鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋沖壓成形

文/張鈞萍，金慶生，馬鳴圖·中國(guó)汽車(chē)工程研究院股份有限公司

傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋一般采用厚度較薄的DC系列鋼板進(jìn)行制造。DC鋼板具有良好的沖壓成形性能，在沖壓時(shí)可以形成復(fù)雜零件形狀而不發(fā)生開(kāi)裂，用于發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋時(shí)，通常采用的板材厚度為0.7～0.8mm。與DC鋼板相比，目前應(yīng)用于汽車(chē)的鋁合金板材的塑性較差，塑性各向異性遠(yuǎn)小于DC鋼板，在沖壓成形時(shí)，在局部位置容易產(chǎn)生開(kāi)裂和起皺等缺陷。此外，鋁合金板材還存在表面在運(yùn)輸、沖制和后續(xù)生產(chǎn)過(guò)程中，極易產(chǎn)生劃痕，從而影響其涂裝性能和表面質(zhì)量，沖制過(guò)程中產(chǎn)生較大回彈等缺點(diǎn)。

本文以國(guó)內(nèi)某轎車(chē)車(chē)型為例，對(duì)其鋼制發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋采用鋁合金板材進(jìn)行替代沖壓試制，并針對(duì)沖壓成形過(guò)程中遇到的相關(guān)缺陷提出了改進(jìn)措施，最終制造出質(zhì)量合格的鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋。

試驗(yàn)設(shè)備與材料

試驗(yàn)設(shè)備主要包括2000t級(jí)別的沖壓機(jī)、模具和剪板機(jī)。其中，剪板機(jī)主要用于裁剪沖壓的鋁合金坯料。本試驗(yàn)中主要對(duì)汽車(chē)外覆蓋件進(jìn)行沖壓成形，主要模具包括凸模和凹模，鋁合金板材沖壓成形時(shí)直接采用鋼制外覆蓋件的沖壓模具。原發(fā)動(dòng)機(jī)外覆蓋件采用厚度為0.8mm的DC06鋼板，替代的鋁合金材料為0.9mm厚的6016鋁合金，由于二者的厚度差別較小，因此采用原鋼制的外覆蓋件沖壓成形模具對(duì)鋁合金板材進(jìn)行沖壓成形。

圖1 剪板機(jī)和2000t級(jí)別的沖壓機(jī)及模具

表1 DC06和6016的性能對(duì)比

6016鋁合金板材的性能如表1所示，與原鋼材DC06相比，6016的均勻延伸率、塑性各向異性指數(shù)和FLD0值均偏小，此外其屈強(qiáng)比為0.58，DC06的屈強(qiáng)比為0.53，這些指標(biāo)均表明，6016鋁合金板材的成形性能較差。因此，雖然此模具可以穩(wěn)定生產(chǎn)出質(zhì)量合格的鋼制汽車(chē)外覆蓋件，但采用鋁合金板材時(shí)，能否生產(chǎn)出合格質(zhì)量的外覆蓋件，仍有待觀察。

沖壓結(jié)果

進(jìn)行第一輪沖壓后，在外覆蓋件前端發(fā)生嚴(yán)重開(kāi)裂，如圖2所示。裂紋從罩蓋前端中間位置一直延伸到右側(cè)圓角處，經(jīng)初步分析認(rèn)為局部區(qū)域的板料尺寸設(shè)計(jì)不合理，引起局部位置的壓料尺寸不足，因此重新設(shè)計(jì)了板坯的尺寸并進(jìn)行加工，進(jìn)行第二輪沖制。

圖2 第一輪沖壓成形后的開(kāi)裂情況

第二輪的沖壓結(jié)果如圖3和圖4所示，經(jīng)調(diào)整坯料的尺寸后，板料前端開(kāi)裂情況得到有效控制，未發(fā)現(xiàn)裂紋產(chǎn)生，但在零件的一側(cè)，再次發(fā)生開(kāi)裂現(xiàn)象。對(duì)側(cè)面開(kāi)裂部位進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)，裂紋產(chǎn)生在模具側(cè)面有較大拉深變形的位置，該部位在沖壓成形過(guò)程中，受到拉應(yīng)力作用，產(chǎn)生較大變形后使材料發(fā)生開(kāi)裂。

圖3 調(diào)整板坯尺寸后的沖壓結(jié)果

圖4 側(cè)邊開(kāi)裂情況

經(jīng)分析，本次采用的鋁合金板材的表面未經(jīng)過(guò)涂油處理，在沖壓過(guò)程中板材與模具處于一種“干”的接觸狀態(tài)，即板料與模具間的摩擦力較大，使材料在沖壓變形時(shí)的流動(dòng)受到限制。本次沖壓開(kāi)裂位置，材料的變形量大，因此沖壓過(guò)程中對(duì)材料的流動(dòng)性要求較高?；谏鲜龇治?，對(duì)第二次改進(jìn)后的鋁合金板坯表面進(jìn)行了涂油處理，以改善沖壓過(guò)程中模具與板材的接觸效果，減小摩擦阻力，提高板料在成形過(guò)程中的流動(dòng)性。

將涂油后的板材置入模具中，進(jìn)行第三次沖壓，沖壓結(jié)果如圖5所示。經(jīng)過(guò)第一輪的坯料尺寸優(yōu)化后，鋁合金外覆蓋件前端的開(kāi)裂問(wèn)題得以解決；第二輪在側(cè)邊拉深位置發(fā)生開(kāi)裂，采用涂油潤(rùn)滑后，也得到有效改善，最終成功沖制出了未開(kāi)裂的鋁合金外覆蓋件。從圖4中可以看出，鋁合金覆蓋件沖壓成形后，邊緣區(qū)域有大面積起皺現(xiàn)象。考慮到在后續(xù)工藝中，邊緣部分將被切割，其起皺將不會(huì)影響最終產(chǎn)品的質(zhì)量，因此，在沖壓過(guò)程中，可以忽略邊緣壓邊位置的起皺情況。

結(jié)束語(yǔ)

與替代的原始軟鋼相比，鋁合金板材的基本力學(xué)性能和成形極限圖分別定性和定量地表明，其成形性能較差，因此在沖壓成形過(guò)程中，如何預(yù)防和控制沖壓過(guò)程的開(kāi)裂就成為鋁合金板材在汽車(chē)外覆蓋件上應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。一方面，以鋁代鋼時(shí)，通過(guò)增加厚度，可以略微提升其成形性能，并提高其他方面的服役性能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)減重效果；另一方面，需要通過(guò)合理設(shè)計(jì)和優(yōu)化沖壓工藝，如本文中通過(guò)優(yōu)化板坯尺寸，降低了其開(kāi)裂程度，并通過(guò)涂油增加潤(rùn)滑的方式，提高了其成形質(zhì)量。此外，鋁合金外覆蓋件在制造過(guò)程中，還涉及扣合和回彈等問(wèn)題，前者影響最終產(chǎn)品質(zhì)量，后者影響產(chǎn)品的尺寸精度。當(dāng)鋁合金板材和鋼板的厚度相差較大時(shí)，需要根據(jù)鋁合金板材的性能特點(diǎn)，“量身打造”鋁合金板材沖壓成形模具。

圖5 沖壓合格的鋁合金外覆蓋件