汽車鋁合金覆蓋件輕量化溫成形技術關鍵問題

文/韓小強，戴明華，胡平，盈亮，趙坤民·大連理工大學汽車工程學院

汽車鋁合金覆蓋件輕量化溫成形技術關鍵問題

文/韓小強，戴明華，胡平，盈亮，趙坤民·大連理工大學汽車工程學院

安全、節能、環保的主題理念，對汽車產業界提出了輕量化發展的新要求。實現汽車輕量化的主要途徑包括：優化汽車結構設計、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、超高強度鋼板、復合材料等輕質材料替代傳統鋼材。

技術背景

以奧迪（Audi）公司為代表的世界汽車制造商對鋁合金車身應用的研究，高度體現了鋁合金車身應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年進行奧迪A8全鋁車身設計（見圖1），將車身重量降低到261kg，最終實現AUDIR8Spyder100%全鋁車身打造的目標。鋁合金車身覆蓋件應用可以實現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的開發是車身沖壓件制造研究的發展趨勢，該技術的產業應用將為企業帶來廣闊的發展前景和巨大的經濟效益。

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進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，溫成形技術才逐漸得到重視和應用。本文對鋁合金溫成形技術的國內外研究現狀、工藝特點和發展方向進行了深入解讀，圍繞鋁合金溫成形技術要點，介紹了汽車鋁合金溫成形技術的研究進展及關鍵成形裝備技術。

鋁合金溫成形技術研究現狀

圖1 奧迪A8（ECB2010）輕質金屬覆蓋件車身

溫成形技術在我國的研究起步晚，發展階段還停留在材料的高溫基礎性能研究上。大連理工大學胡平教授團隊基于多年熱成形技術研究基礎，開展了鋁合金材料熱力性能研究。依靠自主開發的國內首臺T-FLD溫熱成形極限設備（見圖2），進行了鋁合金高溫成形性能研究。在獨立開發的沖壓件成形性仿真CAE軟件系統KMAS-HF模塊中，通過集成鋁合金熱力成形極限分析功能、鋁合金界面傳導系數和熱力性能等參數，有效實現溫成形技術的工藝優化及最終產品性能分析，可部分代替實際試驗研究，加快研究進度，節省研發成本。

圖2 國內首臺溫熱成形極限測試設備（T-FLD）及成形極限預測

國外溫成形技術已相對成熟。美國福特公司和伊朗德黑蘭大學對7075高強鋁合金的溫成形性能進行了研究；荷蘭TNO工業技術研究所對1050、5754和6016三種牌號的鋁合金開展了高溫成形研究，并實現了較大深度的盒形件成形。此外，鋁合金的溫成形技術背后的應用市場和效益，還引起了世界上眾多大型汽車企業的高度重視。目前國內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系高強鋁7075。

鋁合金溫成形工藝簡介

溫成形技術通過把鋁合金等輕質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%），在模具內進行沖壓成形（含翻邊和包邊），從而獲得強度高、回彈小的輕質金屬沖壓件，其工藝生產過程，如圖3所示。根據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，從而實現成形的最佳狀態；而在非等溫成形中，板料溫度在跟模具接觸過程中發生變化。

圖3 鋁合金溫成形工藝過程

圖4 三種溫成形技術工藝路線

與傳統的冷成形相比較，高溫條件下鋁合金材料流動應力減小。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象，提高產品表面質量。此外，溫成形技術能消除回彈影響，產品精度高，成形質量好。由于不同覆蓋件的形狀不同，因而對成形性的要求也不同，覆蓋件形狀的復雜程度對模具的結構設計也有很大影響。基于以上情況，溫成形技術出現了如下三種工藝方法（見圖4）。

其中A工藝利用了鋁合金導熱快的特點，用接觸傳熱的方式對板料進行升溫；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，然而成形后的產品具有強度低、抗凹性能差的缺點，及高溫模具設計制造及使用壽命等問題，生產成本較高；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，就可以在傳統冷沖壓生產線上實現產業升級，具有技術實現快捷，改造成本低的特點。該工藝技術是伯明翰大學的學者于2009年專門針對可熱處理強化的6000系和7000系鋁合金發明的，不僅可以實現鋁合金覆蓋件的有效成形，還能保證溫成形產品的強度和抗凹性能，滿足相關法規要求。

輕質金屬的溫成形技術是繼高強度鋼熱成形技術之后的又一個新的發展方向，溫成形技術的工藝過程C與熱成形技術具有異曲同工之妙。高強度鋼熱沖壓技術在我國的應用日漸成熟，為溫成形技術的拓展提供了前瞻性引導和技術依托。車身覆蓋件輕量化溫成形技術不僅可實現覆蓋件的有效成形，還可保證成形后產品具有足夠的強度、硬度機械特性、抗凹陷性和碰撞吸能特性。

