汽車用5182鋁合金的溫拉深成形性能

王孟君 ，周威 ，任杰，李彩文，黃電源，李光耀

(1. 中南大學(xué) 有色金屬材料科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410083；2. 湖南大學(xué) 汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙，410082)

隨著汽車產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，環(huán)境污染和能源短缺兩大社會(huì)問題日益突出，各國政府均要求汽車制造廠商降低其產(chǎn)品的能耗，提高燃料的經(jīng)濟(jì)性，減少污染[1-2]。當(dāng)前，使用輕量化材料無疑是改善汽車性能的最佳途徑。在眾多的汽車輕量化材料中，鋁合金由于其密度低、強(qiáng)度高及良好的回收再生性等一系列的優(yōu)點(diǎn)而受到關(guān)注[3-4]。當(dāng)前，國內(nèi)外對(duì)5182鋁合金板在汽車車身覆蓋件中的應(yīng)用研究仍處于起步階段[5-6]。汽車用鋁合金板的成形性能與傳統(tǒng)的汽車用鋼板相比有很大的差別，主要表現(xiàn)在鋁合金板在室溫條件下其成形性能較差，總伸長(zhǎng)率小，且彈性系數(shù)僅為鋼板的1/3，成形時(shí)易于產(chǎn)生金屬流動(dòng)不均，從而引發(fā)裂紋和起皺等缺陷[7]。有關(guān)研究表明[8-9]：5182鋁合金板在溫變形條件下其塑性會(huì)有較大提高，這就為工業(yè)化生產(chǎn)5000系鋁合金車身覆蓋件內(nèi)板創(chuàng)造了條件。為此，本文作者采用差溫拉深試驗(yàn)，研究不同變形條件下5182鋁合金板的力學(xué)特性及成形性能，確定獲得最佳成形性能的工藝條件，以期為開發(fā)汽車用5000系鋁合金板的成形技術(shù)提供理論參考。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)采用厚度為 1.4 mm的 5182鋁合金冷軋板，合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))見表1。板材的生產(chǎn)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)。

表1 5182鋁合金化學(xué)成分Table 1 Chemical compositions of 5182 aluminium alloy%

1.2 試驗(yàn)方法

研究表明[10]：溫成形時(shí)，沖頭溫度低于板料及凹模溫度，進(jìn)行差溫成形，有利于提高成形的變形程度。差溫拉深成形實(shí)驗(yàn)以Swift杯形件拉深試驗(yàn)[11]為基礎(chǔ)。圖1所示為拉深試驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖。該試驗(yàn)是一種以求極限拉深比LDR作為評(píng)定板材拉深性能的試驗(yàn)方法。試驗(yàn)時(shí)，采用不同直徑的平板毛坯，測(cè)算出不發(fā)生破裂所能拉深成杯形件的最大毛坯直徑Dmax與凸模直徑dp之比，此比值稱為極限拉深比。

在實(shí)驗(yàn)過程中，將板料涂抹好潤(rùn)滑劑后放置于凹模之上，并用壓邊圈壓緊；板料的加熱溫度分別為303，373，448，523和573 K；以0.1，0.5和1.5 mm/s 3種不同的拉深速度進(jìn)行拉深試驗(yàn)[9]，并在試驗(yàn)過程中保持拉深速度不變，實(shí)驗(yàn)過程的拉深載荷-沖頭行程曲線由實(shí)驗(yàn)機(jī)的繪圖機(jī)構(gòu)自動(dòng)繪制。

圖1 拉深試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of drawing experiment equipment

2 結(jié)果與分析

2.1 溫度對(duì)成形性能的影響

圖2和圖3所示分別為在拉深速率0.1 mm/s、壓邊力為3.0 N/mm2的條件下，加熱溫度為303，373，448，523和573 K時(shí)的極限拉深比(LDR)曲線及其對(duì)應(yīng)的拉深杯形件。從圖 2和圖 3可知：當(dāng)加熱溫度為303～523 K時(shí)，隨著溫度升高，LDR增大，在523 K時(shí)LDR達(dá)到了最大值，為2.5；隨著溫度的繼續(xù)升高，LDR開始下降，當(dāng)溫度為543 K時(shí)，LDR為2.45；溫度為573 K時(shí)LDR則下降到2.3。這說明在不同溫度下，5182鋁合金板的拉深特征為：極限拉深比并非隨著成形溫度的上升而單調(diào)增大；隨著溫度的升高，塑性變形能力增強(qiáng)，拉深性能明顯改善，但合金的抗拉強(qiáng)度卻逐漸降低。若板料的溫度過高(超過523 K時(shí))，由于凹模圓角處的危險(xiǎn)截面抗拉強(qiáng)度降低，而且降低程度超過了塑性變形的增強(qiáng)程度，從而增大了板料被拉裂的趨勢(shì)[12-13]，板材的LDR開始下降。由此可見：在本實(shí)驗(yàn)條件下，5182鋁合金板材的最佳拉深成形溫度為523 K。

