鋁合金的表面質(zhì)量控制是汽車覆蓋件應(yīng)用的一大難題。潤滑劑的使用有助于改善鋁合金板成形過程中的接觸摩擦，在提升成形性的同時實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品表面質(zhì)量的改善。常溫條件下，隨著沖頭行程的增加，摩擦系數(shù)呈現(xiàn)遞增的趨勢。在高溫條件下，隨著行程的增加，板料的彈性變形越困難，更易產(chǎn)生表面劃痕從而影響產(chǎn)品表面質(zhì)量。因而鋁合金溫成形必須保證高溫下良好的成形潤滑條件。

隔熱自動傳送技術(shù)

鋁合金的熱傳導(dǎo)率是鋼的4倍，在高溫鋁板轉(zhuǎn)移到?jīng)_壓模具的過程中，需要嚴(yán)格控制板料的轉(zhuǎn)移時間和降溫速率。一方面需要控制板料轉(zhuǎn)移過程中的淬火速率，避免T4態(tài)鋁合金析出β（Al9Fe2Si2）相粗大；另一方面，如果轉(zhuǎn)移時間不穩(wěn)定，會影響板料的最終成形溫度，從而影響成形性。與此同時，板料在轉(zhuǎn)移過程中應(yīng)盡量避免局部冷卻過快、板料溫度分布不均導(dǎo)致的材料性能軟化現(xiàn)象。

溫成形生產(chǎn)線中，由于板料在高溫狀態(tài)下極易變形等諸多因素，決定了上下料裝置應(yīng)采用隔熱、保溫、高速的抓拾器轉(zhuǎn)移設(shè)備，如圖5所示。抓拾器要考慮板料高溫狀態(tài)下的膨脹和變軟效應(yīng)，同時控制板料抓拾部位的局部溫降，并提供足夠的接觸點(diǎn)防止板料塌陷變形。輕質(zhì)金屬的非磁特性也對抓拾端提出了更高要求。采用復(fù)合運(yùn)動結(jié)構(gòu)的機(jī)械手臂和計(jì)算機(jī)交流變頻控制、液壓緩沖加電氣制動復(fù)合定位處理，以此實(shí)現(xiàn)高速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定定位和節(jié)拍同步可控。此外，上下料裝置還應(yīng)附帶溫度監(jiān)測裝置，如紅外測溫、探傷等，便于根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)中數(shù)據(jù)進(jìn)行工藝優(yōu)化、性能檢測、疲勞性能預(yù)測、工序故障自鎖等功能，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)閉環(huán)控制。

圖5 鋁合金溫成形小試生產(chǎn)線

高速壓機(jī)成形速率、壓力控制技術(shù)

研究表明，材料的斷后延伸率與溫度密切相關(guān)，且對應(yīng)變率也有很大的依賴性。溫度升高，斷后延伸率增加，當(dāng)應(yīng)變率超過一定值之后，溫度對斷后延伸率的影響不再明顯，反而呈現(xiàn)相反的規(guī)律。因此，在溫成形沖壓過程中需要保證沖壓速度的控制精確性，以獲取最佳成形性。此外，該技術(shù)需要對成形后的產(chǎn)品進(jìn)行保壓冷卻：一是快速冷卻，避免基體組織析出的β相（Al9Fe2Si2）長大，影響產(chǎn)品烘烤硬化性能；二是防止成形件在冷卻過程中發(fā)生熱變形，影響成形回彈，保證成形精度。

鋁合金覆蓋件溫成形技術(shù)對壓機(jī)速度、保壓壓力及控制精度有很高的要求。在板料非等溫成形過程中，需要嚴(yán)格控制沖頭速度和壓邊圈壓力。沖壓合模后對板料進(jìn)行保壓淬火處理，需要有效控制壓機(jī)的保壓壓力和保壓時間。針對鋁合金溫成形技術(shù)需開發(fā)氣壓控制系統(tǒng)，利用氮?dú)怏w積對溫度和壓力的敏感性對壓機(jī)壓力進(jìn)行反饋控制，如圖6所示。

沖裁-翻邊一體化模具設(shè)計(jì)制造

圖6 溫成形生產(chǎn)線氣壓控制系統(tǒng)

研究表明，高溫條件下，不僅鋁合金板材的成形性能夠得到提升，其翻邊、卷邊性能也相應(yīng)提升，因此可以考慮在板料合模之后、保壓之前添加半翻邊、半卷邊工序，利用鋁合金高溫流動性好的特點(diǎn)，完成翻邊、卷邊的部分甚至全部工作，以減少后續(xù)常溫翻邊、卷邊過程中變形量，避免破裂發(fā)生。因此，沖裁-翻邊一體化模具的設(shè)計(jì)與制造成為了非等溫溫成形技術(shù)的核心技術(shù)之一，典型鋁合金溫成形模具,如圖7所示。

汽車鋁合金覆蓋件溫成形數(shù)值仿真技術(shù)

圖7 典型鋁合金溫成形沖裁-翻邊模具

與傳統(tǒng)成形數(shù)值仿真不同，汽車鋁合金覆蓋件溫成形技術(shù)需要考慮熱邊界傳熱性能、熱邊界非線性摩擦系數(shù)等熱力性能參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)溫成形的熱-力耦合成形過程。目前國內(nèi)外應(yīng)用于熱-力耦合成形的軟件有ANSYS、DYNAFORM、ABAQUS、COMSOL等，可以實(shí)現(xiàn)溫成形過程的成形性預(yù)測分析、回彈精度預(yù)測等。然而鋁合金板材回彈量大，熱脹冷縮現(xiàn)象明顯，對覆蓋件成形模面工程中的熱收縮工藝補(bǔ)償預(yù)測要求高，只有通過熱力耦合仿真分析確定成形過程中的熱收縮工藝補(bǔ)償面料尺寸，才能定位沖裁、翻邊模具的相對位置來進(jìn)行一體化模具設(shè)計(jì)。

結(jié)束語

對于國內(nèi)汽車沖壓件制造企業(yè)及研究院所來說，溫成形生產(chǎn)的裝備技術(shù)研發(fā)并不成熟，相關(guān)應(yīng)用也比較局限，只有掌握新技術(shù)、新工藝，抓住汽車覆蓋件溫成形技術(shù)應(yīng)用先機(jī)，才有可能不斷擴(kuò)大市場空間，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率，也才能在激烈的汽車零部件生產(chǎn)制造領(lǐng)域立于不敗之地。