材料參數(shù)對汽車發(fā)動機(jī)隔熱板沖壓成型性能影響

施漢臣 孔德剛

摘要：本文利用拉伸試驗(yàn)獲得的樣本數(shù)據(jù)，通過沖壓性能試驗(yàn)和膨脹性實(shí)驗(yàn)，分析汽車用鋁合金板材料參數(shù)和其成形性之間的對應(yīng)關(guān)系，建立了評估鋁合金板脹性成形性和拉深性的指標(biāo)，為發(fā)動機(jī)隔熱板沖壓成形合理選材和預(yù)測成形性提供可靠的依據(jù)，為其它鋁制品零件沖壓加工中合理選材和預(yù)測成形性提供參考性的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：材料參數(shù);汽車發(fā)動機(jī)隔熱板;沖壓成型性能

汽車發(fā)動機(jī)排氣系統(tǒng)隔熱板是汽車的重要零部件，車輛的優(yōu)化使得排 氣系統(tǒng)與車身結(jié)構(gòu)間距離縮短，隔熱板作為車身底部整體解決方案的一部分，它不僅考慮單一的熱傳遞問題，而且還考慮采用整體方案綜合帶來的問題。沖壓成型中用的原材料有很多種，并且這些材料的性能有很大的區(qū)別。根據(jù)原材料的性能和特點(diǎn)，沖壓成型的成功決定于沖壓成型方法，成型工藝參數(shù)及模具結(jié)構(gòu)。對沖壓成型所用的材料性能研究如下：①材料沖壓性能的定義。②判斷材料沖壓性能的方法，找出可以確切表示沖壓成型中材料性能的參數(shù)，建立沖壓成型性能參數(shù)與實(shí)際沖壓成型的關(guān)系，以及研究性能參數(shù)的測試方法。③建立材料的化學(xué)元素、結(jié)構(gòu)、制造過程以及沖壓性能之間的關(guān)系。沖壓成型所用的原材料主要包括各種金屬和非金屬板料。金屬板料包括黑色金屬和有色金屬。雖然很多金屬板料都被用于沖壓成型，但應(yīng)用最廣泛的材料仍是鋼、不銹鋼、鋁合金以及各種復(fù)合金屬板料。

1沖壓成型材料

1.1 普通鋼板在沖壓成型中，鋼板是被應(yīng)用最廣的材料。它用于交通工具包括汽車、拖拉機(jī)和火車，以及電器、石油化工、機(jī)械和建筑等多種工業(yè)產(chǎn)品。依據(jù)不同產(chǎn)品、不同的使用目的和功能要求，鋼板的種類和形狀也是不同的。各種鋼板的制造過程及制造過程中的物理變化。

1.1.1 熱軋鋼板的可用狀態(tài)有兩種。一種是在熱軋后在直接成型的鋼板上有一層10μm厚的黑色氧化層。氧化層硬而脆。在沖壓成型過程中，尤其是在剝落時，模具有可能損壞。為了克服這個問題，也提供過經(jīng)酸洗表面處理氧化層的熱軋鋼板。這種鋼板的表面粗糙，但是也有易潤滑的優(yōu)點(diǎn)并且適用于成型過程。

熱軋鋼板沒有冷軋鋼板的組織結(jié)構(gòu)，所以它的沖壓成型性能不如冷軋鋼板。另一方面，熱軋鋼板的厚度和性能的波動性大，對沖壓過程也是不利的。除了材料化學(xué)元素外，其晶粒大小排列也影響它的強(qiáng)度和n值。

1.1.2 冷軋鋼板的表面質(zhì)量和沖壓性能優(yōu)異，板料的性能和厚度也穩(wěn)定，因此它被廣泛的應(yīng)用于沖壓成型。通過調(diào)整化學(xué)元素組成，控制冶煉的過程，熱軋和冷軋以及退火，可以得到擁有各種性能的冷軋鋼板。表1顯示了冷軋鋼板與熱軋鋼板在質(zhì)量與性能方面的對比。

