鋁合金覆層板成形極限圖

王耀，郎利輝, 2，孔德帥，張泉達，高鐵軍

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鋁合金覆層板成形極限圖

王耀1，郎利輝1, 2，孔德帥1，張泉達1，高鐵軍3

(1. 北京航空航天大學機械工程及自動化學院，北京，100191；2. 北京航空航天大學先進航空發動機協同創新中心，北京，100191；3. 沈陽航空航天大學航空航天工程學部，吉林沈陽，110136)

提出一種創新的試驗方法研究鋁合金覆層板的成形極限圖，即采用單拉試驗獲得成形極限圖的左半區域，右半區域采用不同橢圓度的凹模得到不同應力狀態下覆層板的成形極限應變，并且在成形極限圖中引入方板對角拉伸試驗數據，用于預測板材成形過程中起皺缺陷的產生，使成形極限圖的預測功能更加完善。同時，進一步研究不同覆板材料和厚度對鋁合金目標板材成形極限圖的影響。研究結果表明：在覆層板方式下，目標板材成形極限圖中的極限臨界區向上移動，并向右移動，成形極限增大，并且成形極限圖中起皺區域面積減小，抗失穩能力提高。成形過程選擇強度系數較高、加工硬化指數較大及適當厚度的覆板有助于成形板材成形性能的提高。

鋁合金；覆層板；厚度法向應力；成形極限圖；橢圓脹形；方板對角拉伸試驗

在板料成形中，成形極限圖的確定對于評定板料成形性和指導生產實踐具有重要的意義，它可以全面反映板料在單向和雙向拉應力作用下的局部成形極限[1?2]。廣泛用于確定板料成形極限圖的方法有半球形凸模剛模脹形試驗、圓柱形凸模剛模脹形試驗和橢圓凹模液壓脹形試驗。針對不同的工藝條件，每種試驗方法都有其局限性和適用性[3?4]。本文作者所研究的鋁合金覆層板是在目標板材一側覆一層同種或不同材料板材，成形過程中覆板同目標板材一起變形，給目標板材以約束并施加厚度法向應力，提高了目標板材的靜水壓應力水平，使目標板材的應力狀態由無覆板時的雙向等拉平面應力狀態轉變為雙向受拉厚向受壓的三維應力狀態，有效提高了目標板材的成形性能[5?6]。對于覆層板成形極限的研究，相關報道較少。TSENG等[7]針對Al/Cu覆層板，通過脹形試驗研究了不同厚度金屬層條件下覆層板的極限變形能力，得到了覆層板成形極限圖，并利用成形極限圖對頸縮和破裂等缺陷進行了預測。ZHOU等[8]對AZ31鎂合金覆層板進行了橢圓脹形試驗和FE模擬，研究了覆層板材料塑性流動和局部應變，并對AZ31鎂合金板材成形極限進行了預測。王永銘[9]建立了考慮厚向應力的M-K失穩模型，并進行了單層鋁合金板材及帶不銹鋼覆板的鋁合金板材液壓脹形試驗。結果表明，隨著厚度法向應力的增大，鋁合金板材成形極限曲線升高，成形性能提高。SEMIATIN等[10]通過試驗研究了不銹鋼覆鋁板的成形極限。研究結果表明：在板間無潤滑作用條件下，失效主要是由分散失穩產生的局部頸縮引起，板材的不穩定流動隨著次應變的增加而增加，最終局部頸縮的發展決定了覆層板的成形極限。MASANORI等[11]使用剛性沖模對相同材料的純鋁板覆層在一起進行脹形試驗，通過改變板厚證明了成形極限隨著板厚的增加而增加，通過改變板間接觸條件證明了內外層板材脹形過程中受力狀態的不同引起頸縮位置的不同，兩者相互抑制頸縮的發展，從而提高了板材的極限變形能力。本文作者提出了一種試驗方法去研究鋁合金覆層板的成形極限圖，通過采取逐級遞減目標板材試樣寬度的單拉試驗獲得成形極限圖的左半區域，右半區域采用不同橢圓度的凹模得到不同應力狀態下覆層板的成形極限應變，從而確定成形極限圖上不同的極限應變點位置。同時，在成形極限圖中引入方板對角拉伸試驗數據，用于預測板材成形過程中起皺缺陷的產生，使成形極限圖的預測功能更加完善。本文進一步研究了不同覆板材料和厚度對目標板材成形極限圖的影響。

1 試驗

1.1 材料

試驗目標板材選擇航空制造領域常用的2系鋁合金2B06-O，厚度為1.0 mm，化學成分如表1所示。覆板材料分別選用鋁合金2B06，2024和不銹鋼SUS321，力學性能見表2。板坯表面均印制直徑為2.0 mm圓形網格，用于測量試驗試件極限應變。

表1 鋁合金2B06板材化學成分(質量分數)

