6061鋁合金沖壓成形性能試驗研究

武晉

天津中德職業技術學院機械工程系，天津 300191

6061鋁合金沖壓成形性能試驗研究

武晉

天津中德職業技術學院機械工程系，天津 300191

利用電子萬能試驗機、掃描電鏡等手段,對6061鋁合金板材的拉伸性能進行了研究，并與6010鋁合金的各項力學性能參數進行了比較；利用拉伸試驗所測的力學性能參數，用板料成形有限元分析軟件--Dynaform對6061鋁合金的杯突過程進行仿真，并與真實的杯突試驗進行了比較，分析了6061鋁合金薄板的沖壓成形性能。結果表明：6061鋁合金的屈服強度σs和極限強度σb 與6010鋁合金有一定的差距，但是均勻延伸率δ與6010鋁合金相當；仿真所得的杯突值IE與實際的相近。因此6061鋁合金具有較好的成形性能，能代替6010鋁合金板材應用于汽車的一些領域。

汽車輕量化; 6061鋁合金; 成形性能; 杯突試驗

引言

汽車工業的發展面臨著能源，環保和安全這三大課題越來越嚴峻的挑戰。因此，減輕汽車自重以降低能耗成為各大汽車廠關注的焦點。而減輕汽車自重的關鍵是使用輕質材料。其中鋁及其合金由于具有資源豐富，質量輕，彈性好，比強度和比剛度高，抗沖擊性能好，良好的加工成形性等一系列優良特性，成為汽車輕量化最理想的材料。

6061 鋁合金屬于Al-Mg-Si-Cu系，是一種典型的可變形熱處理鋁合金，具有良好的加工，焊接性能、抗蝕性，中等強度和良好的塑性，在熱態和冷態都易于加工成型， 因而具有很好的綜合性能。常用于制造中等載荷零件、形狀復雜鍛件，在航空、船舶和汽車等領域有廣泛的應用[1]。本文通過力學性能試驗、杯突試驗和計算機仿真技術研究了6061鋁合金的成形性能，得出了影響成形的基本參數；并對比分析了6061鋁合金與6010鋁合金板材在成形性能的差異，為鋁合金在汽車領域的開發與應用提供一定的指導。

1.試驗方法

用6061鋁合金1.0mm厚冷軋板作為實驗材料。按GB /T 16865—1997沿板材軋制方向制取拉伸試樣,在室溫條件下，單向拉伸試驗按照GB /T 228—1987在WDW-100型微機控制電子式萬能試驗機上進行；應變硬化指數n的測定方法按照GB5028進行；使用JSM-6700F型場發射掃描電鏡（日本電子）對拉伸試樣的斷口形貌進行觀察；使用GBS-60型數顯半自動杯突實驗機對6061鋁合金板進行杯突試驗，具體樣品尺寸、模具規格、試驗條件、數據處理等均分別按照國家標準GB415-84規定要求進行。

2.結果分析與討論

2.1 常溫力學性能試驗

薄板的單向拉伸試驗是獲得研究板料機械性能數據的最基本、也是最重要的試驗方法。一般，σ0.2小的材料容易屈服，即材料在較小的應力下就容易流動，成形后回彈小，貼模性和定形性較好；σb愈大，沖壓成形時零件危險斷面的承載能力愈高，其變形程度愈大。在材料與成形性能有關的其他性能大致相同時，σb大的材料，其綜合成形性能好。而材料的屈強比σ0.2/σb則反映了材料從發生塑性變形到斷裂時的變形能力。屈強比σ0.2/ σb的值越小，板材由屈服到破裂的塑性變形階段長，抗破裂性好；δgt表示板料產生均勻的或稱穩定的塑性變形的能力，它直接決定板材在伸長類變形中的沖壓性能。δgt值越大，材料塑性變形的能力也越好。試驗得到的6061鋁合金的工程應力——應變曲線如圖1所示。

圖1 6061的室溫工程應力一應變曲線

應變硬化指數n表示在塑性變形中材料硬化的程度，它在成形中的作用是：當板材某點應力較其鄰近部分大時，其較大的應變由于應變強化，增加了抵抗進一步變形的能力，故有將變形轉移到鄰近部分的作用，延緩了該點縮頸的出現，使較大的板面有更為均勻的應變。以拉為主的零件成形時，n值小的材料，由于變形不均勻，變形大的部位又不能迅速硬化，易于產生裂紋；n值大的材料則相反，促使各部位變形趨于均勻，還可改善脹形成形極限。以壓為主的零件成形時，n值大的材料，應變均化能力強，危險斷面的承載能力高[3]。

應變硬化指數n值是影響板料的變形力及其成形極限的一個重要性能指標，這也是本次試驗研究的主要內容之一。根據國標GB5028—85的規定，其計算過程如下：

式中 S—真實應力，S=σ(1+ξi); σ為名義應力

E—真實應變，E=ln(1+ξi)； ξ為相對延伸率

K-強度系數

對式（1）兩邊取對數，得：l o g(S)=log(K)+n×log(E)

