汽車用鎂合金沖壓件的應(yīng)用與發(fā)展（下）

文/付傳鋒·中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司

胡亞民·重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院

汽車用鎂合金沖壓件的應(yīng)用與發(fā)展（下）

文/付傳鋒·中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司

胡亞民·重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院

《汽車用鎂合金沖壓件的應(yīng)用與發(fā)展（上）》見《鍛造與沖壓》2017年第16期

通用汽車公司某車型行李廂蓋為全鋁合金結(jié)構(gòu)，其總成由外板、內(nèi)板、加強(qiáng)板等零件組成。行李廂蓋零件尺寸大、形狀復(fù)雜、傳統(tǒng)采用深拉深工藝、尺寸精度要求高，而且必須滿足子系統(tǒng)的強(qiáng)度、剛度、耐久性和碰撞等性能要求。為進(jìn)一步減重，用AZ31B鎂合金板材制作內(nèi)板，鎂合金內(nèi)板行李廂蓋結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 鎂合金內(nèi)板行李廂蓋結(jié)構(gòu)

采用快速塑性成形(Quick Plastic Forming, QPF)技術(shù)成形鎂合金內(nèi)板，其原理如圖8所示。該技術(shù)在西方先進(jìn)國(guó)家已經(jīng)成熟，被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)汽車行李廂內(nèi)板。采用單邊模具（其原理與無(wú)模成形相似），將鎂合金板加熱至超塑性成形的溫度，放入熱金屬模具中，利用高壓空氣擠壓成形（前面講的無(wú)模成形是利用外力作用在橡膠上）。超塑性溫度大約在260℃左右，可使鎂合金板成形為復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零件。

圖8 快速塑性成形原理示意圖

鎂合金內(nèi)板完成QPF成形、修邊、沖孔等工序后，進(jìn)行防腐涂裝，然后采用鉚釘與鋁加強(qiáng)板鉚接形成內(nèi)板總成。

目前凱迪拉克鎂合金內(nèi)板行李廂蓋總成已經(jīng)小批量生產(chǎn)，比鋁合金內(nèi)板減重約30%。鉚接好的內(nèi)板總成如圖9所示。內(nèi)板總成與鋁外板再采用傳統(tǒng)的包邊工藝形成鈑金總成，然后通過(guò)整車油漆線完成油漆。

圖9 鉚接后鎂合金行李廂蓋內(nèi)板總成

由外板鋁合金板、內(nèi)板鎂合金AZ31構(gòu)成的行李廂蓋，質(zhì)量大大減輕。采用與鋁合金蓋同樣厚度(1.6mm)的鎂合金內(nèi)板，減重1.2kg。橫向剛度、彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度、過(guò)開剛度、一階模態(tài)等性能均有不同程度的提高。鎂合金內(nèi)板鈑金總成性能滿足所有動(dòng)態(tài)、靜態(tài)剛度指標(biāo)要求，只是彎曲剛度處于臨界狀態(tài)，稍差一點(diǎn)。在7.74萬(wàn)次實(shí)物耐久性試驗(yàn)中，行李廂蓋系統(tǒng)未出現(xiàn)任何故障。在250kg重物低速碰撞中，擾流板開裂，行李廂蓋中部和前角部有較大變形，但鈑金未出現(xiàn)分離。試驗(yàn)顯示鎂合金內(nèi)板行李廂蓋的碰撞性能與全鋁蓋基本相同。

圖10（a）為汽車上的發(fā)動(dòng)機(jī)蓋加強(qiáng)板零件示意圖，圖10(b)為實(shí)物照片。該發(fā)動(dòng)機(jī)蓋加強(qiáng)板零件尺寸較大，形狀復(fù)雜。不是簡(jiǎn)單的圓筒形、圓錐形輪廓，也不是一般的盒形件。該零件必須采用多道工序，如沖裁、彎曲、拉深、內(nèi)緣和外緣的翻邊成形。該加強(qiáng)板零件沖壓成形后，尺寸精度和表面粗糙度都能滿足圖紙要求，一般不需要進(jìn)行切削加工。

