铝车身冲压工艺--资材篇20160730
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铝的密度小（2.7 g/cm³ ），约为钢（7.8 g/cm³ ）的1/3。用铝合金代钢铁可减重50% 左右,由于铝的表面易氧化形成致密而稳 定的氧化膜（钝化），所以耐蚀性好。铝有较好的铸造性，由于铝的融化温度低，流动性好，易于制造各种复杂形状的零 件。铝中加入一种或几种元素后即构成铝合金，铝合金相对于纯铝可以提高强度和硬度，除固溶强化外，有些铝合金还可 以热处理强化，使有些铝合金的抗拉强度可超过600MPa。导热率和导电率是钢的3倍。
6022
0.8~1.5
0.05~0.2
0.01~0.11
0.02~0.1
0.45~0.7
0.1
0.25
0.15
Rem
2.4、应用于汽车车身的6系和5系铝合金对比
如前所述，铝合金汽车车身板材主要有6系和5系合金，典型牌号有6016、6111、6022、6181、5052、5182、
二、汽车用铝材简介
2.1 性能参数介绍
种类 1100-0 1100-H24 3003-0 3003-H14 3004-0 3004-H24 5052-0 5052-H24 5182-0 5182-H24 6061-0 6061-T4 冷轧钢板 屈服极限(N/mm2) 拉伸强度(N/mm2) 31 139 40 157 62 175 107 212 125 273 45 197 181 95 142 107 169 177 215 213 269 264 350 125 271 298 延伸率(%) 38 13 33 5 25 9 24 13 31 11 30 24 46 22 8 22 10 28 10 25 20 23 64 45 29 平均延伸率(%) 30 硬度HV 24 45 30 49 48 76 52 80 26 91 0.21 0.07 0.28 0.12 0.32 0.13 0.31 0.13 0.28 0.2 0.21 n值 0.29 r值 0.85 0.85 0.67 0.5 0.71 0.71 0.74 1.05 0.61 0.75 0.66 0.74 2
5754等铝合金；轿车用铝板厚度规格一般为0.7~2.0mm左右。 （1） 6系Al-Mg-Si (-Cu)合金 Al-Mg-Si-(Cu) 系合金由于具有较高的强度及较好的成形性能而广泛应用于汽车面板等领域。对这类合金的要求， 是在烤漆前具有较好的塑性及在烤漆过程中具有较高的沉淀硬化能力，即具有较高的烤漆硬化响应。
≥0.55（90°）
（b）预变形2%+烘烤后屈服强度：160~260MPa
2.3、汽车用铝材型号应用部位 二、汽车用铝特性
铝材型号 化学名称 适用汽车部位 特性 主要使用型号
2000系
A12Cu2Mg
骨架部分，座 2000系合金是一种热处理可强化的铝合金，具有优良的锻 造性、 较高的强度和良好的焊接性能，很好的烘烤强化效 椅部分 应，但其抗腐蚀性则比其他系列的铝合金差。
2036、
2022
5000系
A12Mg
蒙皮部分，车 门部分，底板 5000系合金是一种热处理不可强化的铝合金，具有良好的 部分，内饰部 抗腐蚀性和焊接性能，但退火状态下在加工变形时可能产生HANV5138-O、X5085-O、 吕德斯线和延迟屈服，因此主要用于车身内板等形状复杂的 5083 分 部位。
Al-Mg-Si-(Cu)合金是可热处理强化的铝合金，具有成形性好、耐蚀性强、强度高和较好的耐高温等性能。铝合金汽