根據國標GB5028—85的規定，可按下式采用線性回歸方法計算n值

式中 Xi=logEi；Yi=logSi；N-參加回歸計算的真實應力和應變的個數

6061和6010 鋁合金板材的力學性能數據見表1。試驗結果表明，6061鋁合金的屈服強度比6010高出近50MPa；抗拉強度比6010低出86MPa；但是6061的均勻伸長率和斷后伸長率均接近于6010鋁合金，且n值比6010高。通過這些性能指標可以定性地分析與評估6061鋁合金板的成形性能。在單向拉伸試驗還發現6061鋁合金具有以下特點：(1)沒有明顯的細頸現象，對應力集中敏感，一旦出現裂紋，裂紋即迅速擴展、斷裂；(2)進行拉伸試驗時，會在負荷一位移曲線上產生負荷波動(鋸齒形)。鋸齒形是通過溶質原子和位錯之間相互作用產生的[4]。

表1 6061和6010鋁合金的拉伸性能參數

2.2 掃描斷口形貌分析

鋁合金的拉伸斷裂形式一般分為三種，即滑移常開裂、沿晶開裂和韌窩型開裂?；瞥ｉ_裂多發生于高純鋁合金；工業鋁合金由于含有一定量的夾雜相和彌散相，一般發生韌窩型開裂；沿晶開裂則取決于合金的成分和時效狀態。鋁合金中加入Mn或Cr等彌散相形成元素，合金組織中引入一定體積分數的彌散相，則使合金的沿晶開裂傾向顯著降低[5]。6061鋁合金拉伸試樣斷口形貌的掃描電鏡圖如圖2所示，斷口形貌分析表明， 6061鋁合金斷口屬于混合型斷口,表面存在大量韌窩，只有少量的沿晶開裂。斷口表面的韌窩呈現出一定的方向性，為撕裂韌窩，體現出良好的韌性斷裂特征，說明其具有良好的塑性。

圖2 6061鋁合金單向拉伸試樣斷口形貌

2.3 杯突試驗

杯突試驗是評價材料脹形性能的模擬試驗。在試驗過程中壓邊力始終恒定為10kN。在杯突試驗中，杯突值IE越大，材料的脹形性能越好。通過試驗得到6061鋁合金的IE值為8.12,低于6010-T4鋁合金的IE值9.10[2]。說明6061鋁合金脹形成形性能比6010-T4稍差一些。

3 杯突試驗的模擬

根據杯突試驗國家標準GB415-84中的模具規格、樣品尺寸和試驗條件，利用U G軟件獲得曲面模型。該模型中凸模、凹模和壓邊圈和坯料的有限元網格是用有限元分析軟件的自動生成網格命令生成的。在有限元分析軟件中定義凸模、凹模和壓邊圈等沖壓工具以及毛坯，并調整它們間的相對位置；定義拉延和接觸類型、摩擦系數、沖壓速度和壓邊力等工藝參數；給毛坯賦予材料和特性數據。模擬過程中使用的是6061鋁合金板材，厚度為1.0mm。模擬過程中的工藝參數：彈性模量E為75GPa，泊松比?為0.3135[6]。模擬中涉及的其他材料性能參數見表1。

有限元分析計算過程結束后，根據成形極限圖，選擇最先可以直觀地看到紅色破裂區域的一幀。圖3-1，3-2所示為6061鋁合金的成形極限圖和板料位移圖。

圖3-1成形極限圖

圖3-2板料位移圖

成形極限圖和板料位移圖均為最先可以直觀地看到紅色破裂區域的一幀，由此可以測得IE值為9.87。模擬所得的IE值與幀數有關，幀數越多，IE值越接近真實。通過杯突模擬和實驗的結果比較發現：

1)成型件與數字模型的相對比，可發現發生破裂的地方比較接近。

2)兩者測得IE值比較：模擬的IE值為9. 87，而試驗的IE值為8.12，兩者比較接近。

4.結論

(1)6061鋁合金具有較好的成形性能，這種板材在單向拉伸過程中受到雙向非均勻應力，容易產生應力集中敏感，發生脆性斷裂，但是在杯突脹形過程中雙向應力均勻擴展，成形性比較好。所以在采用6061鋁合金板材作成形性工藝分析時，要盡量避免出現雙向非均勻應力的情況。

(2)6061鋁合金板材在拉伸過程中的強化段由于局部松弛產生負荷波動，容易導致試樣表面上形成類似滑移帶的形變花紋而損害產品的外觀，所以采用該材料作汽車表面件時，必須增大均勻變形量以避免出現鋸齒形負荷。

（3)比較杯突過程的模擬和試驗的結果可以看出兩者匹配較好，所以可以用模擬來驗證試驗并進一步指導試驗，為鋁合金板材沖壓工藝的改善、模具設計和有限元仿真的研究提供了試驗依據。

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10.3969/j.issn.1001-8972.2011.13.057

武晉（1982—），男，天津人，助教，碩士學位，主要從事模具開發及CAE方向的研究。