文/劉存平,郭晟,羅宗平·宜賓職業(yè)技術(shù)學院
采用Dynaform 軟件對6061 鋁合金板材的沖壓成形進行數(shù)值模擬,研究了不同壓邊力和沖壓速度對成形極限圖(Forming limit diagram,F(xiàn)LD)及板材厚度變化的影響。結(jié)果表明:6061鋁合金成形過程中,隨壓邊力增加,筒形件邊緣起皺現(xiàn)象變的越來越嚴重,最大減薄率隨壓邊力的增加呈上升趨勢,而最大增厚率在壓邊力為50kN 時出現(xiàn)了異常的上升,當壓邊力為30kN 時該筒形件成形效果最好;沖壓速度對板料厚度變化的影響較大,較低的沖壓速度和較高的沖壓速度均較大程度地影響筒形件的成形質(zhì)量,在沖壓速度為5000mm/s 左右時,該筒形件成形質(zhì)量最好。
隨著能源問題日益突出,環(huán)境問題日益嚴重,汽車輕量化成為汽車行業(yè)發(fā)展的重要趨勢之一,研究表明汽車重量減少10%,能源效率可提升8%,減少溫室氣體排放達4%。高強度鋁合金具有密度小、比強度高、易加工,抗沖擊性能好和耐蝕性高等優(yōu)點,同時,鋁合金在吸收沖擊載荷方面明顯優(yōu)于鋼板,因此鋁合金是汽車車身輕量化的重要材料。鋁合金板材的成形性能將直接影響現(xiàn)代汽車工業(yè)的發(fā)展方向,為了更好地研究鋁合金的成形性能,國內(nèi)外學者進行了大量的鋁合金成形性能的研究試驗。本文利用Dynaform 軟件對6061 高強鋁合金的筒形件成形過程進行模擬仿真,可以為該材料成形應用理論研究提供一定的支撐。
鋁合金選用1.5mm厚度的6061高強鋁合金板材,其力學性能如表1 所示。
表1 材料力學性能表
筒形件拉深模具按照一次拉深進行設(shè)計,采用壓邊圈設(shè)置,初始壓邊力為40kN。
有限元模型的建立對模擬結(jié)果影響很大,模擬過程中的有限元分析模具參數(shù)見表2。拉深模間隙采用單邊間隙為1.5mm,凸模、凹模及壓邊圈均定義為剛體,板料定義為板殼單元,摩擦系數(shù)選取0.15。模型利用UG10 建立并保存為IGS 格式文件,將其導入到Dynaform 軟件中進行網(wǎng)格劃分并檢查,求解完成后可獲得成形極限圖(FLD 圖)、厚度變化云圖等數(shù)據(jù),用于結(jié)果分析。有限元模型圖如圖1所示。
圖1 有限元模型圖
表2 模具參數(shù)
壓邊力是影響沖壓性能的重要參數(shù)之一,壓邊力的大小直接決定了沖壓成形性能。壓邊力過大,材料流動困難,容易導致沖壓件拉裂;壓邊力過小,材料流進凹模速度過快,沖壓件容易起皺。試驗將壓邊力分別設(shè)置為10kN、30kN、50kN、70kN,圖2為不同壓邊力作用下的成形極限圖。從結(jié)果中看出,隨著壓邊力的增大,筒形件邊緣起皺不斷加劇,邊緣增厚率快速下降,筒體減薄率快速上升,說明邊緣材料流動性受阻,邊緣起皺風險和筒體破裂風險加大。其中,當壓邊力為50kN 左右時,增厚率出現(xiàn)了短期的上升波動,增厚率達到28%,原因需要進一步的研究;當壓邊力為70kN,減薄率為24%,由于隨著壓邊力繼續(xù)增大,鋁合金流入凹模的阻力加大,減薄率上升速度加快,影響了筒形件的成形。當壓邊力繼續(xù)增大,零件出現(xiàn)破裂的風險將急劇增加。圖3 為不同壓邊力作用下最大減薄率和最大增厚率的變化規(guī)律。
圖2 不同壓邊力的成形極限圖
圖3 最大減薄率和最大增厚率隨壓邊力變化規(guī)律
壓力機的沖壓速度也會對沖壓成形產(chǎn)生較大影響,材料的變形抗力會隨著沖壓速度變化而發(fā)生改變,從而影響鋁合金零件的成形性能。試驗在毛坯直徑為42mm,壓邊力為40kN 的條件下,設(shè)置沖壓速度分別為2000mm/s、3000mm/s、5000mm/s 和8000mm/s,成形極限圖如圖4 所示。
圖4 不同沖壓速度的成形極限圖
圖5 為最大減薄率和最大增厚率隨沖壓速度的變化規(guī)律圖,可以看出筒形件邊緣起皺現(xiàn)象,其先出現(xiàn)了一定程度的減少,后隨著沖壓速度而再增加,邊緣起皺現(xiàn)象有再增加的趨勢。當沖壓速度為2000mm/s時,即在沖壓速度較慢的情況下,沖壓件邊緣起皺現(xiàn)象最為突出;當沖壓速度為3000mm/s 時,即隨著速度的增加,邊緣起皺現(xiàn)象出現(xiàn)了明顯的好轉(zhuǎn),這時候最大減薄率和增厚率都出現(xiàn)了一定程度的下降;當沖壓速度在3000mm/s 至4000mm/s 時,最大減薄率開始上升,最大增厚率在這一速度階段出現(xiàn)了向上波動后下降的趨勢;當沖壓速度大于5000mm/s 時,最大增厚率和最大減薄率均呈現(xiàn)緩慢上升的趨勢,但是當沖壓速度達到8000mm/s 的時候,邊緣的起皺現(xiàn)象又變得突出起來。
圖5 最大減薄率和最大增厚率隨沖壓速度的變化規(guī)律
基于Dynaform 有限元軟件分析,研究了壓邊力和沖壓速度對筒形件成形性能的影響。在一定試驗條件下,壓邊力的大小直接影響了沖壓成形性能。結(jié)果顯示,隨著壓邊力的增大,筒形件邊緣起皺不斷加劇,邊緣增厚率快速下降,筒體減薄率快速上升,說明邊緣材料流動性受阻,邊緣起皺風險和筒體破裂風險加大。壓力機的沖壓速度也會對沖壓成形產(chǎn)生較大影響,隨著沖壓速度再增加,邊緣起皺現(xiàn)象有先減少后增加的趨勢。在沖壓速度較慢的情況下,沖壓件邊緣起皺現(xiàn)象最為突出。通過對仿真條件的研究,可以提高鋁合金筒形件沖壓的質(zhì)量,從而為實際生產(chǎn)提供較為可靠的理論數(shù)據(jù)支持。