鋁合金機罩材料及包邊設計要求

趙倩文　張銘潔　何健豪　劉倩南　李振興

摘 要：本文闡述了鋁合金機罩的材料種類、延伸率、時效性要求，翻邊性能、包邊類型及設計參數。鋁合金機罩方案與原鋼制機罩相比，具有輕量化優勢，降低整車質心，提升行駛穩定性及更好的行人保護性能。

關鍵詞：鋁合金機罩 延伸率 翻邊性能 包邊

1 前言

由于汽車電動化率提升，乘用車輕量化要求更加迫切，鋁合金材質密度低、重量輕、耐腐蝕性好，鋁合金機罩在汽車的應用更加廣泛。通過結構設計，鋁合金機罩局部剛度與鋼制機罩持平。鋁合金機罩比鋼質機罩減重30～50%[1]，可以提升碰撞行人頭部撞擊保護性能[2]。

本文通過對標及實物驗證，明確鋁合金機罩的材料組成、材料種類、延伸率實測、時效性要求，從材料組成、特性層面明確鋁合金機罩的材質要求。涉及鋁合金機罩外板翻邊性能驗證、包邊類型及機罩總成的設計參數，從設計與制造技術層面規避鋁合金機罩實物出現失效的風險。確保鋁合金機罩產品質量，為此輕量化技術的橫展應用創造條件。

2 鋁合金機罩材料組成及特性

2.1 鋁合金機罩材料組成

鋁合金機罩由機罩外板及內板組成[3]，6系鋁合金通常用來做外板，6系或5系鋁合金為內板材料，6系材料具有熱處理強化特性， 5系鋁合金不具有熱處理強化性。鋁合金機罩外板及內板材料料厚對標如下表1所示。

2.2 鋁合金機罩材料特性

2.2.1 材料延伸率

本文闡述研究的鋁合金機罩為吉利某電動車車型，基于與鋼制機罩的等剛度材料替換原則[4]，定義鋁合金機罩外板為6016鋁合金，料厚0.9mm，機罩內板為5182料厚0.9mm。

