汽車用鎂合金沖壓件的應用與發展（上）

文/付傳鋒·中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司 胡亞民·重慶理工大學材料科學與工程學院

汽車用鎂合金沖壓件的應用與發展（上）

文/付傳鋒·中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司 胡亞民·重慶理工大學材料科學與工程學院

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行了一定的研究，建立了鎂合金變形過程中材料的化學成分、組織等因素決定材料性能與沖壓成形之間的關系，也開發了少量鎂合金沖壓成形件，但還不夠普及，缺乏系統性。

十多年前的情況

十多年前我在重慶工學院就讀本科時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螺絲刀刀柄的擠壓件及其成形工藝，螺絲刀刀柄的等溫擠壓成形件如圖1所示。2004年，化學工業出版社同時出版了湖南大學陳振華老師的《鎂合金》和重慶理工大學張津老師的《鎂合金及應用》。在《鎂合金及應用》的前言里，提到該書的校對由重慶工學院胡亞民教授完成，胡老師在該書上花了不少心血。2005年，化學工業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用前景。

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

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度與凸模圓角部分坯料的抗拉強度之比，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，國內尚未見有關生產方面的報導。因而，采用時必須考慮有關技術參數的合理選用，否則會走入歧途。鎂合金沖壓件產品，如0.3mm厚的手機殼、杯形件、半球形件。

圖1 鎂合金電動螺絲刀刀柄等溫擠壓成形件

圖2 差溫拉深模具示意圖

然而，在這過去的十多年內，人們見得比較多的是鎂合金等溫模鍛件或等溫擠壓件的科研和開發產品。而對于鎂合金沖壓成形件產品開發介紹較少，在汽車上的應用和實踐也是鳳毛鱗角。

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，只用一個成形墊塊，相當于凹模，不需要制作復雜的模具，非常簡單。

圖3 鎂合金彎板成形

圖4 無模成形（橡膠墊成形）

現在的情況

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，進行特殊的防腐處理也增加了成本。因而，鎂合金在汽車工業領域缺乏大規模的應用。由于高昂的研發成本，導致鎂合金成形件現階段的價格較高。

現在研究鎂合金的液態模鍛和擠壓的人越來越多，不少大學取得了可喜的成果并發表了相關論文。開發得最好的產品是汽車用輪轂。雖然鎂合金已被應用到部分車身零件上，但都是壓鑄鎂合金零件，真正開發成功的汽車沖壓件很少。變形鎂合金板應用于門蓋零件上，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，對鎂合金板材在汽車外覆蓋件上應用研究的進展不及在覆蓋件內板上的進展，主要因為汽車車身外覆蓋件的品質要求高。外覆蓋件在整車行駛時可能要受到外界砂石或堅固物體的撞擊，破壞撞擊區域的油漆涂層，可能會使金屬基體外露。鎂合金板材一旦發生外露，很快會發生銹蝕、腐蝕，不但影響美觀，甚至導致功能失效。而目前根據現有工藝制造的鎂合金板材件，其外觀質量不及鋁合金或鋼。

另外，用鎂合金板材制作汽車外覆蓋件，也不適應現有的車身內外板連接工藝。由于鎂合金在常溫下成形性能差，在常溫下包邊，會產生裂紋。為了得到較好的表面品質，包邊也必須在對零件加熱到合適的溫度才能進行。在270～280℃下進行內外板包邊，避免了零件外表面產生塑性變形或裂紋，但工業化生產中還必須克服一些工藝困難。

鎂具有較高的還原電勢，使它非常容易與其他金屬材料發生電化學腐蝕。當鎂合金和汽車常用結構材料，如鋁合金或者鋼零件直接接觸時會發生電化學腐蝕反應。為了避免發生腐蝕，需要進行相關防腐處理，將其與其他零件隔絕，還要保持環境干燥。

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構，與鋁、銅等具有面心立方結構的金屬相比較而言，對稱性較低，一般在150℃以上的合適溫度下進行熱沖壓成形。

在175℃時，鎂合金杯形件拉深的拉深比可達2.0，在225℃時甚至可達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，可以一次成形復雜的零件。

相關文獻介紹了鎂合金拼焊板拉深成形盒形件的開發應用研究情況，以及轎車鎂合金頂蓋前橫梁的結構設計，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、強度、剛度及頂壓等性能。結果表明，鎂合金頂蓋前橫梁能達到鋼頂蓋前橫梁同等的剛度、強度，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，沖孔件公差等級小于等于IT9級，沖裁件的經濟公差等級小于等于IT14級，落料公差等級小于等于IT10級，而圖5中絕大部分尺寸屬于IT11級，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模具內，向前送進，上模下行。第1個工位:兩個圓孔凸模完成沖孔，側刃凸模將條料切出臺階，條料向前送進。第2個工位:沖3mm×12mm的方孔及2mm×22mm的搭邊孔，此時第1個工位完成其工序，條料向前送進。第3個工位:沖兩個異形孔，此時第1個工位與第2個工位完成其工序，條料繼續向前送進。第4個工位:空位，此時第1個工位、第2個工位及第3個工位完成其工序，條料繼續向前送進。第5個工位:彎曲凸模完成彎曲工步，此時第1個工位、第2個工位、第3個工位及第4個工位完成其工序，條料繼續向前送進。第6個工位:空位，此時第1個工位、第2個工位、第3個工位、第4個工位及第5個工位完成其工序，條料繼續向前送進。第7個工位:切斷凸模將零件從條料上切斷，此時第1至第6個工位完成其工序，條料繼續向前送進。如此周而復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 鎂合金汽車墊片級進模

《汽車用鎂合金沖壓件的應用與發展（下）》見《鍛造與沖壓》2017年18期