材料参数对汽车发动机隔热板冲压成型性能影响

施汉臣 孔德刚

摘要：本文利用拉伸试验获得的样本数据，通过冲压性能试验和膨胀性实验，分析汽车用铝合金板材料参数和其成形性之间的对应关系，建立了评估铝合金板胀性成形性和拉深性的指标，为发动机隔热板冲压成形合理选材和预测成形性提供可靠的依据，为其它铝制品零件冲压加工中合理选材和预测成形性提供参考性的依据。

关键词：材料参数;汽车发动机隔热板;冲压成型性能

汽车发动机排气系统隔热板是汽车的重要零部件，车辆的优化使得排 气系统与车身结构间距离缩短，隔热板作为车身底部整体解决方案的一部分，它不仅考虑单一的热传递问题，而且还考虑采用整体方案综合带来的问题。冲压成型中用的原材料有很多种，并且这些材料的性能有很大的区别。根据原材料的性能和特点，冲压成型的成功决定于冲压成型方法，成型工艺参数及模具结构。对冲压成型所用的材料性能研究如下：①材料冲压性能的定义。②判断材料冲压性能的方法，找出可以确切表示冲压成型中材料性能的参数，建立冲压成型性能参数与实际冲压成型的关系，以及研究性能参数的测试方法。③建立材料的化学元素、结构、制造过程以及冲压性能之间的关系。冲压成型所用的原材料主要包括各种金属和非金属板料。金属板料包括黑色金属和有色金属。虽然很多金属板料都被用于沖压成型，但应用最广泛的材料仍是钢、不锈钢、铝合金以及各种复合金属板料。

1冲压成型材料

1.1 普通钢板在冲压成型中，钢板是被应用最广的材料。它用于交通工具包括汽车、拖拉机和火车，以及电器、石油化工、机械和建筑等多种工业产品。依据不同产品、不同的使用目的和功能要求，钢板的种类和形状也是不同的。各种钢板的制造过程及制造过程中的物理变化。

1.1.1 热轧钢板的可用状态有两种。一种是在热轧后在直接成型的钢板上有一层10μm厚的黑色氧化层。氧化层硬而脆。在冲压成型过程中，尤其是在剥落时，模具有可能损坏。为了克服这个问题，也提供过经酸洗表面处理氧化层的热轧钢板。这种钢板的表面粗糙，但是也有易润滑的优点并且适用于成型过程。

热轧钢板没有冷轧钢板的组织结构，所以它的冲压成型性能不如冷轧钢板。另一方面，热轧钢板的厚度和性能的波动性大，对冲压过程也是不利的。除了材料化学元素外，其晶粒大小排列也影响它的强度和n值。

1.1.2 冷轧钢板的表面质量和冲压性能优异，板料的性能和厚度也稳定，因此它被广泛的应用于冲压成型。通过调整化学元素组成，控制冶炼的过程，热轧和冷轧以及退火，可以得到拥有各种性能的冷轧钢板。表1显示了冷轧钢板与热轧钢板在质量与性能方面的对比。

有两种冷轧钢板：时效性的和非时效性的。通常，一般的退火后的低碳冷轧钢板在拉深曲线上有屈服点，原因是由于C和N原子的作用产生的不连续的屈服现象。在冲压成型过程中会出现破坏表面光滑的滑移线。为了克服这种不良现象，在退火后使钢板进行一定缩减量的轧制，称为尺寸轧制。虽然这种方法非常有效，但是这种效果不能持续很长时间。在一段时间以后，C和N原子的作用会在断层处恢复。这种钢板被称作时效冷轧钢板。在钢板内添加了Al和Ti能够完全抑制C和N在断层处的影响，甚至消除时效现象。

1.2 高强度钢板提高强度，在保证制件强度和硬度的条件下减小钢板的厚度，从而降低重量和成本，是成型过程中需要考虑的重要问题。因此，国内外的研究集中在生产出高强度的钢板和发展相应的冲压成型技术。

高强度的钢板通常用于汽车工业来达到其强度需求、韧性及成型性能。现在很多种类的高强度钢板被成功的应用于汽车工业，用来取代普通钢板从而降低重量和造价。普通高强度钢板的抗拉强度在350～500MPa的范围内。一些超高强度钢板，其强度高达1000MPa，这种钢板已经发展起来。目前，用于生产的高强度钢板如下：

1.2.1 添加磷的高强度钢板这种高强度钢板属于溶解强化型。它用于相当早的汽车行业中，并且发展的比较成熟。添加磷以后，强度增加到350～440MPa，r和n降低了一点，分别是r=1.4～1.8，n=0.2～0.24。

