铝合金机罩材料及包边设计要求

赵倩文　张铭洁　何健豪　刘倩南　李振兴

摘 要：本文阐述了铝合金机罩的材料种类、延伸率、时效性要求，翻边性能、包边类型及设计参数。铝合金机罩方案与原钢制机罩相比，具有轻量化优势，降低整车质心，提升行驶稳定性及更好的行人保护性能。

关键词：铝合金机罩 延伸率 翻边性能 包边

1 前言

由于汽车电动化率提升，乘用车轻量化要求更加迫切，铝合金材质密度低、重量轻、耐腐蚀性好，铝合金机罩在汽车的应用更加广泛。通过结构设计，铝合金机罩局部刚度与钢制机罩持平。铝合金机罩比钢质机罩减重30～50%[1]，可以提升碰撞行人头部撞击保护性能[2]。

本文通过对标及实物验证，明确铝合金机罩的材料组成、材料种类、延伸率实测、时效性要求，从材料组成、特性层面明确铝合金机罩的材质要求。涉及铝合金机罩外板翻边性能验证、包边类型及机罩总成的设计参数，从设计与制造技术层面规避铝合金机罩实物出现失效的风险。确保铝合金机罩产品质量，为此轻量化技术的横展应用创造条件。

2 铝合金机罩材料组成及特性

2.1 铝合金机罩材料组成

铝合金机罩由机罩外板及内板组成[3]，6系铝合金通常用来做外板，6系或5系铝合金为内板材料，6系材料具有热处理强化特性， 5系铝合金不具有热处理强化性。铝合金机罩外板及内板材料料厚对标如下表1所示。

2.2 铝合金机罩材料特性

2.2.1 材料延伸率

本文阐述研究的铝合金机罩为吉利某电动车车型，基于与钢制机罩的等刚度材料替换原则[4]，定义铝合金机罩外板为6016铝合金，料厚0.9mm，机罩内板为5182料厚0.9mm。