有兩種冷軋鋼板：時效性的和非時效性的。通常，一般的退火后的低碳冷軋鋼板在拉深曲線上有屈服點(diǎn)，原因是由于C和N原子的作用產(chǎn)生的不連續(xù)的屈服現(xiàn)象。在沖壓成型過程中會出現(xiàn)破壞表面光滑的滑移線。為了克服這種不良現(xiàn)象，在退火后使鋼板進(jìn)行一定縮減量的軋制，稱為尺寸軋制。雖然這種方法非常有效，但是這種效果不能持續(xù)很長時間。在一段時間以后，C和N原子的作用會在斷層處恢復(fù)。這種鋼板被稱作時效冷軋鋼板。在鋼板內(nèi)添加了Al和Ti能夠完全抑制C和N在斷層處的影響，甚至消除時效現(xiàn)象。

1.2 高強(qiáng)度鋼板提高強(qiáng)度，在保證制件強(qiáng)度和硬度的條件下減小鋼板的厚度，從而降低重量和成本，是成型過程中需要考慮的重要問題。因此，國內(nèi)外的研究集中在生產(chǎn)出高強(qiáng)度的鋼板和發(fā)展相應(yīng)的沖壓成型技術(shù)。

高強(qiáng)度的鋼板通常用于汽車工業(yè)來達(dá)到其強(qiáng)度需求、韌性及成型性能?，F(xiàn)在很多種類的高強(qiáng)度鋼板被成功的應(yīng)用于汽車工業(yè)，用來取代普通鋼板從而降低重量和造價。普通高強(qiáng)度鋼板的抗拉強(qiáng)度在350～500MPa的范圍內(nèi)。一些超高強(qiáng)度鋼板，其強(qiáng)度高達(dá)1000MPa，這種鋼板已經(jīng)發(fā)展起來。目前，用于生產(chǎn)的高強(qiáng)度鋼板如下：

1.2.1 添加磷的高強(qiáng)度鋼板這種高強(qiáng)度鋼板屬于溶解強(qiáng)化型。它用于相當(dāng)早的汽車行業(yè)中，并且發(fā)展的比較成熟。添加磷以后，強(qiáng)度增加到350～440MPa，r和n降低了一點(diǎn)，分別是r=1.4～1.8，n=0.2～0.24。

1.2.2 BH硬化高強(qiáng)度鋼板這種鋼板的沖壓成型性能與低碳鋼非常相似。在沖壓成型之后，經(jīng)噴涂和低溫烘烤，它的強(qiáng)度基于BH硬化而提高從而變?yōu)楦邚?qiáng)度鋼板。

2 沖壓成型的特性

2.1沖壓成型有多種方法，有不同的形式和名稱。但這些方法塑性變形的本質(zhì)是相似的。沖壓成型有以下幾個非常突出的特點(diǎn)：

2.1.1垂直于板面單位面積上的力雖然不大但足以在板面方向上使材料產(chǎn)生塑性變形。這個垂直于板面單位面積上的力遠(yuǎn)小于板面方向的內(nèi)應(yīng)力，所以大多數(shù)的沖壓變形都可以近似的當(dāng)作平面應(yīng)力狀態(tài)來處理，使其變形力學(xué)的分析和工藝參數(shù)的計(jì)算等都得到很大程度的簡化。

2.1.2基于板料毛坯的相對厚度小，在壓應(yīng)力下的抗不穩(wěn)定性比較弱，因而，在沒有抗不穩(wěn)定性的裝置（如壓邊裝置）下，沖壓成型過程就很難進(jìn)行下去，因此以拉應(yīng)力為主的沖壓成型過程多于以壓應(yīng)力為主的沖壓成型過程。

2.1.3在沖壓成型過程中，板料毛坯的內(nèi)應(yīng)力的值等于或小于材料的屈服應(yīng)力。在這一點(diǎn)上，沖壓成型不同于體積成型。在沖壓成型過程中，在變形區(qū)壓應(yīng)力狀態(tài)下的靜態(tài)壓力對成型極限與變形抗力的影響沒有在體積變形中那么重要。部分都不與模具接觸，這些區(qū)域的變形是依靠模具對其相鄰部分施加的外力實(shí)現(xiàn)控制的。

