陈婕尔，王孟君, ，杨 刚，周 威，李光耀

(1.中南大学 有色金属材料科学与工程教育部重点实验室，长沙 410083；2.湖南大学 汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙，410082)

随着汽车工业的快速发展，环境污染与能源短缺已经成为社会日益凸出的问题。因此，减轻汽车质量以降低能耗，提高燃料的经济性，减少污染成为各大汽车厂商的主要措施之一[1-2]。轻质材料的应用是实现轻量化的主要方法。在众多轻质材料中，铝合金以其密度低、比强度和比刚度较高等优点而受到广泛的关注[3-4]。目前，国内外研究人员对汽车车身铝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]。热处理不可强化的5000系铝合金由于其强度、成形性和抗腐蚀性等方面具有普碳钢板的优点，能用于汽车内板等形状复杂的部位[6]。

当前，国内外对5182铝合金板在汽车车身覆盖件中的应用研究仍处于起步阶段[7-8]。汽车用铝合金板的应用与传统的汽车用钢板相比有很大的差距，主要表现在铝合金板在室温条件下其成形性能较差，成形时易导致金属流动不均，从而引发裂纹和起皱等缺陷。有关研究表明[9-21]：5182铝合金板在温变形条件下其塑性会有较大提高。且随着计算机技术的快速发展以及有限元软件的成熟，利用有限元研究铝合金温成形过程已经得到了广泛的应用[22-24]。为此，本文作者采用温冲压试验，结合 ABAQUS有限元软件，考虑材料变形温度与应变率的影响，研究冲压温度和冲压速度的变化对5182铝合金板料冲压成形性能的影响。

1 极限拉深比实验

实验材料采用厚为1.4mm的退火态5182铝合金冷轧板材，合金化学成分列于表1。

板材的生产工艺流程为：熔炼→铸造→锯切→铣面→均匀化→热轧→冷轧(板厚 1.4 mm) →退火(380℃，24 h)[25]。

表1 5182铝合金化学成分Table1 Chemical compositions of 5182 aluminum alloy(mass fraction, %)

图1所示为温冲压实验装置简图。采用极限拉深比(LDR)来评定板材的冲压成形性能。凸模与凹模直径分别为d30 mm与d34 mm，凹模圆角与凸模圆角半径均为 6 mm。试样采用线切割的方法制取直径为45～75 mm、且以1.5 mm递增的大小不同的圆片状板材。在实验过程中，将板料涂抹好润滑剂后放置于凹模之上，并用压边圈压紧；热电偶同时加热凹模和压边圈，凸模不加热。板料的加热温度分别为323、373、448、523和573 K，压边力为3.0 N/mm2，以0.1、0.5和1.5 mm/s的冲压速度进行冲压实验，并在实验过程中保持冲压速度不变。

图2(a)所示为冲压速度为0.1 mm/s、压边力为3.0 N/mm2时不同冲压温度下5182铝合金实验LDR值。由图2(a)可知，随着冲压温度的升高，合金的LDR值由1.9逐渐增大，523 K时达到最大值2.5；而当冲压温度的继续升高，LDR值开始下降。图2(b)所示为变形温度为523 K、压边力为3.0 N/mm2时，不同冲压速度下5182铝合金的实验LDR值。从图2(b)中可以看出，随着冲压速度的增大，该合金的LDR值逐渐下降。

图1 冲压试验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of stamping experiment equipment

图2 不同冲压温度下铝合金的极限拉深比曲线和不同冲压速度下铝合金的极限拉深比曲线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 数值模拟及分析验证

2.1 数值模型建立及模拟参数的确定

通过 ABAQUS有限元软件建立冲压成形过程模拟模型，考虑到模型的对称性，取1/4模型进行计算，数值模型如图3所示；模型尺寸与试验装置尺寸一致。凸模、压边圈和凹模设为刚体，板料设为变形体，采用四节点壳单元划分网格。模拟中忽略板料的各向异性、包辛格效应及板料与空气的热辐射作用。模拟过程中，模具温度设为恒定。5182铝合金板温冲压模拟详细参数见表2。材料的本构方程采用黄电源[9]通过在变形温度323～523 K、应变速率0.001～0.1 s-1范围时的应力应变曲线建立的5182铝合金相关的本构方程，如式(1)所示。

