汽车隔热板冲压工艺研究与前沿技术

文/张妮娜·秦皇岛燕大汽车零部件制造有限公司技术开发部

汽车隔热板冲压工艺研究与前沿技术

文/张妮娜·秦皇岛燕大汽车零部件制造有限公司技术开发部

汽车隔热板是传热工程上为减小辐射换热表面对其他零件的危害，在相邻表面之间放置的金属薄板。车身隔热板一般布置在发动机两侧和车身底部排气管通道上方。它主要利用热屏的反射绝热原理，来隔断热量的传递，同时它还有一定的局部隔噪声的作用。

隔热板一般是由薄金属板料制成的空间异形零件。同一般冲压件相比，具有材料薄、形状复杂、表面质量要求高等特点。

设计要求

（1）隔热板隔热效果要优良，在各种行驶状态下，车底温度不得高到使内部装备出现损坏或车内乘客被烫伤；隔热板在车辆正常使用过程中不应有过大的变形，如边缘翘起折断、开裂等。

（2）隔热板的分块应尽可能少，并尽量平整，减少气流的扰动；对于难以避免的狭小结构，在易引起湍流的局部，可以考虑在隔热板表面增加散热栅孔以改善散热。

（3）隔热板与车身之间的固定形式应保证在固定可靠的同时，兼顾装配精度和装配的方便性。对于材料热膨胀系数相差较大的复合结构隔热板，要特别注意连接、固定的方式。

（4）根据隔热情况需要选取恰当的材料和结构，避免浪费，考虑车辆轻量化设计，设计时追求最大的热源和车身之间的间距对削弱热量传递是最有效和经济的。

常用材料

轿车上使用的隔热材料，一般都兼有隔声作用。汽车工程中隔热板零件的常用材料，一般多选用工业纯铝板材。工业纯铝的主要特点:质量轻，密度为2.7×103kg/m3，约为钢铁的1/3；导热性好，便于热量散发；黑度ε=0.28，对热辐射有很好的屏蔽能力；塑性较好（低于一般车用冲压钢板），可方便地制成板材、箔材；抗大气腐蚀性好，能生成一层致密的氧化铝层，并有很好的耐热性。

冲压工艺分析

隔热板表面上不允许有褶皱、拉裂、擦伤、边缘拉痕等缺陷；形状又多为空间立体曲面，其形状很难在图上完整准确地表达出来。因此，设计过程中大量应用CAE、CAD、CAM等计算机辅助软件进行工艺分析模拟、模具设计、模具制造等关键设计工作。

汽车隔热板的结构形状和尺寸决定该件的工艺性，其关键是拉延工艺性。隔热板拉延成形时，由于其塑性变形的不均匀性，往往会使某些部位刚性较差。刚性差的工件受到振动后会产生空洞声，用这样的零件装车，汽车在高速行驶时就会发生振动，造成工件早期破坏，因此刚性要求不可忽视。隔热板一般都采用一次成形法，为了创造一个良好的拉延条件，通常将翻边展开，窗口补满，再加添上工艺补充部分，构成一个拉延件。下面就以某汽车增压器隔热板（图1）为例，进行相关工艺的分析。

图1 增压器隔热板数模

此件为汽车增压器隔热板，材料采用0.5mm镀铝光面钢板。镀铝钢板具有极佳的耐高温性（550℃），同时可反射80％的入射热量，其机械强度与基材的机械强度一致，并且镀铝钢板对化学腐蚀有极强的耐蚀性，广泛应用于汽车隔热部件等。

该隔热板采用内外两层板组合形式，两层镀铝钢板中间夹层内填加陶瓷纤维夹层材料。具体成形工艺步骤如下：拉延—修边—翻边—填加隔热材料（内外层之间）并压合—包边冲孔。

拉延

拉延是保证制成合格工件最主要的工序。其作用是将平板状毛料经过拉延使之成形为立体空间工件。拉延工艺数模如图2所示。

图2 拉延工艺数模

拉延模有正装和倒装两种形式。倒装拉延模的凸模和压边圈在下，凹模在上，它使用单动压力机，凸模直接装在下模座上，压边圈则使用压力机下面的顶出缸，通过顶杆获得所需的压料力。倒装形式拉延模只有在顶出压力能够满足压料需要的情况下方可采用。此件内外层使用同一套拉延模具即可，模具采用倒装结构，如图3所示。

