材料參數對汽車發動機隔熱板沖壓成型性能影響

施漢臣 孔德剛

摘要：本文利用拉伸試驗獲得的樣本數據，通過沖壓性能試驗和膨脹性實驗，分析汽車用鋁合金板材料參數和其成形性之間的對應關系，建立了評估鋁合金板脹性成形性和拉深性的指標，為發動機隔熱板沖壓成形合理選材和預測成形性提供可靠的依據，為其它鋁制品零件沖壓加工中合理選材和預測成形性提供參考性的依據。

關鍵詞：材料參數;汽車發動機隔熱板;沖壓成型性能

汽車發動機排氣系統隔熱板是汽車的重要零部件，車輛的優化使得排 氣系統與車身結構間距離縮短，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別。根據原材料的性能和特點，沖壓成型的成功決定于沖壓成型方法，成型工藝參數及模具結構。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，建立沖壓成型性能參數與實際沖壓成型的關系，以及研究性能參數的測試方法。③建立材料的化學元素、結構、制造過程以及沖壓性能之間的關系。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，但應用最廣泛的材料仍是鋼、不銹鋼、鋁合金以及各種復合金屬板料。

1沖壓成型材料

1.1 普通鋼板在沖壓成型中，鋼板是被應用最廣的材料。它用于交通工具包括汽車、拖拉機和火車，以及電器、石油化工、機械和建筑等多種工業產品。依據不同產品、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點并且適用于成型過程。

熱軋鋼板沒有冷軋鋼板的組織結構，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。除了材料化學元素外，其晶粒大小排列也影響它的強度和n值。

1.1.2 冷軋鋼板的表面質量和沖壓性能優異，板料的性能和厚度也穩定，因此它被廣泛的應用于沖壓成型。通過調整化學元素組成，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，原因是由于C和N原子的作用產生的不連續的屈服現象。在沖壓成型過程中會出現破壞表面光滑的滑移線。為了克服這種不良現象，在退火后使鋼板進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。這種鋼板被稱作時效冷軋鋼板。在鋼板內添加了Al和Ti能夠完全抑制C和N在斷層處的影響，甚至消除時效現象。

1.2 高強度鋼板提高強度，在保證制件強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，國內外的研究集中在生產出高強度的鋼板和發展相應的沖壓成型技術。

高強度的鋼板通常用于汽車工業來達到其強度需求、韌性及成型性能。現在很多種類的高強度鋼板被成功的應用于汽車工業，用來取代普通鋼板從而降低重量和造價。普通高強度鋼板的抗拉強度在350～500MPa的范圍內。一些超高強度鋼板，其強度高達1000MPa，這種鋼板已經發展起來。目前，用于生產的高強度鋼板如下：

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

1.2.2 BH硬化高強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，經噴涂和低溫烘烤，它的強度基于BH硬化而提高從而變為高強度鋼板。

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是相似的。沖壓成型有以下幾個非常突出的特點：

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生塑性變形。這個垂直于板面單位面積上的力遠小于板面方向的內應力，所以大多數的沖壓變形都可以近似的當作平面應力狀態來處理，使其變形力學的分析和工藝參數的計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，在壓應力下的抗不穩定性比較弱，因而，在沒有抗不穩定性的裝置（如壓邊裝置）下，沖壓成型過程就很難進行下去，因此以拉應力為主的沖壓成型過程多于以壓應力為主的沖壓成型過程。

2.1.3在沖壓成型過程中，板料毛坯的內應力的值等于或小于材料的屈服應力。在這一點上，沖壓成型不同于體積成型。在沖壓成型過程中，在變形區壓應力狀態下的靜態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，這些區域的變形是依靠模具對其相鄰部分施加的外力實現控制的。

2.2基于沖壓成型的特點和以上提到的一些機械性能的特點，沖壓技術有不同于體積成型的一些特點：

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于模具強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以及依靠氣體和液體的成型的技術卻得到了快速發展。

2.2.2與體積成型相比，基于平面壓力簡單的應變狀態，現在對沖壓成型中的變形、力學方面以及能量方面的參數研究已經較為成熟，沖壓成型可以利用更合理更科學的方法進行。基于對板料性能與沖壓變形參數在時間上的測量和分析，利用計算機和一些更為先進的技術手段，實現沖壓成型過程智能化控制和仿真就成為了可能。

3實驗

3.1 拉伸試驗

拉伸實驗采用WDW-100A型微機控制萬能實驗機，采用先進的芯片集成技術，專業設計的數據采集放大和過程控制系統，適用于各種金屬與非金屬材料的各項力學性能指標的測試;計算機控制系統對試驗過程的控制和試驗數據的處理符合相應的金屬材料與非金屬材料國家標準的要求。拉伸實驗用試件，用線切割按標準加工而成。

用于汽車從事有色金屬成形理論和技術研究的鋁合金主要有2000系、5000和6000系，本文試驗用鋁合金板是A5182-O，A5083-O，A6109-T4，A6110-T4，板的初始厚度為0.8mm，材料的性能參數從單向拉伸試驗中獲得，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準GB/T 228-2002進行制作。

3.2 沖杯實驗

圓柱形平底凸模沖杯實驗結果是鋁合金測定板料拉深成形性能時常用的性能指標，沖杯實驗過程，它是用不同的圓形毛坯試片，在裝置中進行拉深成形，取試片側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。LDR越大，沖杯高度越高，板材拉深成形性能就越好。沖杯實驗時相鄰兩級試片之間的直徑差一般為1.25mm，壓邊力FQ應能防止試片起皺，同時還允許法蘭材料向凹模內流動。

3.3 杯突試驗

杯突試驗是測試板料脹形成形性能的一種直接模擬試驗方法。試驗時，用端部為一定規格的球形沖頭，將夾緊于凹模和壓邊圈之間的試片壓入凹模內，直到出現縮頸現象時為止。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。本實驗的設備室BT6型杯突試驗機;標準模具：球形沖頭R10mm、凹模孔徑Ф27mm、壓邊圈孔徑Ф33mm;實驗材料為上述四種鋁合金材料，尺寸為90mm×90mm×t。

4結論

本文通過對發動機隔熱板零件功能的分析，利用拉伸試驗獲得的樣本數據，通過沖壓性能試驗和膨脹性實驗，分析汽車用鋁合金板材料參數和其成形性之間的對應關系，建立適合于評估鋁合金板脹形性和拉深性的指標，為發動機隔熱板沖壓成形合理選材和預測成形性提供可靠的依據，為其它鋁制品零件沖壓加工中合理選材和預測成形性提供參考性的依據。

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