汽車隔熱板沖壓工藝研究與前沿技術

文/張妮娜·秦皇島燕大汽車零部件制造有限公司技術開發(fā)部

汽車隔熱板沖壓工藝研究與前沿技術

文/張妮娜·秦皇島燕大汽車零部件制造有限公司技術開發(fā)部

汽車隔熱板是傳熱工程上為減小輻射換熱表面對其他零件的危害，在相鄰表面之間放置的金屬薄板。車身隔熱板一般布置在發(fā)動機兩側(cè)和車身底部排氣管通道上方。它主要利用熱屏的反射絕熱原理，來隔斷熱量的傳遞，同時它還有一定的局部隔噪聲的作用。

隔熱板一般是由薄金屬板料制成的空間異形零件。同一般沖壓件相比，具有材料薄、形狀復雜、表面質(zhì)量要求高等特點。

設計要求

（1）隔熱板隔熱效果要優(yōu)良，在各種行駛狀態(tài)下，車底溫度不得高到使內(nèi)部裝備出現(xiàn)損壞或車內(nèi)乘客被燙傷；隔熱板在車輛正常使用過程中不應有過大的變形，如邊緣翹起折斷、開裂等。

（2）隔熱板的分塊應盡可能少，并盡量平整，減少氣流的擾動；對于難以避免的狹小結(jié)構(gòu)，在易引起湍流的局部，可以考慮在隔熱板表面增加散熱柵孔以改善散熱。

（3）隔熱板與車身之間的固定形式應保證在固定可靠的同時，兼顧裝配精度和裝配的方便性。對于材料熱膨脹系數(shù)相差較大的復合結(jié)構(gòu)隔熱板，要特別注意連接、固定的方式。

（4）根據(jù)隔熱情況需要選取恰當?shù)牟牧虾徒Y(jié)構(gòu)，避免浪費，考慮車輛輕量化設計，設計時追求最大的熱源和車身之間的間距對削弱熱量傳遞是最有效和經(jīng)濟的。

常用材料

轎車上使用的隔熱材料，一般都兼有隔聲作用。汽車工程中隔熱板零件的常用材料，一般多選用工業(yè)純鋁板材。工業(yè)純鋁的主要特點:質(zhì)量輕，密度為2.7×103kg/m3，約為鋼鐵的1/3；導熱性好，便于熱量散發(fā)；黑度ε=0.28，對熱輻射有很好的屏蔽能力；塑性較好（低于一般車用沖壓鋼板），可方便地制成板材、箔材；抗大氣腐蝕性好，能生成一層致密的氧化鋁層，并有很好的耐熱性。

沖壓工藝分析

隔熱板表面上不允許有褶皺、拉裂、擦傷、邊緣拉痕等缺陷；形狀又多為空間立體曲面，其形狀很難在圖上完整準確地表達出來。因此，設計過程中大量應用CAE、CAD、CAM等計算機輔助軟件進行工藝分析模擬、模具設計、模具制造等關鍵設計工作。

汽車隔熱板的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸決定該件的工藝性，其關鍵是拉延工藝性。隔熱板拉延成形時，由于其塑性變形的不均勻性，往往會使某些部位剛性較差。剛性差的工件受到振動后會產(chǎn)生空洞聲，用這樣的零件裝車，汽車在高速行駛時就會發(fā)生振動，造成工件早期破壞，因此剛性要求不可忽視。隔熱板一般都采用一次成形法，為了創(chuàng)造一個良好的拉延條件，通常將翻邊展開，窗口補滿，再加添上工藝補充部分，構(gòu)成一個拉延件。下面就以某汽車增壓器隔熱板（圖1）為例，進行相關工藝的分析。

圖1 增壓器隔熱板數(shù)模

此件為汽車增壓器隔熱板，材料采用0.5mm鍍鋁光面鋼板。鍍鋁鋼板具有極佳的耐高溫性（550℃），同時可反射80％的入射熱量，其機械強度與基材的機械強度一致，并且鍍鋁鋼板對化學腐蝕有極強的耐蝕性，廣泛應用于汽車隔熱部件等。

該隔熱板采用內(nèi)外兩層板組合形式，兩層鍍鋁鋼板中間夾層內(nèi)填加陶瓷纖維夾層材料。具體成形工藝步驟如下：拉延—修邊—翻邊—填加隔熱材料（內(nèi)外層之間）并壓合—包邊沖孔。

拉延

拉延是保證制成合格工件最主要的工序。其作用是將平板狀毛料經(jīng)過拉延使之成形為立體空間工件。拉延工藝數(shù)模如圖2所示。

圖2 拉延工藝數(shù)模

拉延模有正裝和倒裝兩種形式。倒裝拉延模的凸模和壓邊圈在下，凹模在上，它使用單動壓力機，凸模直接裝在下模座上，壓邊圈則使用壓力機下面的頂出缸，通過頂桿獲得所需的壓料力。倒裝形式拉延模只有在頂出壓力能夠滿足壓料需要的情況下方可采用。此件內(nèi)外層使用同一套拉延模具即可，模具采用倒裝結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 拉延模結(jié)構(gòu)

修邊

修邊模用于將拉延件的工藝補充部分和壓料凸緣的多余料切除，為翻邊和整形準備條件。模具結(jié)構(gòu)設計如圖4所示；修邊（內(nèi)外層）工藝數(shù)模如圖5所示。

圖4 修邊模結(jié)構(gòu)