图3 拉延模结构

修边

修边模用于将拉延件的工艺补充部分和压料凸缘的多余料切除，为翻边和整形准备条件。模具结构设计如图4所示；修边（内外层）工艺数模如图5所示。

图4 修边模结构

图5 修边工艺数模

翻边

翻边模是将半成品工件的一部分材料相对另一部分材料发生翻转，根据翻边的冲压方向不同，翻边模可分为垂直翻边模和水平翻边模两大类。水平翻边（含倾斜翻边）则需要斜楔结构完成翻边成形工作。此件采用垂直翻边，模具结构如图6所示，翻边工艺数模如图7所示。

图6 翻边模结构

图7 翻边工艺数模

填加陶瓷纤维隔热材料并压合

车身隔热板零件的典型结构之一，即多层复合板：常见的是双层铝板中间空心或夹层内填加玻璃棉、石棉、铝箔等材料。针对此隔热板我们采用的是在内层和外层镀铝板之间加隔热材料——陶瓷纤维，这是一种纤维状轻质耐火材料，具有重量轻、耐高温、热稳定性好、导热率低、比热小及耐机械振动等优点，逐渐在汽车领域得到广泛应用。填加隔热材料的双层隔热板时，为了保证工件的紧密与稳定性，还需要进行压合，具体模具结构如图8所示；压合工艺数模如图9所示。

图8 压合模结构

图9 压合工艺数模

包边冲孔

包边采用简易工装，包好内外层后进行冲孔。此件为空间曲面，在三面上均有孔，为了保证冲孔的一致性，采用斜楔结构一次冲孔完成，具体模具结构如图10所示：冲孔，工艺数模如图11所示。此隔热板（图12）为内、外层局部包边的形式，已经批量投入生产，产品质量稳定。

图10 冲孔模结构

图11 冲孔工艺数模

图12 隔热板实体

多层隔热板新型连接方式——Tox铆接

传统隔热板一般采用内外层包边的结构形式，对于复杂的三维空间曲面，不管是局部包边还是全部包边的形式都需要手工或专用工装制作，生产效率低。如果采用焊接连接方式，又会破坏制件的表面镀层，还会使板件产生热变形。

Tox铆接方式是通过一个冲压加工过程，依据板件本身材料的冷挤压变形形成圆点，即可将不同材质不同厚度的两层或多层板件连接起来。该连接方式对板件表面无任何要求，连接点处板件表面原有的镀层、漆层不受损伤。可单点或多点同时连接，生产效率高。这种连接方式也在隔热板内外板连接工艺中得到应用。应用实例如图13所示。

图13 Tox铆接型式的隔热板

模具制造

模具材料使用

模具制造的优劣直接决定工件质量。本文中工件冲压过程中涉及到的模具有两大类，成形模和冲裁模。拉延模、翻边模的凸凹模均采用钼铬铸铁，这种材料易于加工，表面淬火空冷后硬度即可达到55～60HRC，同时吸收润滑油产生自润滑功能，非常有利于薄板拉延成形；修边模凸凹模刃口采用空冷钢，这种材料不仅便于加工，而且有很好的淬硬性和淬透性，同时淬火变形小，表面淬火空冷后硬度可达到58～62HRC，非常适合薄板冲裁，同时其焊接性能也非常好，易于维修。

先进制造技术的应用

由于工件表面质量要求较高，所以模具表面要求具有较高的光洁度。本文提及的拉延模、翻边模的凸凹模等关键零件均采用数控高速铣加工，数控机床主轴转速达到15000r/min，表面粗糙度Ra能够达到0.4～0.8μm；这种加工方法大大减少了人工抛光的工作量，甚至可以不用抛光。智能数控加工设备已经很广泛地应用于模具制造，也是模具先进制造技术的必然发展趋势。

图14 采用波纹铝板加工的隔热板

汽车隔热板发展趋势

为了提高隔热效果，近几年，汽车隔热板在材料选用上又有新突破，一种波纹铝板很快应用到了汽车隔热板上。波纹铝板具有明显的特点：板厚一般0.5～0.6mm，由于表面经过波纹板加工时的冷作硬化，制成零件的强度高，尺寸稳定性较好，波纹板增加了隔热板的表面积，提高了隔热板对热和声波的反射能力，同时改善了空气在隔热板表面的流动状态，故隔热效果较单层平铝板好。波纹铝板作为发动机隔热板材料已经开始应用于实际生产中，并取得良好的效果。如图14所示为波纹铝板制作的隔热板产品。波纹板材已经成为汽车隔热板的主流基材，也将是今后汽车隔热技术发展的主要方向。