1.2.2 BH硬化高强度钢板这种钢板的冲压成型性能与低碳钢非常相似。在冲压成型之后，经喷涂和低温烘烤，它的强度基于BH硬化而提高从而变为高强度钢板。

2 冲压成型的特性

2.1冲压成型有多种方法，有不同的形式和名称。但这些方法塑性变形的本质是相似的。冲压成型有以下几个非常突出的特点：

2.1.1垂直于板面单位面积上的力虽然不大但足以在板面方向上使材料产生塑性变形。这个垂直于板面单位面积上的力远小于板面方向的内应力，所以大多数的冲压变形都可以近似的当作平面应力状态来处理，使其变形力学的分析和工艺参数的计算等都得到很大程度的简化。

2.1.2基于板料毛坯的相对厚度小，在压应力下的抗不稳定性比较弱，因而，在没有抗不稳定性的装置（如压边装置）下，冲压成型过程就很难进行下去，因此以拉应力为主的冲压成型过程多于以压应力为主的冲压成型过程。

2.1.3在冲压成型过程中，板料毛坯的内应力的值等于或小于材料的屈服应力。在这一点上，冲压成型不同于体积成型。在冲压成型过程中，在变形区压应力状态下的静态压力对成型极限与变形抗力的影响没有在体积变形中那么重要。部分都不与模具接触，这些区域的变形是依靠模具对其相邻部分施加的外力实现控制的。

2.2基于冲压成型的特点和以上提到的一些机械性能的特点，冲压技术有不同于体积成型的一些特点：

2.2.1由于不需要在板料的表面施加很大的单位压力就可以成型，所以在冲压成型中关于模具强度与刚度的问题并不十分重要。

相反地，一些简单的模具技术以及依靠气体和液体的成型的技术却得到了快速发展。

2.2.2与体积成型相比，基于平面压力简单的应变状态，现在对冲压成型中的变形、力学方面以及能量方面的参数研究已经较为成熟，冲压成型可以利用更合理更科学的方法进行。基于对板料性能与冲压变形参数在时间上的测量和分析，利用计算机和一些更为先进的技术手段，实现冲压成型过程智能化控制和仿真就成为了可能。

3实验

3.1 拉伸试验

拉伸实验采用WDW-100A型微机控制万能实验机，采用先进的芯片集成技术，专业设计的数据采集放大和过程控制系统，适用于各种金属与非金属材料的各项力学性能指标的测试;计算机控制系统对试验过程的控制和试验数据的处理符合相应的金属材料与非金属材料国家标准的要求。拉伸实验用试件，用线切割按标准加工而成。

用于汽车从事有色金属成形理论和技术研究的铝合金主要有2000系、5000和6000系，本文试验用铝合金板是A5182-O，A5083-O，A6109-T4，A6110-T4，板的初始厚度為0.8mm，材料的性能参数从单向拉伸试验中获得，取与轧制方向成0°，45°，90°三个方向的平均值，单向拉伸试样按照标准GB/T 228-2002进行制作。

3.2 冲杯实验

圆柱形平底凸模冲杯实验结果是铝合金测定板料拉深成形性能时常用的性能指标，冲杯实验过程，它是用不同的圆形毛坯试片，在装置中进行拉深成形，取试片侧壁不被拉破时可能拉深成功的最大毛坯直径Dmax与冲头直径dp之比值，即LDR=Dmax/dP作为评价板材拉深成形性能指标。LDR越大，冲杯高度越高，板材拉深成形性能就越好。冲杯实验时相邻两级试片之间的直径差一般为1.25mm，压边力FQ应能防止试片起皱，同时还允许法兰材料向凹模内流动。

3.3 杯突试验

杯突试验是测试板料胀形成形性能的一种直接模拟试验方法。试验时，用端部为一定规格的球形冲头，将夹紧于凹模和压边圈之间的试片压入凹模内，直到出现缩颈现象时为止。冲头的压入深度称为板料的杯突（IE）值。IE值越大，胀形成形性能就越好。本实验的设备室BT6型杯突试验机;标准模具：球形冲头R10mm、凹模孔径Ф27mm、压边圈孔径Ф33mm;实验材料为上述四种铝合金材料，尺寸为90mm×90mm×t。

4结论

本文通过对发动机隔热板零件功能的分析，利用拉伸试验获得的样本数据，通过冲压性能试验和膨胀性实验，分析汽车用铝合金板材料参数和其成形性之间的对应关系，建立适合于评估铝合金板胀形性和拉深性的指标，为发动机隔热板冲压成形合理选材和预测成形性提供可靠的依据，为其它铝制品零件冲压加工中合理选材和预测成形性提供参考性的依据。

参考文献：

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