车车身板材料，除上述几个优点外，主要考虑该类板材在冲压成形后经油漆烘烤强度会提高，具有烤漆硬化能力。 此外，Al-Mg-Si合金T4态板材的屈服强度和抗拉强度与钢板相近，n值超过钢板。 （2）5系铝合金 5系铝合金（ Al-Mg系合金）是不可热处理强化的铝合金，具有中等强度、耐蚀性好、较好的加工性能及良好的 焊接性能等特点。 在Al-Mg系合金中，Mg固溶于铝基体中，形成固溶强化效应使该合金在强度、成形性能和抗腐蚀性等具有普通碳钢 板的优点，可用于汽车内板等形状复杂的部位。 但Al-Mg系合金板材在室温放置后，在拉伸时容易出现Luders伸长，冲压成形后表面起皱，影响外观质量；延展性 和弯曲能力也会由于Fe含量的增加而恶化，经历烤漆容易出现软化现象。 Al-Mg系合金用作汽车车身板的缺点：延迟屈服和勒德斯线。当晶粒尺寸＞100μ m时，板材易出现“桔皮效应”。
四、 铝合金车身板的生产过程 五、板材的表面处理
一、铝合金基础知识
1.1 轻量化的必然性
汽车质量每减轻１%，可节省燃料消耗0.6％~1.0%； 车辆每减重100 kg，CO2排放量可减少约5 g/km，在轿车中每使用1 kg铝，可在其使用寿命期内减少20 kg尾气排放； 汽车尾气排放与油耗成正相关； 现有汽车越来越高级化，附加装置也越来越多。同样使得轻量化成了必然。
1.2 汽车轻量化的主要对象
发动机、底盘、车身及内外装占轿车总质量的比例较大,减重潜力也较大。轿车车身是轿车中重量较大的部件，约占汽车总 重量的30％，所以车身的铝化举足轻重。 底盘（除传动 系）
名称
发动机
车身
传动系
内装外装
其他
质量比例（%）
10~15
19~24
20~28
5~10
20~25
8~13
1.3 铝合金的特点：
6000系
A12Mg2Si
车门部分，底 板部分，座椅 6000系合金属于热处理可强化铝合金，具有较高的强度、 6009、6010、6111、 较好的塑性和优良的耐腐蚀性。与钢板相比，6000系2T4态 部分 6181A、6016 板材的屈服强度和抗拉强度相近，硬化系数甚至超过钢板。
用于汽车车身板的铝合金主要有2000 系、5000 系和 6000 系合金 ，从汽车车身所需材料及其加工特性来看，2000 系 和 5000 系主要用做汽车覆盖件的内板，而 6000 系主要用于汽车覆盖件的外板 。通常使用 5000 系列和 6000 系列铝 合金汽车板替换传统钢板
1.4 、铝合金分类
铝合金牌号划分
组别 纯铝（铝含量不小于99%） 以铜为主要合金元素的铝合金 以锰为主要合金元素的铝合金 以硅为主要合金元素的铝合金 以镁为主要合金元素的铝合金 以镁和硅为主要合金元素并以Mg2Si相为强 化相的铝合金 以锌为主要合金元素的铝合金 以其他元素为主要合金元素的铝合金 根据合金元素和加工工艺特性，可将铝合金分为变形铝合 金和铸造铝合金两大类。 备用合金组 牌号系列 1××× 2××× 3××× 4××× 5××× 6××× 7××× 8××× 9×××
轻量比实例
零件名称 钢板厚度mm 板质量kg 铝板厚度mm 板质量kg 轻量化率
发动机罩外板
0.75
8.5
1
3.9
54%
发动机罩内板
0.75
10.47
1
4.5
54%
铝合金板取代钢板后，为满足冲压件的使用性能，必须 对其进行等强度计算。弯曲刚度和强度是衡量板材的重要指标，为了 能够达到铝代钢后，产品性能满足使用要求，本文通过对铝合金板厚度的改变来实现，厚度计算 过程如下： (1)当以弯曲刚度来判断汽车结构件性能时，铝合金板和钢板的厚度比按下式计算：（钢板选择的是 DX54D，铝合金板选择 的是 5754）
tAl /tS = (σS / σAl)1/2
式中： σS ——钢板的屈服强度， σAl ——铝板的屈服强度， MPa； MPa。
1/2
1/2Biblioteka Baidu
σs =184.4MPa， σAl =116.9MPa。（原钢板的材料是 DX54D，铝合金板选择的是 5754） 由公式 (4-2)得：tAl / tS = (σS / σAl) 则铝合金板厚度为： =1.26
tAl /tS = (ES /EAl)1/3 tAl ——铝板的厚度， mm； tS ——钢板的厚度， mm； ES ——钢的弹性模量， MPa； EAl ——铝的弹性模量， Mpa；
ES=210Gpa ，Eal=61Gpa tAl/tS =(ES/EAl)1/3=1.5
