5052鋁合金半球形件在覆板輔助下的成形過程研究

宮海蘭， 姚永杰

（1.上海信息技術(shù)學校，上海 200331；2.浙江恒友機電有限公司，浙江 金華 321299）

0 引言

鋁合金具有密度低、比強度高、耐腐蝕、易導熱導電等優(yōu)點，在航空、汽車、軌道交通等交通工具及家電、門窗、廚衛(wèi)等制造領(lǐng)域備受青睞，其使用量也僅次于鋼。特別是在近年來節(jié)能減排的環(huán)境要求下，發(fā)展輕質(zhì)合金成形工藝、提高輕質(zhì)合金使用比例和零件成形質(zhì)量已經(jīng)成為多個制造領(lǐng)域不斷追求的主要目標之一。

在沖壓成形零件領(lǐng)域，鋁合金鈑金件的使用也越來越多，但與傳統(tǒng)的鋼鈑金件相比，鋁合金板材在常溫下延伸率低（一般為10%～25%），塑形變形能力較差，在復(fù)雜形狀、大變形零件成形過程中容易產(chǎn)生起皺、破裂等諸多問題。為解決復(fù)雜形狀、大變形零件鋁合金板材成形問題，國內(nèi)外學者提出了諸多新成形工藝，如充液成形、電磁成形、熱成形及超塑性成形等[1]。王會廷等[2]對2A12鋁合金使用液體內(nèi)向流動的充液拉深新工藝，成功拉深出極限拉深比為2.85的圓筒形件和多邊形件；吳曉煒等[3]通過熱沖壓與超塑性成形相結(jié)合的方式，制造出5083鋁合金汽車引擎蓋。

覆板成形是在現(xiàn)有成形工藝基礎(chǔ)上，通過在成形板材的一側(cè)或兩側(cè)覆上塑性較好且強度較高的板材，借助覆板改變成形板材受力狀態(tài)及變形規(guī)律，從而進一步提高成形板材的成形性能和成形質(zhì)量[4]。與其它成形方法相比較，覆板成形具有不需要調(diào)整模具結(jié)構(gòu)、操作過程比較簡單等優(yōu)點，在復(fù)雜形狀零件成形過程中得到較好的應(yīng)用。因此，本文針對5052鋁合金半球形件成形質(zhì)量問題，提出采用在覆板輔助下的成形方法，并對成形過程和工藝參數(shù)優(yōu)化進行了系統(tǒng)研究，最終沖壓出高質(zhì)量的零件。

1 成形零件及方案

5052鋁合金由于具有良好的防腐性及耐疲勞強度，在飛機的油箱、油管、儀表、車輛、船舶鈑金件、電器外殼等多個領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。半球形件是常見鋁合金零件之一，其形狀及尺寸如圖1所示，零件的半徑為40 mm、高度為41 mm，凹模圓角半徑為5 mm，材料厚度為1.0 mm。由于零件變形量較大，往往會出現(xiàn)局部破裂的嚴重缺陷。

圖1 半球形零件截面尺寸示意圖

為此，成形過程分別采用SPCC深沖鋼板和SUS304不銹鋼板作為覆板，覆板的厚度均為1.0 mm，成形板及覆板的坯料直徑為φ130 mm。為了研究方便，選擇黏性介質(zhì)作為成形傳力介質(zhì)，并采用定間隙壓邊方式進行成形[5-8]。成形實驗前，通過單向拉伸試驗獲得的5052鋁合金、SPCC深沖鋼和SUS304不銹鋼的力學性能，如表1所示。

表1 實驗用材料力學性能

2 成形過程有限元分析

2.1 有限元分析模型

根據(jù)5052半球形件覆板成形方案，建立的有限元分析模型如圖2所示。有限元分析過程中，成形模具、介質(zhì)倉和柱塞設(shè)為剛體，成形板、覆板、黏性介質(zhì)設(shè)為變形體；成形板與覆板、模具之間的間隙形成壓邊間隙；成形板與覆板、模具、黏性介質(zhì)之間的摩擦因數(shù)為0.1，成形板與黏性介質(zhì)之間的摩擦因數(shù)為0.12。成形過程中通過柱塞壓縮黏性介質(zhì)使成形板和覆板產(chǎn)生塑性變形。成形過程中所用壓邊間隙分別為1.05t、1.10t、1.15t和1.20t（t為成形板和覆板初始厚度總和）。