汽車覆蓋件輕量化溫成形產業化技術的自主研發

6000系列鋁合金在520～530℃溫度下固溶熱處理后(T4態)能獲得很好的延展性，而人工時效后（T6態）的強度又能得到顯著提升。利用T4態延展性好，高溫延伸率提高的特點，使板料在固溶熱處理之后，人工時效之前進行高溫成形。為了保證溫成形產品具有足夠的成形深度、尺寸精度及良好的表面質量，必須嚴格控制溫成形的各階段工藝。鋁合金的高熱導率、非鐵磁特質，也對適應自動化生產需求的傳送設備及成形工藝節拍控制提出了更高要求。依托高強度鋼板熱沖壓生產線的開發經驗，基于研究開發熱沖壓生產線的經驗積累和研究條件，大連理工大學胡平教授團隊以非等溫成形工藝為技術路線，以6000系可熱處理強化鋁合金為重點，已開展了適應于鋁合金覆蓋件溫成形沖壓小試生產線的自主研發工作。鋁合金覆蓋件溫成形技術的產業化實現需要解決以下關鍵技術問題。

大尺寸覆蓋件加熱技術及成形潤滑條件

溫成形技術對鋁合金板材的加熱時間需要進行嚴格控制。鋁合金導熱性能良好，升溫快，過長的加熱時間會導致晶粒粗化，影響塑性。且該技術的產品主要為發動機罩蓋、車門內板等大型零部件，因此對爐體的結構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行大功率加熱，同時實現恒定的溫度控制。溫成形沖壓生產線要保證連續自動化運轉，其加熱裝備需要實現板料的連續加熱并保證節拍可控的自動化進出料功能，有足夠的加熱功率和定位精度。

與鋼相比，鋁合金的表面質量控制是汽車覆蓋件應用的一大難題。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現產品表面質量的改善。常溫條件下，隨著沖頭行程的增加，摩擦系數呈現遞增的趨勢。在高溫條件下，隨著行程的增加，板料的彈性變形越困難，更易產生表面劃痕從而影響產品表面質量。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

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

溫成形生產線中，由于板料在高溫狀態下極易變形等諸多因素，決定了上下料裝置應采用隔熱、保溫、高速的抓拾器轉移設備，如圖5所示。抓拾器要考慮板料高溫狀態下的膨脹和變軟效應，同時控制板料抓拾部位的局部溫降，并提供足夠的接觸點防止板料塌陷變形。輕質金屬的非磁特性也對抓拾端提出了更高要求。采用復合運動結構的機械手臂和計算機交流變頻控制、液壓緩沖加電氣制動復合定位處理，以此實現高速、準確、穩定定位和節拍同步可控。此外，上下料裝置還應附帶溫度監測裝置，如紅外測溫、探傷等，便于根據實際生產中數據進行工藝優化、性能檢測、疲勞性能預測、工序故障自鎖等功能，實現系統閉環控制。

圖5 鋁合金溫成形小試生產線

高速壓機成形速率、壓力控制技術

研究表明，材料的斷后延伸率與溫度密切相關，且對應變率也有很大的依賴性。溫度升高，斷后延伸率增加，當應變率超過一定值之后，溫度對斷后延伸率的影響不再明顯，反而呈現相反的規律。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，該技術需要對成形后的產品進行保壓冷卻：一是快速冷卻，避免基體組織析出的β相（Al9Fe2Si2）長大，影響產品烘烤硬化性能；二是防止成形件在冷卻過程中發生熱變形，影響成形回彈，保證成形精度。

鋁合金覆蓋件溫成形技術對壓機速度、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，需要嚴格控制沖頭速度和壓邊圈壓力。沖壓合模后對板料進行保壓淬火處理，需要有效控制壓機的保壓壓力和保壓時間。針對鋁合金溫成形技術需開發氣壓控制系統，利用氮氣體積對溫度和壓力的敏感性對壓機壓力進行反饋控制，如圖6所示。

沖裁-翻邊一體化模具設計制造

圖6 溫成形生產線氣壓控制系統

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，完成翻邊、卷邊的部分甚至全部工作，以減少后續常溫翻邊、卷邊過程中變形量，避免破裂發生。因此，沖裁-翻邊一體化模具的設計與制造成為了非等溫溫成形技術的核心技術之一，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值仿真技術

圖7 典型鋁合金溫成形沖裁-翻邊模具

與傳統成形數值仿真不同，汽車鋁合金覆蓋件溫成形技術需要考慮熱邊界傳熱性能、熱邊界非線性摩擦系數等熱力性能參數，以實現溫成形的熱-力耦合成形過程。目前國內外應用于熱-力耦合成形的軟件有ANSYS、DYNAFORM、ABAQUS、COMSOL等，可以實現溫成形過程的成形性預測分析、回彈精度預測等。然而鋁合金板材回彈量大，熱脹冷縮現象明顯，對覆蓋件成形模面工程中的熱收縮工藝補償預測要求高，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償面料尺寸，才能定位沖裁、翻邊模具的相對位置來進行一體化模具設計。

結束語

對于國內汽車沖壓件制造企業及研究院所來說，溫成形生產的裝備技術研發并不成熟，相關應用也比較局限，只有掌握新技術、新工藝，抓住汽車覆蓋件溫成形技術應用先機，才有可能不斷擴大市場空間，降低生產成本，提高生產效率，也才能在激烈的汽車零部件生產制造領域立于不敗之地。