(2)当采用弯曲强度作为判据时，铝合金板和钢板的厚度比按式 (4-2)计算：
铝合金和冷轧钢板力学性能和冲压成形性能
铝合金型号 2022-T4 2117-T4 2036-T4
2037-T4 2038-T4 5182-O 5182-SSF X5082-O 6009-T4 6010-T5 6111-T4 6016-T4 深冲钢 注：t---板材厚度
总伸长率σ/％ 26 25 24
汽车的铝合金一般采用热处理型6000系列和非热处理型5000系列，其中5038和5183是汽车车身最常用的型号。经试 验得出R值对铝合金板冲压成型影响不明显
2.2 性能要求
对汽车用铝合金板材的性能要求是：除有满足标准和规范的力学性能与耐蚀性之外，还应具有如下的性能： 第一，良好的成形性能、较低的屈强比以及较高的成形极限。 第二，表面光滑。
25 25 26 24 30 25 24 27.5 28.1 42.2
均伸长率σ/％ 20 20 20
20 _ 19 19 20 20 19 22 24.6 20.2
n值 0.25 0.25 0.23
0.24 0.26 0.33 0.31 0.3 0.23 0.22 _ 0.26 0.23
r值 0.63 0.59 0.75
tAl =1.26tS =1.26×0.7 = 0.88mm
取 tAl =max{1.05，0.88}=1.05mm。根据生产实际中板料的规格厚度，取tAl为 1mm，即铝合金板代替钢板之后 厚度由0.7mm增加到1mm。
0.7 0.75 0.8 0.67 0.66 0.7 0.7 _ 0.7 1.39
杯突深度值/mm 180°弯曲半径R 9.6 8.6 9.1
9.4 _ 9.9 9.7 _ 9.7 9.1 8.4 _ 11.9
1t 1t 1t
1t 1/2t 2t 2t 1t 1/2t 1t 1/2t _ 0
三、钢板与铝合金板材等强度计算
铝车身冲压工艺--资材篇
目录
一、铝合金基本知识
1.1 轻量化的必然性 1.2 汽车轻量化的主要对象
1.3 铝合金的特点
1.4 、铝合金分类
二、汽车用铝材简介
2.1 性能参数介绍
2.2 性能要求
2.3、汽车用铝材型号应用部位 2.4、应用于汽车车身的6系和5系铝合金对比
三、钢板与铝合金板材等强度计算
第三，良好的焊性能。为了满足汽车零部件焊接加工的工艺性能要求，铝合金板需要有良好的焊接性能。
第四，良好的烘烤硬化性能。 第五，高的抗凹陷性能。 第六，优良的表面处理和涂装性能。 第七，一定的抗时效稳定性能。 单向拉伸性能分析
欧洲与北美汽车覆盖件用铝情况
综合相关数据，总结出应用于汽车车身板的成品板材的性能要求： （a）T4(p)状态下 屈服强度：90~140MPa抗拉强度：220~285MPa延伸率（总）:≥20%; （塑性应变比） ≥0.40（45°） n值：≥0.27（拉伸应变硬化指数）r值：≥0.65（0°）
汽车车体用铝合金国际牌号和化学成分（质量%） 合金 2036 2037 2038 5023 5182 5754 6009 6010 6111 6016 Si 0.5 0.5 0.5~1.3 0.25 0.2 0.4 0.6~1.0 0.8~1.2 0.6~1.1 1.0~1.5 Fe 0.5 0.5 0.6 0.4 0.35 0.4 0.5 0.5 0.4 0.5 Cu 2.2~3.0 1.4~2.2 0.8~1.8 0.2~0.5 0.15 0.1 0.15~0.6 0.15~0.6 0.5~0.9 0.2 Mn 0.1~0.4 0.1~0.4 0.1~0.4 0.2 0.2~0.5 0.5 0.2~0.8 0.2~0.8 0.1~0.45 0.2 Mg 0.3~0.6 0.3~0.8 0.4~1.0 5.0~6.2 4.0~5.0 2.6~3.6 0.4~0.8 0.6~1.0 0.5~1.0 0.25~0.6 Cr 0.1 0.1 0.2 0.1 0.1 0.3 0.1 0.1 0.1 0.1 Zn 0.25 0.25 0.5 0.25 0.25 0.2 0.25 0.25 0.15 0.2 Ti 0.15 0.15 0.15 0.1 0.1 0.15 0.1 0.1 0.1 0.1 Al Rem Rem Rem Rem Rem Rem Rem Rem Rem Rem