表2 覆板材料力學性能

1.2 目標板材單向拉伸試驗及方案

單向拉伸試驗目的是獲取板材成形極限圖左半區域的成形極限曲線，覆層板主要是通過覆板對目標板材的厚度法向應力來提高目標板材的成形極限。單向拉伸時，覆板對目標板材無厚向應力，故無需施加覆板，只對目標板材單獨進行拉伸試驗即可。通過逐級遞減試樣寬度實現應變路徑的變化，通過控制拉伸速度實現對應變率的控制，獲得目標板材極限應變。拉伸試樣尺寸如圖1所示，試樣寬度分別取12.5，14.5，16.5，18.5和20.5 mm。

單位：mm

1.3 覆層板橢圓脹形試驗及方案

圖2 鋁合金覆層板成形過程示意圖

橢圓度(b/a): (a) 1.0; (b) 0.9; (c) 0.8; (d) 0.6

通過2種類型試驗研究覆板參數對目標板材成形極限圖的影響。第1種是不同覆板材料橢圓脹形試驗。分別選用相同厚度為1.0 mm的鋁合金2B06，2024和不銹鋼SUS321作為覆板，厚度為1.0 mm鋁合金2B06作為目標板材進行脹形試驗，研究覆板材料對目標板材FLD的影響。第2種是不同覆板厚度橢圓脹形試驗。采用厚度分別為0.5，1.0和1.5 mm的不銹鋼SUS321板材作為覆板，厚度為1.0 mm的鋁合金2B06作為目標板材進行脹形試驗，進一步研究覆板厚度對目標板材FLD的影響，試驗方案如表3所示。在上述試驗中，板坯平面長×寬均為180 mm×180 mm。

1.4 覆層板YBT試驗及方案

YBT試驗是對方形板料進行對角拉伸，以評估金屬板料在非均勻拉應力狀態下其抵抗壓縮失穩起皺的能力的一種試驗方法。由于該試驗結果與實際沖壓成形質量具有一定的對應關系，可以用來預測板料的起皺趨勢，豐富成形極限圖預測功能[12?15]。試驗在自行研制的雙向拉伸試驗機上進行。設備主要由密封箱體、拉伸裝置、位移傳感器、測量系統和數據采集處理裝置等幾部分組成。試驗板材外形尺寸(長×寬)為100 mm×100 mm方板，拉伸標距為75 mm，沿著試樣的某一指定對角線加載拉伸，至試樣的拉伸標距伸長1%時，測量方板中部的應變分布，得到相應起皺應變。通過改變試樣夾持寬度，實現應變路徑的變化，設備拉伸夾頭寬度分別為50 mm和80 mm各1副，試樣夾持寬度分別取30，40，50，60和70 mm。

表3 橢圓脹形試驗/YBT試驗方案

對覆層板進行對角拉伸試驗，試驗方案見表3。目標板材為1.0 mm的鋁合金2B06，覆板材料分別為鋁合金2B06，2024和不銹鋼SUS321，取不銹鋼SUS321覆板厚度分別為0.5，1.0和1.5 mm，研究不同覆板材料和厚度對目標板材起皺趨勢的影響，得到成形極限圖起皺曲線。

2 結果與討論

2.1 覆板材料對目標板材成形極限圖的影響

鋁合金覆層板FLD試驗試件如圖4~6所示。不同覆板材料下獲得的目標板材2B06鋁合金FLDs如圖7所示。圖7中，成形極限圖左半區域的極限應變通過目標板材單拉試驗獲得，由于單拉時覆板對目標板材無厚向壓應力作用，與目標板材單獨拉伸時獲得的極限應變相同，故沒有施加覆板。在右半區域，覆板和目標板材整體在面內雙拉作用下成形，目標板材的應力狀態為面內雙拉厚向受壓，壓應力的作用可以延緩其破裂缺陷的產生，故圖中所獲得的成形極限圖可以較準確反映覆層板方式下目標板材的成形性能。從圖7可以看出：隨著覆板選擇塑性較好的材料，目標板材極限應變增大，成形極限曲線整體向上移動幅度明顯，并向右移動，表明材料成形極限圖中的極限臨界區向上移動，成形極限增大；無覆板時，成形極限曲線雙拉區域最高點的主應變為0.28，當覆板材料分別選擇鋁合金2B06，2024和不銹鋼SUS321時，對應的成形極限曲線上最高點主應變分別為0.3，0.33和0.38，分別增加7.14%，17.86%和35.71%，增幅明顯。同時，不同的覆板材料對目標板材起皺區域的影響也較大，覆板材料塑性越好，成形過程其較大的加工硬化指數可以有效地改變目標板材厚度法向應力的分布方式，約束和控制目標板材的變形行為，使目標板材在覆板的包覆作用下變形規律同覆板變形過程相同或相近，依靠覆板較好的變形過程提高目標板材的變形均勻性，使得目標板材成形極限圖中起皺區域面積減小，抗失穩能力提高。綜上所述，試驗中，當覆板材料為不銹鋼SUS321時，試件成形極限最高，成形性能最好，其次是覆板材料為鋁合金2024的試件；鋁合金2B06的目標板材成形性能最差。

