汽車用鎂合金沖壓件的應(yīng)用與發(fā)展（上）

文/付傳鋒·中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司 胡亞民·重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院

汽車用鎂合金沖壓件的應(yīng)用與發(fā)展（上）

文/付傳鋒·中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司 胡亞民·重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院

由于鎂合金是密排六方晶格，塑性很差，因而鎂合金的沖壓工藝與其他常用材料的沖壓工藝相比，難度較大，這是阻礙鎂合金板材廣泛應(yīng)用的重要原因之一。不少研究人員在鎂合金板材變形行為方面已進(jìn)行了一定的研究，建立了鎂合金變形過程中材料的化學(xué)成分、組織等因素決定材料性能與沖壓成形之間的關(guān)系，也開發(fā)了少量鎂合金沖壓成形件，但還不夠普及，缺乏系統(tǒng)性。

十多年前的情況

十多年前我在重慶工學(xué)院就讀本科時(shí)跟胡亞民老師一起研究鎂合金的等溫成形，我們成功研制出鎂合金電動(dòng)螺絲刀刀柄的擠壓件及其成形工藝，螺絲刀刀柄的等溫?cái)D壓成形件如圖1所示。2004年，化學(xué)工業(yè)出版社同時(shí)出版了湖南大學(xué)陳振華老師的《鎂合金》和重慶理工大學(xué)張津老師的《鎂合金及應(yīng)用》。在《鎂合金及應(yīng)用》的前言里，提到該書的校對(duì)由重慶工學(xué)院胡亞民教授完成，胡老師在該書上花了不少心血。2005年，化學(xué)工業(yè)出版社又出版了陳振華的《變形鎂合金》。在這幾本書里，著重介紹了鎂合金廣闊的應(yīng)用前景。

沖壓是指利用金屬的塑性，通過沖壓模具和相應(yīng)的沖壓設(shè)備對(duì)固態(tài)的金屬板材施壓，獲得所要求形狀和尺寸的零件加工方法。鎂合金產(chǎn)品主要是鑄件，由于其塑性差，產(chǎn)品尺寸有限，成品率很低，限制了鎂合金的應(yīng)用范圍。雖然鎂合金沖壓成形研究已取得了一定的進(jìn)展，但還缺乏系統(tǒng)性，這也給鎂合金板材在工業(yè)中的廣泛應(yīng)用造成一定的困難。

差溫拉深（圖2）是利用坯料法蘭部分與凸模圓角部分的溫度差，以改變坯料法蘭部分的屈服強(qiáng)度與凸模圓角部分坯料的抗拉強(qiáng)度之比，從而提高拉深極限比的一種方法。這種方法的原理是否正確，人們有不同的看法，國(guó)內(nèi)尚未見有關(guān)生產(chǎn)方面的報(bào)導(dǎo)。因而，采用時(shí)必須考慮有關(guān)技術(shù)參數(shù)的合理選用，否則會(huì)走入歧途。鎂合金沖壓件產(chǎn)品，如0.3mm厚的手機(jī)殼、杯形件、半球形件。

圖1 鎂合金電動(dòng)螺絲刀刀柄等溫?cái)D壓成形件

圖2 差溫拉深模具示意圖

然而，在這過去的十多年內(nèi)，人們見得比較多的是鎂合金等溫模鍛件或等溫?cái)D壓件的科研和開發(fā)產(chǎn)品。而對(duì)于鎂合金沖壓成形件產(chǎn)品開發(fā)介紹較少，在汽車上的應(yīng)用和實(shí)踐也是鳳毛鱗角。

鎂合金板料成形工藝有彎板成形（如圖3）、拉深成形、無模成形（如圖4）。無模成形也有人稱之為橡膠墊成形，只用一個(gè)成形墊塊，相當(dāng)于凹模，不需要制作復(fù)雜的模具，非常簡(jiǎn)單。

圖3 鎂合金彎板成形

圖4 無模成形（橡膠墊成形）

現(xiàn)在的情況

盡管鎂合金的鑄造成本和鋁相差不多，但是由于鎂合金在常溫下成形差，需要在一定溫度下成形，增加了模具加工成本。此外，進(jìn)行特殊的防腐處理也增加了成本。因而，鎂合金在汽車工業(yè)領(lǐng)域缺乏大規(guī)模的應(yīng)用。由于高昂的研發(fā)成本，導(dǎo)致鎂合金成形件現(xiàn)階段的價(jià)格較高。

現(xiàn)在研究鎂合金的液態(tài)模鍛和擠壓的人越來越多，不少大學(xué)取得了可喜的成果并發(fā)表了相關(guān)論文。開發(fā)得最好的產(chǎn)品是汽車用輪轂。雖然鎂合金已被應(yīng)用到部分車身零件上，但都是壓鑄鎂合金零件，真正開發(fā)成功的汽車沖壓件很少。變形鎂合金板應(yīng)用于門蓋零件上，由于成形工藝、耐腐蝕性等問題都沒有有效解決，還處于樣件試制階段。