6022
0.8~1.5
0.05~0.2
0.01~0.11
0.02~0.1
0.45~0.7
0.1
0.25
0.15
Rem
2.4、应用于汽车车身的6系和5系铝合金对比
如前所述，铝合金汽车车身板材主要有6系和5系合金，典型牌号有6016、6111、6022、6181、5052、5182、
二、汽车用铝材简介
2.1 性能参数介绍
种类 1100-0 1100-H24 3003-0 3003-H14 3004-0 3004-H24 5052-0 5052-H24 5182-0 5182-H24 6061-0 6061-T4 冷轧钢板 屈服极限(N/mm2) 拉伸强度(N/mm2) 31 139 40 157 62 175 107 212 125 273 45 197 181 95 142 107 169 177 215 213 269 264 350 125 271 298 延伸率(%) 38 13 33 5 25 9 24 13 31 11 30 24 46 22 8 22 10 28 10 25 20 23 64 45 29 平均延伸率(%) 30 硬度HV 24 45 30 49 48 76 52 80 26 91 0.21 0.07 0.28 0.12 0.32 0.13 0.31 0.13 0.28 0.2 0.21 n值 0.29 r值 0.85 0.85 0.67 0.5 0.71 0.71 0.74 1.05 0.61 0.75 0.66 0.74 2
5754等铝合金；轿车用铝板厚度规格一般为0.7~2.0mm左右。 （1） 6系Al-Mg-Si (-Cu)合金 Al-Mg-Si-(Cu) 系合金由于具有较高的强度及较好的成形性能而广泛应用于汽车面板等领域。对这类合金的要求， 是在烤漆前具有较好的塑性及在烤漆过程中具有较高的沉淀硬化能力，即具有较高的烤漆硬化响应。
≥0.55（90°）
（b）预变形2%+烘烤后屈服强度：160~260MPa
2.3、汽车用铝材型号应用部位 二、汽车用铝特性
铝材型号 化学名称 适用汽车部位 特性 主要使用型号
2000系
A12Cu2Mg
骨架部分，座 2000系合金是一种热处理可强化的铝合金，具有优良的锻 造性、 较高的强度和良好的焊接性能，很好的烘烤强化效 椅部分 应，但其抗腐蚀性则比其他系列的铝合金差。
2036、
2022
5000系
A12Mg
蒙皮部分，车 门部分，底板 5000系合金是一种热处理不可强化的铝合金，具有良好的 部分，内饰部 抗腐蚀性和焊接性能，但退火状态下在加工变形时可能产生HANV5138-O、X5085-O、 吕德斯线和延迟屈服，因此主要用于车身内板等形状复杂的 5083 分 部位。
Al-Mg-Si-(Cu)合金是可热处理强化的铝合金，具有成形性好、耐蚀性强、强度高和较好的耐高温等性能。铝合金汽
车车身板材料，除上述几个优点外，主要考虑该类板材在冲压成形后经油漆烘烤强度会提高，具有烤漆硬化能力。 此外，Al-Mg-Si合金T4态板材的屈服强度和抗拉强度与钢板相近，n值超过钢板。 （2）5系铝合金 5系铝合金（ Al-Mg系合金）是不可热处理强化的铝合金，具有中等强度、耐蚀性好、较好的加工性能及良好的 焊接性能等特点。 在Al-Mg系合金中，Mg固溶于铝基体中，形成固溶强化效应使该合金在强度、成形性能和抗腐蚀性等具有普通碳钢 板的优点，可用于汽车内板等形状复杂的部位。 但Al-Mg系合金板材在室温放置后，在拉伸时容易出现Luders伸长，冲压成形后表面起皱，影响外观质量；延展性 和弯曲能力也会由于Fe含量的增加而恶化，经历烤漆容易出现软化现象。 Al-Mg系合金用作汽车车身板的缺点：延迟屈服和勒德斯线。当晶粒尺寸＞100μ m时，板材易出现“桔皮效应”。
