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 有色金屬材料科學與工程教育部重點實驗室，湖南 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，湖南 長沙，410082)

隨著汽車產業的迅速發展，環境污染和能源短缺兩大社會問題日益突出，各國政府均要求汽車制造廠商降低其產品的能耗，提高燃料的經濟性，減少污染[1-2]。當前，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、強度高及良好的回收再生性等一系列的優點而受到關注[3-4]。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[5-6]。汽車用鋁合金板的成形性能與傳統的汽車用鋼板相比有很大的差別，主要表現在鋁合金板在室溫條件下其成形性能較差，總伸長率小，且彈性系數僅為鋼板的1/3，成形時易于產生金屬流動不均，從而引發裂紋和起皺等缺陷[7]。有關研究表明[8-9]：5182鋁合金板在溫變形條件下其塑性會有較大提高，這就為工業化生產5000系鋁合金車身覆蓋件內板創造了條件。為此，本文作者采用差溫拉深試驗，研究不同變形條件下5182鋁合金板的力學特性及成形性能，確定獲得最佳成形性能的工藝條件，以期為開發汽車用5000系鋁合金板的成形技術提供理論參考。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

本試驗采用厚度為 1.4 mm的 5182鋁合金冷軋板，合金化學成分(質量分數)見表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)。

表1 5182鋁合金化學成分Table 1 Chemical compositions of 5182 aluminium alloy%

1.2 試驗方法

研究表明[10]：溫成形時，沖頭溫度低于板料及凹模溫度，進行差溫成形，有利于提高成形的變形程度。差溫拉深成形實驗以Swift杯形件拉深試驗[11]為基礎。圖1所示為拉深試驗裝置簡圖。該試驗是一種以求極限拉深比LDR作為評定板材拉深性能的試驗方法。試驗時，采用不同直徑的平板毛坯，測算出不發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；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行拉深試驗[9]，并在試驗過程中保持拉深速度不變，實驗過程的拉深載荷-沖頭行程曲線由實驗機的繪圖機構自動繪制。

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

2 結果與分析

2.1 溫度對成形性能的影響

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時的極限拉深比(LDR)曲線及其對應的拉深杯形件。從圖 2和圖 3可知：當加熱溫度為303～523 K時，隨著溫度升高，LDR增大，在523 K時LDR達到了最大值，為2.5；隨著溫度的繼續升高，LDR開始下降，當溫度為543 K時，LDR為2.45；溫度為573 K時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。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，而且降低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[12-13]，板材的LDR開始下降。由此可見：在本實驗條件下，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 壓邊力對成形性能的影響

壓邊力是板料成形中的重要工藝參數。若壓邊力過小，則無法有效地控制材料的流動，板料容易起皺；若壓邊力過大，雖可避免起皺，但會導致拉裂趨勢明顯增加，同時模具和材料表面受損的可能性也相應增大，這會降低模具的壽命和拉深成形制品的質量[14-16]。本實驗中采用恒定壓邊力的設置方式(將壓邊力設置為抑制板料起皺的臨界值并在拉深過程中保持不變)對5182鋁合金板材進行拉深。實驗中，壓邊力分別設定為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；當壓邊力達到3.0 N/mm2左右時，材料的極限拉深比最大；繼續增加壓邊力，則極限拉深比下降。這是由于壓邊力過大造成5182鋁合金拉深件危險斷面發生過度減薄，等效應力超過抗拉強度而發生拉裂缺陷。

圖4 523 K時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5182鋁合金板料進行拉深試驗。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，拉深載荷略有增大；當拉深速度增至1.5 mm/s時，拉深載荷迅速增大，導致板料拉深很淺時就在凸模圓角處被拉斷，如圖6所示。這是因為拉深速度增加使凸緣的增厚加快，拉深過程繼續進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生局部流動而失穩斷裂；另外，在加熱條件下拉深成形時，增加變形速度將使 5182鋁合金的動態回復和動態再結晶受到限制[17]，應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時的斷裂形貌Fig.6 Fracture morphology at drawing speed of 1.5 mm/s and at 523 K

3 結論

(1)5182鋁合金的極限拉深比LDR并不會隨著板料溫度的升高而單調增加，在 523 K時達到最大值2.5，之后隨著溫度的繼續升高，極限拉深比反而下降。

(2)當壓邊力由2.0 N/mm2增加到3.0 N/mm2時，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時達到最大值2.5；但當壓邊力超過3.0 N/mm2時，LDR迅速減小。

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

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