圖5 修邊工藝數(shù)模

翻邊

翻邊模是將半成品工件的一部分材料相對另一部分材料發(fā)生翻轉(zhuǎn)，根據(jù)翻邊的沖壓方向不同，翻邊模可分為垂直翻邊模和水平翻邊模兩大類。水平翻邊（含傾斜翻邊）則需要斜楔結(jié)構(gòu)完成翻邊成形工作。此件采用垂直翻邊，模具結(jié)構(gòu)如圖6所示，翻邊工藝數(shù)模如圖7所示。

圖6 翻邊模結(jié)構(gòu)

圖7 翻邊工藝數(shù)模

填加陶瓷纖維隔熱材料并壓合

車身隔熱板零件的典型結(jié)構(gòu)之一，即多層復合板：常見的是雙層鋁板中間空心或夾層內(nèi)填加玻璃棉、石棉、鋁箔等材料。針對此隔熱板我們采用的是在內(nèi)層和外層鍍鋁板之間加隔熱材料——陶瓷纖維，這是一種纖維狀輕質(zhì)耐火材料，具有重量輕、耐高溫、熱穩(wěn)定性好、導熱率低、比熱小及耐機械振動等優(yōu)點，逐漸在汽車領域得到廣泛應用。填加隔熱材料的雙層隔熱板時，為了保證工件的緊密與穩(wěn)定性，還需要進行壓合，具體模具結(jié)構(gòu)如圖8所示；壓合工藝數(shù)模如圖9所示。

圖8 壓合模結(jié)構(gòu)

圖9 壓合工藝數(shù)模

包邊沖孔

包邊采用簡易工裝，包好內(nèi)外層后進行沖孔。此件為空間曲面，在三面上均有孔，為了保證沖孔的一致性，采用斜楔結(jié)構(gòu)一次沖孔完成，具體模具結(jié)構(gòu)如圖10所示：沖孔，工藝數(shù)模如圖11所示。此隔熱板（圖12）為內(nèi)、外層局部包邊的形式，已經(jīng)批量投入生產(chǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。

圖10 沖孔模結(jié)構(gòu)

圖11 沖孔工藝數(shù)模

圖12 隔熱板實體

多層隔熱板新型連接方式——Tox鉚接

傳統(tǒng)隔熱板一般采用內(nèi)外層包邊的結(jié)構(gòu)形式，對于復雜的三維空間曲面，不管是局部包邊還是全部包邊的形式都需要手工或?qū)Ｓ霉ぱb制作，生產(chǎn)效率低。如果采用焊接連接方式，又會破壞制件的表面鍍層，還會使板件產(chǎn)生熱變形。

Tox鉚接方式是通過一個沖壓加工過程，依據(jù)板件本身材料的冷擠壓變形形成圓點，即可將不同材質(zhì)不同厚度的兩層或多層板件連接起來。該連接方式對板件表面無任何要求，連接點處板件表面原有的鍍層、漆層不受損傷?？蓡吸c或多點同時連接，生產(chǎn)效率高。這種連接方式也在隔熱板內(nèi)外板連接工藝中得到應用。應用實例如圖13所示。

圖13 Tox鉚接型式的隔熱板

模具制造

模具材料使用

模具制造的優(yōu)劣直接決定工件質(zhì)量。本文中工件沖壓過程中涉及到的模具有兩大類，成形模和沖裁模。拉延模、翻邊模的凸凹模均采用鉬鉻鑄鐵，這種材料易于加工，表面淬火空冷后硬度即可達到55～60HRC，同時吸收潤滑油產(chǎn)生自潤滑功能，非常有利于薄板拉延成形；修邊模凸凹模刃口采用空冷鋼，這種材料不僅便于加工，而且有很好的淬硬性和淬透性，同時淬火變形小，表面淬火空冷后硬度可達到58～62HRC，非常適合薄板沖裁，同時其焊接性能也非常好，易于維修。

先進制造技術的應用

由于工件表面質(zhì)量要求較高，所以模具表面要求具有較高的光潔度。本文提及的拉延模、翻邊模的凸凹模等關鍵零件均采用數(shù)控高速銑加工，數(shù)控機床主軸轉(zhuǎn)速達到15000r/min，表面粗糙度Ra能夠達到0.4～0.8μm；這種加工方法大大減少了人工拋光的工作量，甚至可以不用拋光。智能數(shù)控加工設備已經(jīng)很廣泛地應用于模具制造，也是模具先進制造技術的必然發(fā)展趨勢。

圖14 采用波紋鋁板加工的隔熱板

汽車隔熱板發(fā)展趨勢

為了提高隔熱效果，近幾年，汽車隔熱板在材料選用上又有新突破，一種波紋鋁板很快應用到了汽車隔熱板上。波紋鋁板具有明顯的特點：板厚一般0.5～0.6mm，由于表面經(jīng)過波紋板加工時的冷作硬化，制成零件的強度高，尺寸穩(wěn)定性較好，波紋板增加了隔熱板的表面積，提高了隔熱板對熱和聲波的反射能力，同時改善了空氣在隔熱板表面的流動狀態(tài)，故隔熱效果較單層平鋁板好。波紋鋁板作為發(fā)動機隔熱板材料已經(jīng)開始應用于實際生產(chǎn)中，并取得良好的效果。如圖14所示為波紋鋁板制作的隔熱板產(chǎn)品。波紋板材已經(jīng)成為汽車隔熱板的主流基材，也將是今后汽車隔熱技術發(fā)展的主要方向。