2.2 温度对成形性能的影响

图3 冲压模具有限元模型示意图(1/4)Fig.3 Schematic diagram of stamping model for finite element analysis (1/4)

表2 数值模拟参数Table2 Numerical simulation parameters

图4所示为不同冲压温度下变形板料温度分布云图。由图4可看出，在温冲压过程中，由于凸模与板料的接触热传导的作用，使板料具有一定温度梯度(凸模圆角处温度低，凹模圆角处温度高)；随着冲压温度的升高，变形板料的温度梯度差值增大。当冲压温度低于523 K时，随着冲压温度的升高，在温度梯度的作用下，温度较低的凸模圆角处板料的应变硬化指数增大[7]，使凸模圆角处板料的减薄趋势逐渐转移至凹模圆角处，从而减轻了凸模圆角处板料的拉裂趋势，使合金的LDR值增加，如图5所示。而当冲压温度达到573 K，冲压行程为16 mm时，此时板料温度梯度的差值达到 234 K，凹模圆角处板料最小厚度仅为0.567 2 mm，减薄率超过了25%，出现断裂，如图4(c)与5(c)所示。这主要是由于冲压温度升高，变形过程中凹模圆角处板料的抗拉强度降低，且降低的程度超过了塑性变形引起的加工硬化程度，造成板料在凹模圆角断裂。极限拉深比实验结果如图6所示，极限拉深比并非随着成形温度的上升而单调增大；随着温度的升高，塑性变形能力增强，拉深性能明显改善，但合金的抗拉强度却逐渐降低，在523 K时，LDR值达到最大值2.5。若板料的温度过高(超过523 K时)，由于凹模圆角处的危险截面抗拉强度降低，且降低的程度超过了塑性变形的增强程度，从而增大了板料被拉裂的趋势，模拟结果与实验结果基本一致。

2.3 速度对成形性能的影响

图7所示为不同冲压速度下板料温度分布云图。从图7中可以看出，在相同的凸模行程下，随着冲压速度的增加，板料的温度梯度差值变小。同时，冲压速度的增加使得板料的应变速率增加。由于板料的应变速率敏感系数随着变形温度的升高而增大[7]，所以凹模圆角处的变形板料所受到应变速率的影响要大于凸模圆角处的板料，而且随着应变速率的增加，使得板料的应变硬化指数增加[7]。在温度梯度与应变速率的双重影响下，合金的应变硬化得不到充分松弛，使其强度和冲压变形抗力迅速增加、塑性变形能力降低，危险截面在凸模圆角处产生，造成板料在凸模圆角处断裂，如图8所示。极限拉深比实验结果如图8(b)所示。当拉深速度增至1.5 mm/s时，在拉深很浅时板料就在凸模圆角处被拉裂。

图4 不同冲压温度下板料温度分布Fig.4 Temperature distribution of sheet metal at various stamping temperatures: (a) 448 K; (b) 523 K;(c) 573 K

图5 不同冲压温度下板料厚度分布Fig.5 Thickness distribution of sheet metal at various stamping temperatures: (a) 448 K; (b) 523 K;(c) 573 K

图6 不同变形温度下的5182铝合金拉深杯形件Fig.6 Cup shell of 5182 aluminum alloy at different deformation temperatures

图7 不同冲压速度下板料温度分布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

图8 冲压速度为1.5 mm/s时的拉裂模拟图及实物图Fig.8 Crack simulation map(a) and physical map(b) at stamping speed of 1.5 mm/s

4 结论

1) 冲压温度和冲压速度对5182铝合金的冲压性能具有重要影响；当冲压速度为0.1 mm/s时，随着冲压温度的升高，5182铝合金板的LDR先增加后减少，在523 K时达到最大值2.5；当冲压温度为523 K时，随着冲压速度的增加，LDR值从2.5降低至1.9。

2) 当冲压速度为0.1 mm/s时，随着冲压温度的升高，变形板料的温度梯度逐渐增大，LDR值逐渐增大；当冲压温度为523 K时，随着冲压速度的增大，变形板料的应变速率增大，温度梯度差值变小，合金的LDR值减小。实验结果与模拟结果基本吻合。

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