2.2基于沖壓成型的特點(diǎn)和以上提到的一些機(jī)械性能的特點(diǎn)，沖壓技術(shù)有不同于體積成型的一些特點(diǎn)：

2.2.1由于不需要在板料的表面施加很大的單位壓力就可以成型，所以在沖壓成型中關(guān)于模具強(qiáng)度與剛度的問題并不十分重要。

相反地，一些簡單的模具技術(shù)以及依靠氣體和液體的成型的技術(shù)卻得到了快速發(fā)展。

2.2.2與體積成型相比，基于平面壓力簡單的應(yīng)變狀態(tài)，現(xiàn)在對沖壓成型中的變形、力學(xué)方面以及能量方面的參數(shù)研究已經(jīng)較為成熟，沖壓成型可以利用更合理更科學(xué)的方法進(jìn)行?；趯Π辶闲阅芘c沖壓變形參數(shù)在時間上的測量和分析，利用計(jì)算機(jī)和一些更為先進(jìn)的技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)沖壓成型過程智能化控制和仿真就成為了可能。

3實(shí)驗(yàn)

3.1 拉伸試驗(yàn)

拉伸實(shí)驗(yàn)采用WDW-100A型微機(jī)控制萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)，采用先進(jìn)的芯片集成技術(shù)，專業(yè)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集放大和過程控制系統(tǒng)，適用于各種金屬與非金屬材料的各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)的測試;計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)對試驗(yàn)過程的控制和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理符合相應(yīng)的金屬材料與非金屬材料國家標(biāo)準(zhǔn)的要求。拉伸實(shí)驗(yàn)用試件，用線切割按標(biāo)準(zhǔn)加工而成。

用于汽車從事有色金屬成形理論和技術(shù)研究的鋁合金主要有2000系、5000和6000系，本文試驗(yàn)用鋁合金板是A5182-O，A5083-O，A6109-T4，A6110-T4，板的初始厚度為0.8mm，材料的性能參數(shù)從單向拉伸試驗(yàn)中獲得，取與軋制方向成0°，45°，90°三個方向的平均值，單向拉伸試樣按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228-2002進(jìn)行制作。

3.2 沖杯實(shí)驗(yàn)

圓柱形平底凸模沖杯實(shí)驗(yàn)結(jié)果是鋁合金測定板料拉深成形性能時常用的性能指標(biāo)，沖杯實(shí)驗(yàn)過程，它是用不同的圓形毛坯試片，在裝置中進(jìn)行拉深成形，取試片側(cè)壁不被拉破時可能拉深成功的最大毛坯直徑Dmax與沖頭直徑dp之比值，即LDR=Dmax/dP作為評價板材拉深成形性能指標(biāo)。LDR越大，沖杯高度越高，板材拉深成形性能就越好。沖杯實(shí)驗(yàn)時相鄰兩級試片之間的直徑差一般為1.25mm，壓邊力FQ應(yīng)能防止試片起皺，同時還允許法蘭材料向凹模內(nèi)流動。

3.3 杯突試驗(yàn)

杯突試驗(yàn)是測試板料脹形成形性能的一種直接模擬試驗(yàn)方法。試驗(yàn)時，用端部為一定規(guī)格的球形沖頭，將夾緊于凹模和壓邊圈之間的試片壓入凹模內(nèi)，直到出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象時為止。沖頭的壓入深度稱為板料的杯突（IE）值。IE值越大，脹形成形性能就越好。本實(shí)驗(yàn)的設(shè)備室BT6型杯突試驗(yàn)機(jī);標(biāo)準(zhǔn)模具：球形沖頭R10mm、凹?？讖涧?7mm、壓邊圈孔徑Ф33mm;實(shí)驗(yàn)材料為上述四種鋁合金材料，尺寸為90mm×90mm×t。

4結(jié)論

本文通過對發(fā)動機(jī)隔熱板零件功能的分析，利用拉伸試驗(yàn)獲得的樣本數(shù)據(jù)，通過沖壓性能試驗(yàn)和膨脹性實(shí)驗(yàn)，分析汽車用鋁合金板材料參數(shù)和其成形性之間的對應(yīng)關(guān)系，建立適合于評估鋁合金板脹形性和拉深性的指標(biāo)，為發(fā)動機(jī)隔熱板沖壓成形合理選材和預(yù)測成形性提供可靠的依據(jù)，為其它鋁制品零件沖壓加工中合理選材和預(yù)測成形性提供參考性的依據(jù)。

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