汽車用5182鋁合金板溫沖壓實驗研究及數值模擬

陳婕爾，王孟君, ，楊 剛，周 威，李光耀

(1.中南大學 有色金屬材料科學與工程教育部重點實驗室，長沙 410083；2.湖南大學 汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，長沙，410082)

隨著汽車工業的快速發展，環境污染與能源短缺已經成為社會日益凸出的問題。因此，減輕汽車質量以降低能耗，提高燃料的經濟性，減少污染成為各大汽車廠商的主要措施之一[1-2]。輕質材料的應用是實現輕量化的主要方法。在眾多輕質材料中，鋁合金以其密度低、比強度和比剛度較高等優點而受到廣泛的關注[3-4]。目前，國內外研究人員對汽車車身鋁合金板材的研究主要集中在Al-Cu-Mg(2000系)、Al-Mg(5000系)和Al-Mg-Si(6000系)三大系列上[5]。熱處理不可強化的5000系鋁合金由于其強度、成形性和抗腐蝕性等方面具有普碳鋼板的優點，能用于汽車內板等形狀復雜的部位[6]。

當前，國內外對5182鋁合金板在汽車車身覆蓋件中的應用研究仍處于起步階段[7-8]。汽車用鋁合金板的應用與傳統的汽車用鋼板相比有很大的差距，主要表現在鋁合金板在室溫條件下其成形性能較差，成形時易導致金屬流動不均，從而引發裂紋和起皺等缺陷。有關研究表明[9-21]：5182鋁合金板在溫變形條件下其塑性會有較大提高。且隨著計算機技術的快速發展以及有限元軟件的成熟，利用有限元研究鋁合金溫成形過程已經得到了廣泛的應用[22-24]。為此，本文作者采用溫沖壓試驗，結合 ABAQUS有限元軟件，考慮材料變形溫度與應變率的影響，研究沖壓溫度和沖壓速度的變化對5182鋁合金板料沖壓成形性能的影響。

1 極限拉深比實驗

實驗材料采用厚為1.4mm的退火態5182鋁合金冷軋板材，合金化學成分列于表1。

板材的生產工藝流程為：熔煉→鑄造→鋸切→銑面→均勻化→熱軋→冷軋(板厚 1.4 mm) →退火(380℃，24 h)[25]。

表1 5182鋁合金化學成分Table1 Chemical compositions of 5182 aluminum alloy(mass fraction, %)

圖1所示為溫沖壓實驗裝置簡圖。采用極限拉深比(LDR)來評定板材的沖壓成形性能。凸模與凹模直徑分別為d30 mm與d34 mm，凹模圓角與凸模圓角半徑均為 6 mm。試樣采用線切割的方法制取直徑為45～75 mm、且以1.5 mm遞增的大小不同的圓片狀板材。在實驗過程中，將板料涂抹好潤滑劑后放置于凹模之上，并用壓邊圈壓緊；熱電偶同時加熱凹模和壓邊圈，凸模不加熱。板料的加熱溫度分別為323、373、448、523和573 K，壓邊力為3.0 N/mm2，以0.1、0.5和1.5 mm/s的沖壓速度進行沖壓實驗，并在實驗過程中保持沖壓速度不變。

圖2(a)所示為沖壓速度為0.1 mm/s、壓邊力為3.0 N/mm2時不同沖壓溫度下5182鋁合金實驗LDR值。由圖2(a)可知，隨著沖壓溫度的升高，合金的LDR值由1.9逐漸增大，523 K時達到最大值2.5；而當沖壓溫度的繼續升高，LDR值開始下降。圖2(b)所示為變形溫度為523 K、壓邊力為3.0 N/mm2時，不同沖壓速度下5182鋁合金的實驗LDR值。從圖2(b)中可以看出，隨著沖壓速度的增大，該合金的LDR值逐漸下降。

圖1 沖壓試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of stamping experiment equipment

圖2 不同沖壓溫度下鋁合金的極限拉深比曲線和不同沖壓速度下鋁合金的極限拉深比曲線Fig.2 LDR of different stamping temperatures at drawing speed of 0.1mm/s(a) and LDR of different stamping speeds at temperature of 523 K(b)

2 數值模擬及分析驗證

2.1 數值模型建立及模擬參數的確定

通過 ABAQUS有限元軟件建立沖壓成形過程模擬模型，考慮到模型的對稱性，取1/4模型進行計算，數值模型如圖3所示；模型尺寸與試驗裝置尺寸一致。凸模、壓邊圈和凹模設為剛體，板料設為變形體，采用四節點殼單元劃分網格。模擬中忽略板料的各向異性、包辛格效應及板料與空氣的熱輻射作用。模擬過程中，模具溫度設為恒定。5182鋁合金板溫沖壓模擬詳細參數見表2。材料的本構方程采用黃電源[9]通過在變形溫度323～523 K、應變速率0.001～0.1 s-1范圍時的應力應變曲線建立的5182鋁合金相關的本構方程，如式(1)所示。