采用CAD/CAM技術(shù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)虛擬實(shí)體模型代替實(shí)際模具，實(shí)現(xiàn)概念設(shè)計(jì)、參數(shù)化設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)和試驗(yàn)過(guò)程中要特別注意避免鎂合金件起皺和開裂。

圖11為模具結(jié)構(gòu)圖，模具的工作零件采用拼嵌式鑲塊結(jié)構(gòu)。

德國(guó)夫瑯和費(fèi)機(jī)床和成形技術(shù)研究所(IWU)開發(fā)的AZ31鎂合金車門(圖12)重量?jī)H為4.7kg，而同樣的鋼制車門重量為10.7kg。

圖10 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)蓋加強(qiáng)板零件示意圖和成形件實(shí)物照片

圖11 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)蓋鎂合金加強(qiáng)板成形模

圖12 鎂合金車門

雖然作為一種示范，夫瑯和費(fèi)機(jī)床和成形技術(shù)研究所能對(duì)AZ31鎂合金車門進(jìn)行沖壓成形加工，但目前還沒(méi)有找到該沖壓工藝?yán)硐氲臐?rùn)滑方法及成熟的沖壓成形技術(shù)。由于需要對(duì)成形模具表面進(jìn)行加熱，因此該沖壓工藝耗能很高。為了使鎂合金車門成形，要求模具溫度達(dá)到250℃。另外，寬度大于700mm的鎂合金板的制備也是一大難題。

2013年10月30日重慶市重大科技攻關(guān)項(xiàng)目“鎂合金沖壓成形技術(shù)開發(fā)及其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用”通過(guò)驗(yàn)收。項(xiàng)目實(shí)施期間，項(xiàng)目組對(duì)鎂合金沖壓成形技術(shù)進(jìn)行開發(fā)，攻關(guān)了鎂合金板材組織控制，優(yōu)化了鎂合金沖壓潤(rùn)滑劑、沖壓速度、壓邊力等工藝參數(shù)，通過(guò)下料→成形→沖孔切邊→整形→沖側(cè)孔→翻邊工序，在壓邊力為500kN，沖壓溫度為250℃時(shí)，成功制造出鎂合金汽車座椅座盆樣品（見圖13），外形尺寸約為500mm×230mm×60mm，厚度為1.2mm。

圖13 鎂合金汽車座椅座盆

該項(xiàng)目已與重慶長(zhǎng)安汽車股份有限公司簽訂合作協(xié)議,共同開發(fā)鎂合金汽車座椅座盆，減重效果顯著。以長(zhǎng)安某新車型的座椅座盆為例，用傳統(tǒng)鋼板，質(zhì)量為0.937kg，而用鎂合金板替代，質(zhì)量只有0.615kg。減重率達(dá)到34.4%。

未來(lái)的發(fā)展

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)鎂合金相關(guān)工藝進(jìn)行了大量的研究，取得了一定的進(jìn)展，但是距鎂合金板材沖壓件在汽車行業(yè)大規(guī)模應(yīng)用還有一定距離；在汽車車身門蓋上的成功應(yīng)用也很少。限制鎂合金板材沖壓件大規(guī)模應(yīng)用的原因除鎂合金成形工藝參數(shù)控制要求苛刻外，還有連接工藝和防腐技術(shù)問(wèn)題必須解決。

鎂合金焊接等連接技術(shù)

實(shí)際生產(chǎn)中，鎂合金的連接工藝主要有焊接和鉚接兩種。在這兩方面都沒(méi)有取得突破，也不滿足高效自動(dòng)化的汽車生產(chǎn)要求。

鎂合金焊接工藝是將同種鎂合金或鎂合金與異種金屬熔融后連接在一起。鎂的化學(xué)性質(zhì)非常活潑，熔點(diǎn)低、導(dǎo)熱率高、線膨脹系數(shù)大，焊接過(guò)程中極易與氧、氮結(jié)合生成疏松、熱脆性較大的氧化膜及雜質(zhì)，容易產(chǎn)生焊接變形和熱裂紋。因此對(duì)鎂焊接工藝參數(shù)要求極其嚴(yán)格。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究出了許多新的有關(guān)鎂合金的焊接工藝，如高溫熔融焊、真空電子束焊、電弧復(fù)合焊、激光、攪拌摩擦焊以及A-TIG焊等，但這些工藝大多處于起步階段，還未成熟。