圖2 5182鋁合金極限拉深比隨著變形溫度的變化Fig.2 Variations of limiting drawing ratio of 5182 aluminium alloy with forming temperatures

圖3 不同變形溫度下5182鋁合金拉深杯形件Fig.3 Drawing cup of 5182 aluminium alloy at various forming temperatures

2.2 壓邊力對(duì)成形性能的影響

壓邊力是板料成形中的重要工藝參數(shù)。若壓邊力過小，則無法有效地控制材料的流動(dòng)，板料容易起皺；若壓邊力過大，雖可避免起皺，但會(huì)導(dǎo)致拉裂趨勢(shì)明顯增加，同時(shí)模具和材料表面受損的可能性也相應(yīng)增大，這會(huì)降低模具的壽命和拉深成形制品的質(zhì)量[14-16]。本實(shí)驗(yàn)中采用恒定壓邊力的設(shè)置方式(將壓邊力設(shè)置為抑制板料起皺的臨界值并在拉深過程中保持不變)對(duì)5182鋁合金板材進(jìn)行拉深。實(shí)驗(yàn)中，壓邊力分別設(shè)定為2.0，2.3，2.5，2.8，3.0，3.3和3.5 N/mm2，成形溫度為523 K，拉深速度為0.1 mm/s。

5182鋁合金的極限拉伸比LDR隨著壓邊力的變化曲線如圖4所示。由圖4可以看出：隨著壓邊力的增大，5182鋁合金的極限拉深比逐漸增大，這主要是由于壓邊力的增大可以加大拉深件的減薄率；當(dāng)壓邊力達(dá)到3.0 N/mm2左右時(shí)，材料的極限拉深比最大；繼續(xù)增加壓邊力，則極限拉深比下降。這是由于壓邊力過大造成5182鋁合金拉深件危險(xiǎn)斷面發(fā)生過度減薄，等效應(yīng)力超過抗拉強(qiáng)度而發(fā)生拉裂缺陷。

圖4 523 K時(shí)5182鋁合金極限拉深比隨著壓邊力的變化Fig.4 Variations of limiting drawing ratio of 5182 aluminium alloy on different blank holder forces at 523 K

2.3 拉深速度對(duì)成形性能的影響

為了確定較佳的拉深速度，在板料溫度為523 K、壓邊力為3.0 N/mm2的條件下，分別采用3種拉深速度0.1，0.5和1.5 mm/s對(duì)5182鋁合金板料進(jìn)行拉深試驗(yàn)。不同拉深速度下的拉深載荷-沖頭行程曲線如圖5所示。從圖5可以看出：拉深速度從0.1 mm/s增加到0.5 mm/s時(shí)，拉深載荷略有增大；當(dāng)拉深速度增至1.5 mm/s時(shí)，拉深載荷迅速增大，導(dǎo)致板料拉深很淺時(shí)就在凸模圓角處被拉斷，如圖6所示。這是因?yàn)槔钏俣仍黾邮雇咕壍脑龊窦涌?，拉深過程繼續(xù)進(jìn)行所需的拉深力迅速增大，直至超出凸模圓角處金屬材料的承受能力，造成該處金屬過早發(fā)生局部流動(dòng)而失穩(wěn)斷裂；另外，在加熱條件下拉深成形時(shí)，增加變形速度將使 5182鋁合金的動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶受到限制[17]，應(yīng)變硬化得不到充分松弛，使得合金塑性明顯下降，拉深變形抗力顯著增加，造成材料在凸模圓角處斷裂。

圖5 523 K時(shí)不同拉深速度下的拉深載荷-沖頭行程曲線Fig.5 Punch stroke-punch load curves at different drawing speeds at 523 K

圖6 溫度為523 K、拉深速度為1.5 mm/s時(shí)的斷裂形貌Fig.6 Fracture morphology at drawing speed of 1.5 mm/s and at 523 K

3 結(jié)論

(1)5182鋁合金的極限拉深比LDR并不會(huì)隨著板料溫度的升高而單調(diào)增加，在 523 K時(shí)達(dá)到最大值2.5，之后隨著溫度的繼續(xù)升高，極限拉深比反而下降。

(2)當(dāng)壓邊力由2.0 N/mm2增加到3.0 N/mm2時(shí)，5182鋁合金的極限拉深比LDR逐漸增大，并在壓邊力為3.0 N/mm2時(shí)達(dá)到最大值2.5；但當(dāng)壓邊力超過3.0 N/mm2時(shí)，LDR迅速減小。

(3)當(dāng)拉深速度低于0.5 mm/s時(shí)，可以進(jìn)行良好的拉深，獲得較高的LDR；當(dāng)拉深速度達(dá)到1.5 mm/s，板料在凸模圓角處被拉斷。

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