四、 铝合金车身板的生产过程 五、板材的表面处理
一、铝合金基础知识
1.1 轻量化的必然性
汽车质量每减轻１%，可节省燃料消耗0.6％~1.0%； 车辆每减重100 kg，CO2排放量可减少约5 g/km，在轿车中每使用1 kg铝，可在其使用寿命期内减少20 kg尾气排放； 汽车尾气排放与油耗成正相关； 现有汽车越来越高级化，附加装置也越来越多。同样使得轻量化成了必然。
1.2 汽车轻量化的主要对象
发动机、底盘、车身及内外装占轿车总质量的比例较大,减重潜力也较大。轿车车身是轿车中重量较大的部件，约占汽车总 重量的30％，所以车身的铝化举足轻重。 底盘（除传动 系）
名称
发动机
车身
传动系
内装外装
其他
质量比例（%）
10~15
19~24
20~28
5~10
20~25
8~13
1.3 铝合金的特点：
6000系
A12Mg2Si
车门部分，底 板部分，座椅 6000系合金属于热处理可强化铝合金，具有较高的强度、 6009、6010、6111、 较好的塑性和优良的耐腐蚀性。与钢板相比，6000系2T4态 部分 6181A、6016 板材的屈服强度和抗拉强度相近，硬化系数甚至超过钢板。
用于汽车车身板的铝合金主要有2000 系、5000 系和 6000 系合金 ，从汽车车身所需材料及其加工特性来看，2000 系 和 5000 系主要用做汽车覆盖件的内板，而 6000 系主要用于汽车覆盖件的外板 。通常使用 5000 系列和 6000 系列铝 合金汽车板替换传统钢板
1.4 、铝合金分类
铝合金牌号划分
组别 纯铝（铝含量不小于99%） 以铜为主要合金元素的铝合金 以锰为主要合金元素的铝合金 以硅为主要合金元素的铝合金 以镁为主要合金元素的铝合金 以镁和硅为主要合金元素并以Mg2Si相为强 化相的铝合金 以锌为主要合金元素的铝合金 以其他元素为主要合金元素的铝合金 根据合金元素和加工工艺特性，可将铝合金分为变形铝合 金和铸造铝合金两大类。 备用合金组 牌号系列 1××× 2××× 3××× 4××× 5××× 6××× 7××× 8××× 9×××
轻量比实例
零件名称 钢板厚度mm 板质量kg 铝板厚度mm 板质量kg 轻量化率
发动机罩外板
0.75
8.5
1
3.9
54%
发动机罩内板
0.75
10.47
1
4.5
54%
铝合金板取代钢板后，为满足冲压件的使用性能，必须 对其进行等强度计算。弯曲刚度和强度是衡量板材的重要指标，为了 能够达到铝代钢后，产品性能满足使用要求，本文通过对铝合金板厚度的改变来实现，厚度计算 过程如下： (1)当以弯曲刚度来判断汽车结构件性能时，铝合金板和钢板的厚度比按下式计算：（钢板选择的是 DX54D，铝合金板选择 的是 5754）
tAl /tS = (σS / σAl)1/2
式中： σS ——钢板的屈服强度， σAl ——铝板的屈服强度， MPa； MPa。
1/2
1/2Biblioteka Baidu
σs =184.4MPa， σAl =116.9MPa。（原钢板的材料是 DX54D，铝合金板选择的是 5754） 由公式 (4-2)得：tAl / tS = (σS / σAl) 则铝合金板厚度为： =1.26
tAl /tS = (ES /EAl)1/3 tAl ——铝板的厚度， mm； tS ——钢板的厚度， mm； ES ——钢的弹性模量， MPa； EAl ——铝的弹性模量， Mpa；
ES=210Gpa ，Eal=61Gpa tAl/tS =(ES/EAl)1/3=1.5
(2)当采用弯曲强度作为判据时，铝合金板和钢板的厚度比按式 (4-2)计算：
铝合金和冷轧钢板力学性能和冲压成形性能
铝合金型号 2022-T4 2117-T4 2036-T4
2037-T4 2038-T4 5182-O 5182-SSF X5082-O 6009-T4 6010-T5 6111-T4 6016-T4 深冲钢 注：t---板材厚度