鎂合金鉚接工藝主要有普通鉚釘連接、自沖鉚接(Clinch)、自穿刺鉚接(SPR)。鉚釘連接工藝首先要在被鉚接的工件上打孔，再將鉚釘插入孔內(nèi)，使用工具壓鉚釘頭部形成接頭。鉚釘連接工藝效率低，外觀差。自沖鉚接工藝不需要鉚釘，通過(guò)沖頭和凹模將兩層或多層金屬?zèng)_壓鎖扣在一起。在自沖鉚接時(shí)，易導(dǎo)致連接處損傷而發(fā)生電化學(xué)腐蝕。自穿刺鉚接(SPR)不需要預(yù)沖孔，鉚釘刺穿工件后實(shí)現(xiàn)鉚接。

表面防腐處理技術(shù)

鎂因其材料電位特性，易發(fā)生電化學(xué)腐蝕。鎂合金零件采用普通的電泳涂裝工藝不能滿足防腐要求，鎂合金板件必須經(jīng)過(guò)特殊表面處理，在表面形成一層致密的保護(hù)膜或涂層，提高其耐腐蝕性能，才能滿足汽車使用要求。

鎂合金零件防腐處理一般選擇預(yù)處理加涂裝工藝。預(yù)處理一般采用化學(xué)轉(zhuǎn)化膜，如磷酸鹽處理?；瘜W(xué)轉(zhuǎn)化膜是指合金與某種特定溶液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在金屬表面形成一層良好附著的難溶性化合物膜層。鎂合金的化學(xué)轉(zhuǎn)化膜具有較好的耐腐蝕性，但膜薄對(duì)基體的保護(hù)作用較小，還需要進(jìn)行涂裝。涂裝常用有機(jī)涂層，如E涂層或者粉末涂裝。

原材料制備及應(yīng)用技術(shù)

鎂合金生產(chǎn)廠家還應(yīng)進(jìn)一步研究新型鎂合金材料，深入掌握鎂合金材料特性；制定合理的原材料價(jià)格波動(dòng)控制機(jī)制，降低鎂冶煉成本，優(yōu)化鎂合金板材軋制工藝，提高鎂合金板材品質(zhì)及成品率，降低生產(chǎn)成本。鎂合金生產(chǎn)企業(yè)提供可用于生產(chǎn)大型覆蓋件的板材，把鎂合金板材價(jià)格降低到合適的范圍，是推動(dòng)鎂合金板件在汽車上大規(guī)模應(yīng)用的重中之重。汽車主機(jī)廠進(jìn)行鎂合金沖壓件產(chǎn)品最優(yōu)化設(shè)計(jì)，而鎂合金沖壓成形件生產(chǎn)企業(yè)充分研究鎂合金沖壓件生產(chǎn)工藝，嚴(yán)格控制生產(chǎn)過(guò)程，提高產(chǎn)品質(zhì)量，才能推動(dòng)鎂合金板在門蓋上的應(yīng)用。

結(jié)束語(yǔ)

鎂合金的沖壓工藝與其他常用材料的沖壓工藝不同，普通的沖壓工藝難以生產(chǎn)出合格的鎂合金沖壓件。許多已經(jīng)發(fā)表的文章不一定就能在較大范圍推廣。例如我們的經(jīng)驗(yàn)是在鎂合金成形前要加熱均勻，而且在成形過(guò)程中也要保持坯料的溫度較為均勻。工藝介紹說(shuō)要有意識(shí)對(duì)坯料進(jìn)行冷卻，我們不得不懷疑它的應(yīng)用范圍可能較小。所以說(shuō)，在鎂合金汽車沖壓件的產(chǎn)品開發(fā)和工藝研究方面，還有許多事情要做。