圖2 有限元分析模型半剖視圖

2.2 有限元分析結(jié)果

不同壓邊間隙下5052鋁合金半球形件厚度分布云圖及法蘭區(qū)最大直徑如圖3所示，所有覆板材料為SPCC。從圖3中可以看出，當壓邊間隙小于1.10t時，成形零件的法蘭區(qū)都很平整，但由于壓邊間隙較小及法蘭區(qū)材料厚度的不斷增大，使得成形板材與模具之間的摩擦力急劇增大，一定程度上阻礙了法蘭區(qū)材料向凹模腔內(nèi)的流動，凹模內(nèi)成形區(qū)的材料得不到法蘭區(qū)材料的足夠補充，成形區(qū)呈現(xiàn)出較明顯的脹形應(yīng)變狀態(tài)，使得成形后的半球形零件頂部區(qū)域壁厚明顯減薄。當壓邊間隙大于1.10t，由于壓邊間隙較大，法蘭區(qū)材料會有失穩(wěn)起皺現(xiàn)象，這也會阻礙法蘭區(qū)材料向凹模腔內(nèi)的流動，使得成形后半球形零件頂部區(qū)域壁厚減薄。通過以上結(jié)果分析可知，壓邊間隙對半球形件的成形質(zhì)量有顯著影響，成形過程選取1.10t壓邊間隙，既有利于法蘭區(qū)材料向成形區(qū)的流入，又能夠防止法蘭區(qū)褶皺的產(chǎn)生，從而有助于提高成形零件質(zhì)量。

圖3 不同壓邊間隙下5052鋁合金半球形件厚分布云圖

不同覆板材料輔助下5052鋁合金半球形件厚度分布云圖及法蘭區(qū)最大直徑如圖4所示。從圖中可以看出，使用SPCC和SUS304作為覆板時，5052半球形件法蘭區(qū)最大直徑分別為110.627 mm和109.286 mm，可計算獲得法蘭區(qū)單邊流動量分別為9.687 mm和10.357 mm，成形零件最小壁厚分別為0.610 mm和0.720 mm。相比使用SPCC覆板，使用SUS304覆板后5052鋁板成形零件法蘭區(qū)單邊流動量增加了6.9%，最小壁厚增加了18.0%。

圖4 不同覆板輔助下5052鋁合金半球形件壁厚分布云圖及法蘭區(qū)最大直徑

圖5為不同覆板輔助下5052鋁合金半球形件及其覆板成形件壁厚分布規(guī)律的對比。從圖中可以看出5052鋁合金半球形件與其相對應(yīng)的覆板成形件的壁厚分布基本一致，其覆板成形零件壁厚略小于5052板，主要是成形后期其相對較小的凹模圓角半徑阻礙了法蘭區(qū)材料的流動。同時還可以看出，與SPCC覆板輔助相比，在SUS304覆板輔助下，5052成形零件最小壁厚明顯提高，壁厚分布更均勻。這主要是因為SUS304強度較高，成形過程中作用于5052板材的法向壓力更大， 從而對5052鋁合金半球形件成形質(zhì)量的提高效果更好。

圖5 不同覆板輔助下5052鋁合金半球形件及其覆板成形件壁厚分布規(guī)律的對比

3 實驗驗證

為了驗證有限元分析結(jié)果的準確性，分別進行了SPCC覆板和SUS304覆板輔助下5052鋁合金半球形件成形實驗，選用1.10t的定間隙壓邊，實驗結(jié)果如圖6所示。從圖中可以看出，使用SPCC為覆板時，5052成形試件未完全貼模就產(chǎn)生了破裂，這是由于SPCC強度較低，對5052板材施加的法向壓力較低，同時SPCC自身屈強比小，成形區(qū)厚度減薄嚴重，導致5052鋁合金半球形件成形過程出現(xiàn)了破裂。從圖6中還可以看出，使用SUS304為覆板時，可沖壓出良好的5052半球形零件，經(jīng)測量5052半球形件變形前后法蘭區(qū)單邊流動量為10.12 mm，最小壁厚為0.70 mm，與有限元分析得到的10.35 mm和0.72 mm基本吻合。

圖6 5052半球形拉脹成形零件

4 結(jié)語

1）通過不同壓邊間隙下覆板輔助成形有限元分析，得到了較優(yōu)的壓邊間隙為1.10t，壓邊間隙過小會阻礙法蘭區(qū)材料的流動，壓邊間隙過大會在法蘭區(qū)形成起皺；2）通過不同覆板材料輔助成形有限元分析結(jié)果表明，成形過程中選擇強度較高的覆板，對成形零件最小壁厚的提高幅度越大，壁厚分布越均勻；3）通過不同覆板材料輔助成形實驗結(jié)果表明，使用SPCC作覆板時，5052鋁合金半球形件成形過程發(fā)生了破裂，而使用SUS304覆板時沖壓出良好的零件，實驗結(jié)果與有限元分析結(jié)果基本吻合。