鋁合金板材均勻延伸率要求，折彎90°時，均勻延伸率≥20%. 6016鋁合金板材延伸率的實測值如表2。

由上表可知，鋁合金機罩的時效性要求在180天內，可滿足勻延伸率≥20%要求。即超過180天時效的鋁合金板材，延伸率不達標的風險大。

2.2.2 材料延伸率材料翻邊性能

采用如圖1翻邊性能試驗裝置測試板材翻邊性能。板材放置于支撐輥上方，支撐輥與壓頭均為鋼制件。

板材取樣要求：分別按照軋制方向的0°和90°取樣，經過預拉伸10%后，并切除預拉伸夾持端，

兩支撐輥間距d=2*t+2*Rp，其中t為板材厚度，Rp為壓頭底部半徑，

壓頭厚度Wp=2*Rp，

壓頭及支撐輥表面需保持潤滑。

翻邊因子f=Rp/t

具體材料翻邊性能評價：

在未發生初始應變的情況下，經不同自然時效時間的板材，按翻邊因子0.5的條件下測試，比對下圖2翻邊評價等級對照表。

5級為表面無可視性缺陷，4級輕度表面粗糙化，3級為明顯表面粗糙化，2級表面小裂紋，1級為連續性表面裂紋

翻邊評價3-5等級翻邊性能可接受，等級1級和2級為不可接受等級。

3 鋁合金機罩包邊及設計參數

3.1 鋁合金機罩包邊類型

1）常見包邊類型如下表3，

其中標準包邊是車門總成的主要包邊類型；直接包邊適合單層板無內板的包邊，尖角包邊適用于內板板件厚或內板板件厚度不均時。鋁合金機罩最常用的是水滴包邊包邊。

選擇適合的包邊類型是滿足產品包邊質量的前提，此方法適用于車門總成等其他需要包邊工序的所有汽車產品。

3.2 鋁合金機罩包邊設計參數

鋁合金機罩包邊設計參數，見圖3包邊設計參數圖示，其中：

Fn： 翻邊高度

Fr：鋁合金機罩外板內圓角，Fr≥1.5mm；

MAX θ：包邊前外板初始最大角度

鋁合金機罩包邊設計參數設定，是來源于多次的實物驗證，當Fr＜1.5mm時，包邊出現質量問題的概率增高，易出現包邊鈑金表面開裂的情況。

針對不同的包邊工具類型，鋁合金機罩外板內圓角Fr及外板初始最大角度MAXθ有不同的要求，見表4鋁板翻邊內圓角及翻邊角度要求。

以上3中包邊設備，外板初始最大角度MAXθ分別為105°/115°/135°，這是因為翻邊角度變化大時，包邊時鈑件移動變大，頂部局部應變大，超過材料本身的延伸率，則會導致出現材料表面粗糙化，出現細小裂紋甚至是連續性裂紋。導致包邊失效，不滿足產品質量要求。

需注意的是，當115°＜θ≤135°時，包邊專機需至少折3次。

3.3 包邊設備介紹

隨著包邊技術的成熟應用，包邊設備也經歷了不斷的發展和變化。

沖壓模具包邊是最初的包邊方式。

機器人滾邊系統[5]由三部分組成，包邊模夾具系統、機器人及其控制系統、滾輪系統。與模具包邊相比，具有柔性化、成本控制等優點，缺點是穩定性低于沖壓模具包邊，包邊效率仍不夠高。

包邊專機是當產能要求超過每小時60件時，建議使用包邊專機包邊。包邊專機由液壓站、定位夾緊裝置、底模、底板、角部包邊、預包邊模塊（45°包邊）、包邊模塊（90°包邊）及底板組成。具有生產效率高、制造精度高等優點。

3.4 包邊失效原因分析及解決措施

鋁合金機罩在研發階段，樣件有出現罩包邊失效風險[6]。為保證鋁合金機罩的質量，需要對包邊開裂進行失效原因分析，通過解決措施解決失效問題。

1）失效原因：

a.確認初版設計參數外板內圓角Fr過小，不滿足包邊設計要求；

b. 原包邊工序次數太少，翻邊角度變化大時，預包時鈑件移動變大，頂部局部應變大，包邊后尺寸精度及質量差。

2）解決措施：

a.更改優化設計參數外板內圓角Fr≥1.5mm，滿足包邊設計要求；

b. 增加包邊工序次數。當115°＜θ≤135°時，包邊專機需至少折3次。增加包邊次數，可以減小每次翻邊的角度變化，鈑金局部應變較小，不會超過材料延伸率，滿足翻邊評價等級中的可接受等級，保證了包邊后的鈑金表面質量。

按照以上解決措施執行，可以解決包邊失效問題，極大降低了包邊失效出現的概率，保證鋁合金機罩的包邊質量。

4 結論

本文研究的鋁合金機罩方案，與鋼機罩相比輕量化效果明顯，行人保護性能更佳，降低整車質心及優化整車前后軸荷占比，提升整車操穩性能。本文通過對標鋁合金機罩內外板的材料性能，明確翻邊性能判定方法、包邊類型及設計參數，有效規避鋁合金機罩包邊失效風險。對包邊失效進行原因分析，并總結闡述解決措施及方法。

本文提升鋁合金機罩的技術成熟性及質量穩定性，助力于此技術方案的廣泛應用。

參考文獻：

[1]燕戰秋，華潤蘭，論汽車輕量化[J].汽車工程，1994，I6（6）：375～383.

[2]王鋒，范體強，趙清江，李陽，基于行人保護的鋁合金發動機罩蓋結構優化設計[J].汽車工藝與材料，2014（11）：6～10.

[3]付燕鵬，葉瑜合，譚敦松，鋁合金發動機罩蓋的優化設計[J].汽車實用技術，2018（12）：107～109.

[4]王俊峰，魏震，陳美玉，基于性能要求的發動機艙蓋輕量化設計[J].汽車工程師，2020（3）：29～48.

[5]仝輝，邵金金，張逸，王知，谷家坤，鋁合金發動機艙蓋制造工藝[J].汽車工藝師，2021（6）：23～25.

[6]張云，淺談車身包邊零件的基本要求 [J].汽車工藝與材料，2010（4）：39～50.