2.2 溫度對成形性能的影響

圖3 沖壓模具有限元模型示意圖(1/4)Fig.3 Schematic diagram of stamping model for finite element analysis (1/4)

表2 數值模擬參數Table2 Numerical simulation parameters

圖4所示為不同沖壓溫度下變形板料溫度分布云圖。由圖4可看出，在溫沖壓過程中，由于凸模與板料的接觸熱傳導的作用，使板料具有一定溫度梯度(凸模圓角處溫度低，凹模圓角處溫度高)；隨著沖壓溫度的升高，變形板料的溫度梯度差值增大。當沖壓溫度低于523 K時，隨著沖壓溫度的升高，在溫度梯度的作用下，溫度較低的凸模圓角處板料的應變硬化指數增大[7]，使凸模圓角處板料的減薄趨勢逐漸轉移至凹模圓角處，從而減輕了凸模圓角處板料的拉裂趨勢，使合金的LDR值增加，如圖5所示。而當沖壓溫度達到573 K，沖壓行程為16 mm時，此時板料溫度梯度的差值達到 234 K，凹模圓角處板料最小厚度僅為0.567 2 mm，減薄率超過了25%，出現斷裂，如圖4(c)與5(c)所示。這主要是由于沖壓溫度升高，變形過程中凹模圓角處板料的抗拉強度降低，且降低的程度超過了塑性變形引起的加工硬化程度，造成板料在凹模圓角斷裂。極限拉深比實驗結果如圖6所示，極限拉深比并非隨著成形溫度的上升而單調增大；隨著溫度的升高，塑性變形能力增強，拉深性能明顯改善，但合金的抗拉強度卻逐漸降低，在523 K時，LDR值達到最大值2.5。若板料的溫度過高(超過523 K時)，由于凹模圓角處的危險截面抗拉強度降低，且降低的程度超過了塑性變形的增強程度，從而增大了板料被拉裂的趨勢，模擬結果與實驗結果基本一致。

2.3 速度對成形性能的影響

圖7所示為不同沖壓速度下板料溫度分布云圖。從圖7中可以看出，在相同的凸模行程下，隨著沖壓速度的增加，板料的溫度梯度差值變小。同時，沖壓速度的增加使得板料的應變速率增加。由于板料的應變速率敏感系數隨著變形溫度的升高而增大[7]，所以凹模圓角處的變形板料所受到應變速率的影響要大于凸模圓角處的板料，而且隨著應變速率的增加，使得板料的應變硬化指數增加[7]。在溫度梯度與應變速率的雙重影響下，合金的應變硬化得不到充分松弛，使其強度和沖壓變形抗力迅速增加、塑性變形能力降低，危險截面在凸模圓角處產生，造成板料在凸模圓角處斷裂，如圖8所示。極限拉深比實驗結果如圖8(b)所示。當拉深速度增至1.5 mm/s時，在拉深很淺時板料就在凸模圓角處被拉裂。

圖4 不同沖壓溫度下板料溫度分布Fig.4 Temperature distribution of sheet metal at various stamping temperatures: (a) 448 K; (b) 523 K;(c) 573 K

圖5 不同沖壓溫度下板料厚度分布Fig.5 Thickness distribution of sheet metal at various stamping temperatures: (a) 448 K; (b) 523 K;(c) 573 K

圖6 不同變形溫度下的5182鋁合金拉深杯形件Fig.6 Cup shell of 5182 aluminum alloy at different deformation temperatures

圖7 不同沖壓速度下板料溫度分布Fig.7 Temperature distribution of sheet metal at different stamping speeds: (a) 0.1 mm/s;(b) 1.0 mm/s; (c) 1.5 mm/s

圖8 沖壓速度為1.5 mm/s時的拉裂模擬圖及實物圖Fig.8 Crack simulation map(a) and physical map(b) at stamping speed of 1.5 mm/s

4 結論

1) 沖壓溫度和沖壓速度對5182鋁合金的沖壓性能具有重要影響；當沖壓速度為0.1 mm/s時，隨著沖壓溫度的升高，5182鋁合金板的LDR先增加后減少，在523 K時達到最大值2.5；當沖壓溫度為523 K時，隨著沖壓速度的增加，LDR值從2.5降低至1.9。

2) 當沖壓速度為0.1 mm/s時，隨著沖壓溫度的升高，變形板料的溫度梯度逐漸增大，LDR值逐漸增大；當沖壓溫度為523 K時，隨著沖壓速度的增大，變形板料的應變速率增大，溫度梯度差值變小，合金的LDR值減小。實驗結果與模擬結果基本吻合。

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