汽车铝合金板冲压成形工艺与预时效处理工艺

摘 要：通过专用板材冲压软件开展车身板材的有限元模拟，对铝合金板的冲压成形进行了试验探讨和冲压结果分析，简要研究了铝合金板材的预时效处理工艺，为提升铝合金板冲压成形的烘烤硬化性能提供理论支撑。

众多金属材料中，铝合金因质量轻、强度高等优势成为了汽车减重材料的重要候选之一。铝合金与钢材相比，在延伸率、塑性比以及常温成形性能方面都存在差距，其冲压成形充满挑战：① 成形极限低于钢材，容易导致加工过程中铝合金应变集中区出现破裂；② 铝合金的弹性模量比极低，这样一旦在接受冲压的零部件出模后就会出现较明显的回弹，抗性减低。因此，开展铝合金板冲压成形性能的研究十分必要。

1汽车铝合金板材的冲压成形工艺

1.1 专用的板材冲压软件Dynaform

Dynaform 软件是专业的薄板材料冲压成形与模具设计CAE 工具，由处理单元与求解单元两大组群，而处理单元可具体分解为前、后处理器，这样的构造能够对不同金属板材接受冲压工艺后所诱发的破裂、起皱、回弹等缺陷进行合理监测，并科学确定位置，能对整个板材成形工艺提供较为准确的参考，为板料成形及模具设计提供计算机辅助操作的帮助。

1.2 铝合金板件的有限元模拟

首先利用专业三维软件Solidworks 建立铝合金板件的成形极限三维数学模型，将建模后产生文件导入Dynaform 软件数据库；然后Dynaform 会利用自生网格功能标识实体模具与胚料的网格；利用常规设置的灵活性完成相关凸模设置，并确定胚料与模具的参数设置取值提交至处理器中进行求解。

通过前期的建模与设置参数可知，影响板材成形的参数主要是温度与速度。在软件的模拟试验中，只能对板材的变形温度或模具的温度进行控制。在模拟中，铝合金汽车零部件的圆角变形量最大，但由于板材较为敏感导致成形较快，并未出现破裂。整个模拟结果可看出，铝合金零部件在法兰处的厚度变化明显较小，但其他部位均出现了应变，与厚度的变化规律相一致。

1.3 铝合金板件的冲压成形物理试验分析

在物理模拟试验中，可采用刚性凸模开展试样的胀形试验，属于高温成形工艺，因此可忽略模具与试样之间的摩擦。在物理试验中，将试样均匀嵌于模具与压边圈之间，并且调节一定标准的压边力来压实压边圈，通过凸模的运动使得试样中间区域隆起，观察隆起区域的网络圆是否出现起皱或破裂。

若有异常缺陷频现，则凸模的施压运动停止，对试样变形后的表面可见网格圆进行测量，准确记录其长短轴的尺寸，并根据相关公式完成变形极限应变量的运算。此次物理试验中的压边力范围为80～150kN，一旦出现模具圆角的起皱现象或试验侧边劈裂，或出现临界网格圆不合理，则需要重复开始试验。

2汽车铝合金板材的预时效处理工艺

铝合金板件广泛应用在追求轻量化改造的汽车车身，该类板件表现出优异烤漆硬化性能。最初铝合金在接受固溶处理并经自然时效后并未取得良好的板材烤漆硬化性能，说明该材质板件必须在接受固溶处理后，及时有效地完成预时效处理，才能在后期的人工时效操作中实现超高烘烤硬化性能。

2.1 汽车铝合金板材的固溶处理

对于铝合金的固溶处理，主要应注意保持铝合金科学固溶温度保持在500 ～ 600℃，经过半小时的保温处理后进行水淬。固溶处理结束后，铝合金板件的试样硬度将会出现明显的变化，通过试验可知固溶处理时长越久，试样的硬度越是提升。

不少工程实践表明，铝合金在人工时效下的烘烤硬化性能表现因自然时效的存在而变得不够稳定和明确。究其原因或许是自然时效下的原子团未在高温溶解，由于室温下的原子团类似于初始合金成分，使得时效析出相顺序有所变化，降低了固溶态的能量，抑制了原子迁移。

2.2 固溶处理后的预时效工艺

合金硬度与预时效时长关联紧密，后者数值越大，前者的增长越快。为确保汽车铝合金板的冲压塑性不会收冲压前硬度提升的影响，则应选择在满足要求的预时效状态范围内。

2.3 预时效对铝合金板材性能的影响

预时效处理必然会对铝合金材质板件的微观结构造成影响，人工时效处理后铝合金板材会快速析出分布均匀的两相，板材的烘烤硬化时效为180℃，半小时，因而处于欠时效状况。

合金的人工时效将随着预时效的处理结束变得更强，快速响应析相与均匀化需求激励。在预时效处理的DSC 测试中，可从DSC 曲线中读出其中的吸热与放热峰的存在，并从某些温度测定的异态来看，人工时效与预时效之间，后者可确切影响到前者，并会提升人工时效析相及均匀化速度，提高板件的烤漆硬化效果。

3结束语

汽车铝合金板在变形温度达到350℃后，成形质量较高，未出现破损，板材减薄率处于安全区间。文中通过有限元模拟与物理试验分析，开展了铝合金的温热冲压成形研究，并在后期研究预时效处理工艺中，证实铝合金板经合理参数的预时效处理后可提升合金烘烤硬化效果。