目前，對(duì)鎂合金板材在汽車外覆蓋件上應(yīng)用研究的進(jìn)展不及在覆蓋件內(nèi)板上的進(jìn)展，主要因?yàn)槠囓嚿硗飧采w件的品質(zhì)要求高。外覆蓋件在整車行駛時(shí)可能要受到外界砂石或堅(jiān)固物體的撞擊，破壞撞擊區(qū)域的油漆涂層，可能會(huì)使金屬基體外露。鎂合金板材一旦發(fā)生外露，很快會(huì)發(fā)生銹蝕、腐蝕，不但影響美觀，甚至導(dǎo)致功能失效。而目前根據(jù)現(xiàn)有工藝制造的鎂合金板材件，其外觀質(zhì)量不及鋁合金或鋼。

另外，用鎂合金板材制作汽車外覆蓋件，也不適應(yīng)現(xiàn)有的車身內(nèi)外板連接工藝。由于鎂合金在常溫下成形性能差，在常溫下包邊，會(huì)產(chǎn)生裂紋。為了得到較好的表面品質(zhì)，包邊也必須在對(duì)零件加熱到合適的溫度才能進(jìn)行。在270～280℃下進(jìn)行內(nèi)外板包邊，避免了零件外表面產(chǎn)生塑性變形或裂紋，但工業(yè)化生產(chǎn)中還必須克服一些工藝?yán)щy。

鎂具有較高的還原電勢(shì)，使它非常容易與其他金屬材料發(fā)生電化學(xué)腐蝕。當(dāng)鎂合金和汽車常用結(jié)構(gòu)材料，如鋁合金或者鋼零件直接接觸時(shí)會(huì)發(fā)生電化學(xué)腐蝕反應(yīng)。為了避免發(fā)生腐蝕，需要進(jìn)行相關(guān)防腐處理，將其與其他零件隔絕，還要保持環(huán)境干燥。

目前鎂合金零件的沖壓成形工藝主要是中溫沖壓成形和超塑性成形。由于鎂合金具有密排六方晶體結(jié)構(gòu)，與鋁、銅等具有面心立方結(jié)構(gòu)的金屬相比較而言，對(duì)稱性較低，一般在150℃以上的合適溫度下進(jìn)行熱沖壓成形。

在175℃時(shí)，鎂合金杯形件拉深的拉深比可達(dá)2.0，在225℃時(shí)甚至可達(dá)3.0，超過室溫下鋼板的拉深比2.2和鋁板的拉深比2.6。此外，很多變形鎂合金在一定條件下具有超塑性，可以一次成形復(fù)雜的零件。

相關(guān)文獻(xiàn)介紹了鎂合金拼焊板拉深成形盒形件的開發(fā)應(yīng)用研究情況，以及轎車鎂合金頂蓋前橫梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并用仿真模擬軟件分析了鋼頂蓋前橫梁和鎂合金頂蓋前橫梁的模態(tài)、強(qiáng)度、剛度及頂壓等性能。結(jié)果表明，鎂合金頂蓋前橫梁能達(dá)到鋼頂蓋前橫梁同等的剛度、強(qiáng)度，而且減重約40%。圖5為AZ60鎂合金汽車墊片，厚度為2mm。AZ60鎂合金具有較高的彈性，良好的塑性，可以沖裁加工。沖裁間隙很小，加大了模具的加工成本和加工難度。

一般情況下，沖孔件公差等級(jí)小于等于IT9級(jí)，沖裁件的經(jīng)濟(jì)公差等級(jí)小于等于IT14級(jí)，落料公差等級(jí)小于等于IT10級(jí)，而圖5中絕大部分尺寸屬于IT11級(jí)，尺寸精度要求較高，尤其是彎曲特征開口的尺寸、位置精度均要求特別高。

鎂合金汽車墊片成形模如圖6所示，條料由承料組件送進(jìn)模具內(nèi)，向前送進(jìn)，上模下行。第1個(gè)工位:兩個(gè)圓孔凸模完成沖孔，側(cè)刃凸模將條料切出臺(tái)階，條料向前送進(jìn)。第2個(gè)工位:沖3mm×12mm的方孔及2mm×22mm的搭邊孔，此時(shí)第1個(gè)工位完成其工序，條料向前送進(jìn)。第3個(gè)工位:沖兩個(gè)異形孔，此時(shí)第1個(gè)工位與第2個(gè)工位完成其工序，條料繼續(xù)向前送進(jìn)。第4個(gè)工位:空位，此時(shí)第1個(gè)工位、第2個(gè)工位及第3個(gè)工位完成其工序，條料繼續(xù)向前送進(jìn)。第5個(gè)工位:彎曲凸模完成彎曲工步，此時(shí)第1個(gè)工位、第2個(gè)工位、第3個(gè)工位及第4個(gè)工位完成其工序，條料繼續(xù)向前送進(jìn)。第6個(gè)工位:空位，此時(shí)第1個(gè)工位、第2個(gè)工位、第3個(gè)工位、第4個(gè)工位及第5個(gè)工位完成其工序，條料繼續(xù)向前送進(jìn)。第7個(gè)工位:切斷凸模將零件從條料上切斷，此時(shí)第1至第6個(gè)工位完成其工序，條料繼續(xù)向前送進(jìn)。如此周而復(fù)始完成鎂合金汽車墊片的沖壓工作。

圖5 鎂合金汽車墊片

圖6 鎂合金汽車墊片級(jí)進(jìn)模

《汽車用鎂合金沖壓件的應(yīng)用與發(fā)展（下）》見《鍛造與沖壓》2017年18期