铝合金板材均匀延伸率要求，折弯90°时，均匀延伸率≥20%. 6016铝合金板材延伸率的实测值如表2。

由上表可知，铝合金机罩的时效性要求在180天内，可满足匀延伸率≥20%要求。即超过180天时效的铝合金板材，延伸率不达标的风险大。

2.2.2 材料延伸率材料翻边性能

采用如图1翻边性能试验装置测试板材翻边性能。板材放置于支撑辊上方，支撑辊与压头均为钢制件。

板材取样要求：分别按照轧制方向的0°和90°取样，经过预拉伸10%后，并切除预拉伸夹持端，

两支撑辊间距d=2*t+2*Rp，其中t为板材厚度，Rp为压头底部半径，

压头厚度Wp=2*Rp，

压头及支撑辊表面需保持润滑。

翻边因子f=Rp/t

具体材料翻边性能评价：

在未发生初始应变的情况下，经不同自然时效时间的板材，按翻边因子0.5的条件下测试，比对下图2翻边评价等级对照表。

5级为表面无可视性缺陷，4级轻度表面粗糙化，3级为明显表面粗糙化，2级表面小裂纹，1级为连续性表面裂纹

翻边评价3-5等级翻边性能可接受，等级1级和2级为不可接受等级。

3 铝合金机罩包边及设计参数

3.1 铝合金机罩包边类型

1）常见包边类型如下表3，

其中标准包边是车门总成的主要包边类型；直接包边适合单层板无内板的包边，尖角包边适用于内板板件厚或内板板件厚度不均时。铝合金机罩最常用的是水滴包邊包边。

选择适合的包边类型是满足产品包边质量的前提，此方法适用于车门总成等其他需要包边工序的所有汽车产品。

3.2 铝合金机罩包边设计参数

铝合金机罩包边设计参数，见图3包边设计参数图示，其中：

Fn： 翻边高度

Fr：铝合金机罩外板内圆角，Fr≥1.5mm；

MAX θ：包边前外板初始最大角度

铝合金机罩包边设计参数设定，是来源于多次的实物验证，当Fr＜1.5mm时，包边出现质量问题的概率增高，易出现包边钣金表面开裂的情况。

针对不同的包边工具类型，铝合金机罩外板内圆角Fr及外板初始最大角度MAXθ有不同的要求，见表4铝板翻边内圆角及翻边角度要求。

以上3中包边设备，外板初始最大角度MAXθ分别为105°/115°/135°，这是因为翻边角度变化大时，包边时钣件移动变大，顶部局部应变大，超过材料本身的延伸率，则会导致出现材料表面粗糙化，出现细小裂纹甚至是连续性裂纹。导致包边失效，不满足产品质量要求。

需注意的是，当115°＜θ≤135°时，包边专机需至少折3次。

3.3 包边设备介绍

随着包边技术的成熟应用，包边设备也经历了不断的发展和变化。

冲压模具包边是最初的包边方式。

机器人滚边系统[5]由三部分组成，包边模夹具系统、机器人及其控制系统、滚轮系统。与模具包边相比，具有柔性化、成本控制等优点，缺点是稳定性低于冲压模具包边，包边效率仍不够高。

包边专机是当产能要求超过每小时60件时，建议使用包边专机包边。包边专机由液压站、定位夹紧装置、底模、底板、角部包边、预包边模块（45°包边）、包边模块（90°包边）及底板组成。具有生产效率高、制造精度高等优点。

3.4 包边失效原因分析及解决措施

铝合金机罩在研发阶段，样件有出现罩包边失效风险[6]。为保证铝合金机罩的质量，需要对包边开裂进行失效原因分析，通过解决措施解决失效问题。

1）失效原因：

a.确认初版设计参数外板内圆角Fr过小，不满足包边设计要求；

b. 原包边工序次数太少，翻边角度变化大时，预包时钣件移动变大，顶部局部应变大，包边后尺寸精度及质量差。

2）解决措施：

a.更改优化设计参数外板内圆角Fr≥1.5mm，满足包边设计要求；

b. 增加包边工序次数。当115°＜θ≤135°时，包边专机需至少折3次。增加包边次数，可以减小每次翻边的角度变化，钣金局部应变较小，不会超过材料延伸率，满足翻边评价等级中的可接受等级，保证了包边后的钣金表面质量。

按照以上解决措施执行，可以解决包边失效问题，极大降低了包边失效出现的概率，保证铝合金机罩的包边质量。

4 结论

本文研究的铝合金机罩方案，与钢机罩相比轻量化效果明显，行人保护性能更佳，降低整车质心及优化整车前后轴荷占比，提升整车操稳性能。本文通过对标铝合金机罩内外板的材料性能，明确翻边性能判定方法、包边类型及设计参数，有效规避铝合金机罩包边失效风险。对包边失效进行原因分析，并总结阐述解决措施及方法。

本文提升铝合金机罩的技术成熟性及质量稳定性，助力于此技术方案的广泛应用。

参考文献：

[1]燕战秋，华润兰，论汽车轻量化[J].汽车工程，1994，I6（6）：375～383.

[2]王锋，范体强，赵清江，李阳，基于行人保护的铝合金发动机罩盖结构优化设计[J].汽车工艺与材料，2014（11）：6～10.

[3]付燕鹏，叶瑜合，谭敦松，铝合金发动机罩盖的优化设计[J].汽车实用技术，2018（12）：107～109.

[4]王俊峰，魏震，陈美玉，基于性能要求的发动机舱盖轻量化设计[J].汽车工程师，2020（3）：29～48.

[5]仝辉，邵金金，张逸，王知，谷家坤，铝合金发动机舱盖制造工艺[J].汽车工艺师，2021（6）：23～25.

[6]张云，浅谈车身包边零件的基本要求 [J].汽车工艺与材料，2010（4）：39～50.