基于伺服热冲压的车辆用铝合金构件制造技术

基于伺服热冲压的车辆用铝合金构件制造技术

作者：蒋志敏 张洪君

来源：《汽车世界·车辆工程技术（下）》2024年第04期

摘 要：随着材料科学的进步，汽车轻量化成为汽车制造的重要趋势。铝合金作为一种常用的轻质材料，在汽车构件的制造中得到了广泛的应用。但由于铝合金自身的物理化学特性比较特殊，其成形过程中很容易出现各种缺陷。热冲压工艺是解决该问题的重要思路。本文全面深入地介绍了基于伺服热冲压的车辆用铝合金构件制造技术，并通过试验证明了伺服热冲压工艺对提高车辆用铝合金构件的质量有明显的改善作用。本文对汽车零部件制造领域具有重要的参考价值。

关键词：铝合金;伺服热冲压;汽车;零部件 1 铝合金成型特点分析

铝合金是众多轻质材料中的一种，但其用量是最大的，这主要得益于其较高的比强度和比刚度，因而可以用于替代传统的钢板材。从文献检索结果来看，当前人们已经提出了2000 系（Al-Cu）、5000 系（Al-Mg）和6000 系（Al-Mg-Si）等一系列的铝合金板材[2]，并在汽车零部件上得到了一定程度的应用。但这种应用仍不能完全替代传统的钢构件，因为铝合金在成形性能不佳，在生产过程中很容易出现裂纹、起皱等问题，给复杂构件的生产带来了很大的困难。实际上，在高温条件下，铝合金材料仍具有较好的流动性，因而塑性较好，于是目前许多学者提出采用热冲压成形工艺对铝合金构件的生产进行优化。 与传统的冷冲压工艺相比，热冲压工艺具有以下优点：

（1）强度和硬度明显提升。铝合金的成型工艺中通常会进行冷模具保压淬火，并且淬火速率一般都很高，这会造成固溶体的过饱和，经过时效处理而使强度和硬度得到强化。 （2）冲压成形力下降。在高温条件下，铝合金表现出较好的流动性，塑性较好，因此需要更小的冲压力即可完成零件的成形，这有助于简化冲压设备的设计。

（3）冲压成形质量好。铝合金在高温下表现出的良好塑性直接避免了一些不必要的缺陷，屈服极限下降，回弹量减小，成形精度显著提升。 2 伺服热冲压工艺发展现状

传统的铝合金板材冲压成形一般采用机械压力机，这种机器由电机驱动，具有运动特性单一，速度不可调，适用范围小等不足。随着机电一体化技术的进步，伺服压力机开始代替机械压力机在许多大型汽车制造厂得到应用。伺服压力机与机械压力压相比最大的特点是采用了高性能大功率的伺服电机，由于集成了先进的自动化控制系统，因此在冲压运动过程中可以实现非常精确的控制，尤其是对热冲压保压淬火等关键工艺的控制，成为了提高材料的成形性能和零件质量的重要保证。

然而，在汽车制造行业中，铝合金板材的伺服热冲压工艺仍然存在一些普遍性的问题。例如：国内外的相关研究均集中在5000 系和6000 系铝合金上，对于7000 系等强度更高的热冲压工艺研究不多;受传统的冷冲压工艺影响，加上设备价格比较昂贵，许多中小型生产商仍未完全淘汰冷冲压机械压力机，因而对伺服热冲压工艺的经验不足，不能充分发挥伺服热冲压工艺的优势。

3 车辆用铝合金构件的伺服热冲压试验

车辆用铝合金构件品种繁多，形状各异，具体的工艺流程也有较大的差异。为了分析车辆用铝合金构件的伺服热冲压工艺的关键技术，本文以汽车中立柱构件的伺服热冲压为例进行研究，通过试验来分析其成形外观、精度、截面和硬度等重要参数。 3.1 设备与材料

本次试验涉及的主要设备包括伺服压力机、加热炉和中立柱模具，其中伺服压力机为国产的250 吨DP36-250H 闭式伺服压力机，热冲压中立柱模具尺寸为1400×600×95mm，压边力由模氮气弹簧提供。试验材料采用7075-T6 高强铝合金板材，坯料采用激光切割后固定在模具上。

3.2 试验步骤

铝合金车辆中立柱的伺服热冲压步骤主要有板料加热及转移、伺服冲压成形及保压冷却等两个关键环节。在正式开始之前，首先需要把加热炉内部的温度升高至300℃并保温半小时，避免炉内温度分布不均。接着继续加热至475℃，保温一小时使炉内温度均匀且稳定。操控机械手将铝合金坯料置于加热炉内，约5分钟后使7075 铝合金达到固溶温度而熔化，同时确保过剩相也充分溶解，形成过饱和固溶体，这样可以尽最大程度地消除材料的内应力。接着快速把高温板料转移至模具上，注意转移时间不能超过15秒。然后收回机械手，启动伺服壓力机开始冲压作业。伺服压力机会自动按照预设好的伺服冲压工艺曲线、保压时间和保压力等参数进行冲压操作。本试验的保压时间参数设为3S、保压力设为70T。 3.3 试验结果分析

从成形外观上看，零件表面光滑，外观良好，无划伤、破裂和拉毛等不良现象。采用三维激光扫描仪对零件进行测量发现，四角出现明显的回弹，这主要受材料应力和温度等因素的影响，冲压完成后零件残余的内应力在脱模之后逐渐释放造成零件整体回弹，在成形和保压冷却过程中，由于零件不同位置的冷却速度不一致，也会造成零件在开模后产生变形。分别对零件的底部、侧面和顶部进行硬度测试发现，维氏硬度处于56-62HV之间，其中底部和侧面硬度较高，顶部硬度较低。这是由于成形及保压时底部和侧面被快速淬火、快速冷却，使强化相很难析出，因而提高了硬度。 4 结语

材料科学的进步使各种新型轻质合金层出不穷，伺服冲压等新型工艺的出现大大推动了以铝合金为代表的轻质合金在汽车制造领域的应用。不难预测，铝合金将在未来的汽车轻量化发展中占据重要地位，本文的研究可以为相关零部件的制造提供有价值的参考。 参考文献：

[1]张宜生，王子健，王梁.高强钢热冲压成形工艺及装备进展[J].塑性工程学报，2024，25（05）：11-23.

[2]马鸣图，张宜生，宋磊峰，吴娥梅，王义林，路洪洲.超高强度钢热冲压成形研究进展（下）[J].新材料产业，2015（10）：65-69.

作者简介：蒋志敏（1990-），男，四川遂宁人，本科，生产技术员，研究方向：生产技术开发。