鋁合金發動機罩蓋沖壓成形

文/張鈞萍，金慶生，馬鳴圖·中國汽車工程研究院股份有限公司

傳統發動機罩蓋一般采用厚度較薄的DC系列鋼板進行制造。DC鋼板具有良好的沖壓成形性能，在沖壓時可以形成復雜零件形狀而不發生開裂，用于發動機罩蓋時，通常采用的板材厚度為0.7～0.8mm。與DC鋼板相比，目前應用于汽車的鋁合金板材的塑性較差，塑性各向異性遠小于DC鋼板，在沖壓成形時，在局部位置容易產生開裂和起皺等缺陷。此外，鋁合金板材還存在表面在運輸、沖制和后續生產過程中，極易產生劃痕，從而影響其涂裝性能和表面質量，沖制過程中產生較大回彈等缺點。

本文以國內某轎車車型為例，對其鋼制發動機罩蓋采用鋁合金板材進行替代沖壓試制，并針對沖壓成形過程中遇到的相關缺陷提出了改進措施，最終制造出質量合格的鋁合金發動機罩蓋。

試驗設備與材料

試驗設備主要包括2000t級別的沖壓機、模具和剪板機。其中，剪板機主要用于裁剪沖壓的鋁合金坯料。本試驗中主要對汽車外覆蓋件進行沖壓成形，主要模具包括凸模和凹模，鋁合金板材沖壓成形時直接采用鋼制外覆蓋件的沖壓模具。原發動機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鋁合金板材進行沖壓成形。

圖1 剪板機和2000t級別的沖壓機及模具

表1 DC06和6016的性能對比

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、塑性各向異性指數和FLD0值均偏小，此外其屈強比為0.58，DC06的屈強比為0.53，這些指標均表明，6016鋁合金板材的成形性能較差。因此，雖然此模具可以穩定生產出質量合格的鋼制汽車外覆蓋件，但采用鋁合金板材時，能否生產出合格質量的外覆蓋件，仍有待觀察。

沖壓結果

進行第一輪沖壓后，在外覆蓋件前端發生嚴重開裂，如圖2所示。裂紋從罩蓋前端中間位置一直延伸到右側圓角處，經初步分析認為局部區域的板料尺寸設計不合理，引起局部位置的壓料尺寸不足，因此重新設計了板坯的尺寸并進行加工，進行第二輪沖制。

圖2 第一輪沖壓成形后的開裂情況

第二輪的沖壓結果如圖3和圖4所示，經調整坯料的尺寸后，板料前端開裂情況得到有效控制，未發現裂紋產生，但在零件的一側，再次發生開裂現象。對側面開裂部位進行觀察發現，裂紋產生在模具側面有較大拉深變形的位置，該部位在沖壓成形過程中，受到拉應力作用，產生較大變形后使材料發生開裂。

圖3 調整板坯尺寸后的沖壓結果

圖4 側邊開裂情況

經分析，本次采用的鋁合金板材的表面未經過涂油處理，在沖壓過程中板材與模具處于一種“干”的接觸狀態，即板料與模具間的摩擦力較大，使材料在沖壓變形時的流動受到限制。本次沖壓開裂位置，材料的變形量大，因此沖壓過程中對材料的流動性要求較高?；谏鲜龇治觯瑢Φ诙胃倪M后的鋁合金板坯表面進行了涂油處理，以改善沖壓過程中模具與板材的接觸效果，減小摩擦阻力，提高板料在成形過程中的流動性。

將涂油后的板材置入模具中，進行第三次沖壓，沖壓結果如圖5所示。經過第一輪的坯料尺寸優化后，鋁合金外覆蓋件前端的開裂問題得以解決；第二輪在側邊拉深位置發生開裂，采用涂油潤滑后，也得到有效改善，最終成功沖制出了未開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，邊緣區域有大面積起皺現象。考慮到在后續工藝中，邊緣部分將被切割，其起皺將不會影響最終產品的質量，因此，在沖壓過程中，可以忽略邊緣壓邊位置的起皺情況。

結束語

與替代的原始軟鋼相比，鋁合金板材的基本力學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，因此在沖壓成形過程中，如何預防和控制沖壓過程的開裂就成為鋁合金板材在汽車外覆蓋件上應用的關鍵技術問題。一方面，以鋁代鋼時，通過增加厚度，可以略微提升其成形性能，并提高其他方面的服役性能，同時實現減重效果；另一方面，需要通過合理設計和優化沖壓工藝，如本文中通過優化板坯尺寸，降低了其開裂程度，并通過涂油增加潤滑的方式，提高了其成形質量。此外，鋁合金外覆蓋件在制造過程中，還涉及扣合和回彈等問題，前者影響最終產品質量，后者影響產品的尺寸精度。當鋁合金板材和鋼板的厚度相差較大時，需要根據鋁合金板材的性能特點，“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