总伸长率σ/％ 26 25 24
汽车的铝合金一般采用热处理型6000系列和非热处理型5000系列，其中5038和5183是汽车车身最常用的型号。经试 验得出R值对铝合金板冲压成型影响不明显
2.2 性能要求
对汽车用铝合金板材的性能要求是：除有满足标准和规范的力学性能与耐蚀性之外，还应具有如下的性能： 第一，良好的成形性能、较低的屈强比以及较高的成形极限。 第二，表面光滑。
25 25 26 24 30 25 24 27.5 28.1 42.2
均伸长率σ/％ 20 20 20
20 _ 19 19 20 20 19 22 24.6 20.2
n值 0.25 0.25 0.23
0.24 0.26 0.33 0.31 0.3 0.23 0.22 _ 0.26 0.23
r值 0.63 0.59 0.75
tAl =1.26tS =1.26×0.7 = 0.88mm
取 tAl =max{1.05，0.88}=1.05mm。根据生产实际中板料的规格厚度，取tAl为 1mm，即铝合金板代替钢板之后 厚度由0.7mm增加到1mm。
0.7 0.75 0.8 0.67 0.66 0.7 0.7 _ 0.7 1.39
杯突深度值/mm 180°弯曲半径R 9.6 8.6 9.1
9.4 _ 9.9 9.7 _ 9.7 9.1 8.4 _ 11.9
1t 1t 1t
1t 1/2t 2t 2t 1t 1/2t 1t 1/2t _ 0
三、钢板与铝合金板材等强度计算
铝车身冲压工艺--资材篇
目录
一、铝合金基本知识
1.1 轻量化的必然性 1.2 汽车轻量化的主要对象
1.3 铝合金的特点
1.4 、铝合金分类
二、汽车用铝材简介
2.1 性能参数介绍
2.2 性能要求
2.3、汽车用铝材型号应用部位 2.4、应用于汽车车身的6系和5系铝合金对比
三、钢板与铝合金板材等强度计算
第三，良好的焊性能。为了满足汽车零部件焊接加工的工艺性能要求，铝合金板需要有良好的焊接性能。
第四，良好的烘烤硬化性能。 第五，高的抗凹陷性能。 第六，优良的表面处理和涂装性能。 第七，一定的抗时效稳定性能。 单向拉伸性能分析
欧洲与北美汽车覆盖件用铝情况
综合相关数据，总结出应用于汽车车身板的成品板材的性能要求： （a）T4(p)状态下 屈服强度：90~140MPa抗拉强度：220~285MPa延伸率（总）:≥20%; （塑性应变比） ≥0.40（45°） n值：≥0.27（拉伸应变硬化指数）r值：≥0.65（0°）
汽车车体用铝合金国际牌号和化学成分（质量%） 合金 2036 2037 2038 5023 5182 5754 6009 6010 6111 6016 Si 0.5 0.5 0.5~1.3 0.25 0.2 0.4 0.6~1.0 0.8~1.2 0.6~1.1 1.0~1.5 Fe 0.5 0.5 0.6 0.4 0.35 0.4 0.5 0.5 0.4 0.5 Cu 2.2~3.0 1.4~2.2 0.8~1.8 0.2~0.5 0.15 0.1 0.15~0.6 0.15~0.6 0.5~0.9 0.2 Mn 0.1~0.4 0.1~0.4 0.1~0.4 0.2 0.2~0.5 0.5 0.2~0.8 0.2~0.8 0.1~0.45 0.2 Mg 0.3~0.6 0.3~0.8 0.4~1.0 5.0~6.2 4.0~5.0 2.6~3.6 0.4~0.8 0.6~1.0 0.5~1.0 0.25~0.6 Cr 0.1 0.1 0.2 0.1 0.1 0.3 0.1 0.1 0.1 0.1 Zn 0.25 0.25 0.5 0.25 0.25 0.2 0.25 0.25 0.15 0.2 Ti 0.15 0.15 0.15 0.1 0.1 0.15 0.1 0.1 0.1 0.1 Al Rem Rem Rem Rem Rem Rem Rem Rem Rem Rem