圖4 2B06板材單向拉伸試件

橢圓度(b/a): (a) 1.0; (b) 0.9; (c) 0.8; (d) 0.6

夾持寬度/mm: (a) 30; (b) 40; (c) 50; (d) 60; (e) 70

圖7 不同覆板材料下2B06目標板材成形極限圖

目標板材成形性能的改善與覆板對目標板材的厚度法向應力有關，而這又與覆板材料本身力學性能參數密切相關。覆層板成形時，覆板任意一點對目標板材的反向壓力與該點覆板和目標板材所處的變形階段有關，由于覆板和目標板材厚度較小，假設任意一點的變形相似，那么覆板和目標板材變形的難易程度就可通過其變形抗力來反映。假設覆板和目標板材均滿足Hollomon本構模型，對其求導可得：

(2)

假設覆板與目標板材加工硬化指數相同(1=2)、變形規律相似，覆板材料選擇強度系數大于目標板材時的強度系數(1＞2)，成形過程中由于覆板強度較大，在一定作用力下覆板變形比目標板材困難，可以為目標板材提供較大的反向壓應力，使目標板材的成形性能提高。同時覆板1越大，目標板材受到覆板的反向壓應力越大，成形性能也越好；反之，若覆板材料的強度小目標板材強度大(1＜2)，那么覆板變形更加容易，故提供的反向壓力較小，對提高目標板材成形性能幫助較小。覆板加工硬化指數決定了目標板材變形的均勻性，假設覆板與目標板材強度系數相同(1=2)，當覆板材料選擇加工硬化指數大于目標板材時的加工硬化指數(1＞2)，覆板材料的應變強化效應較目標板材的強，抵抗變形的能力更強，變形均勻性也更好，對目標板材的變形起到抑制作用，使目標板材變形均勻性提高。覆板1越大，上述抑制效果越明顯，目標板材成形性能也越好。反之，當覆板加工硬化指數小于目標板材時(1＜2)，覆板的應變強化效應和變形均勻性較差，對于提高目標板材的成形性能幫助較小。因此，成形過程中選擇強度系數高、加工硬化指數大的覆板材料，可以有效改善目標板材成形性能，提高其成形極限。

2.2 覆板厚度對目標板材成形極限圖的影響

不同覆板厚度下獲得的目標板材2B06鋁合金FLDs如圖8所示。由圖8可以看出：與覆板材料對目標板材成形極限的影響規律相同，隨著覆板厚度的增大，目標板材成形極限圖中的極限臨界區向上移動，并向右移動，成形極限增大。同時，成形極限圖中起皺區域面積減小，抗失穩能力提高。由于覆板厚度越大，成形過程覆板向目標板材提供的反向壓力就越大，越有利于目標板材抗失穩能力和極限變形能力的提高。但考慮到成本和成形難度，成形過程覆板厚度盡量選擇與目標板材厚度相接近。

圖8 不同覆板厚度下2B06目標板材成形極限圖

3 結論

1) 對鋁合金覆層板成形極限圖進行試驗研究，通過單拉試驗和橢圓液壓脹形試驗準確獲得目標板材成形極限曲線，并通過方板對角拉伸試驗，得到目標板材起皺極限曲線，將兩者結合在一起，完整描繪目標板材的FLD，使其預測功能更加完善。

2) 覆板材料對目標板材成形極限圖的影響很大。覆層板成形時，覆板提供的反向壓力與覆板強度系數和加工硬化指數有關，成形過程選擇強度系數和加工硬化指數較大的覆板材料有助于提高目標板材厚度法向應力水平，使目標板材成形極限圖中的極限臨界區向上移動，并向右移動，成形極限增大，并且成形極限圖中起皺區域面積減小，抗失穩能力提高，這種規律隨著覆板厚度的增加而增強。

3) 在實際生產中，可以采用覆層板方式提高低塑性板材的成形性能，但必須考慮到成本和成形工藝條件，同時成形過程覆板厚度應盡量與目標板材厚度相接近。

[1] LI Xiaoqiang, SONG Nan, GUO Guiqiang. Experimental measurement and theoretical prediction of forming limit curve for aluminum alloy 2B06[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2012, 22(S2): 335?342.

[2] 楊希英, 郎利輝, 劉康寧, 等. 基于修正M?K模型的鋁合金板材成形極限圖預測[J]. 北京航空航天大學學報, 2015, 41(4): 675?679. YANG Xiying, LANG Lihui, LIU Kangning, et al. Prediction of forming limit diagram of AA7075-O aluminum alloy sheet based on modified M?K model[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2015, 41(4): 675?679.

[3] 李春峰, 李雪春, 楊玉英. 橢圓凹模液壓脹形法制作成形極限圖[J]. 材料科學與工藝, 1996, 4(2): 101?105. LI Chunfeng, LI Xuechun, YANG Yuying. Study on forming limit diagram by bulging with elliptic die[J]. Materials Science & Technology, 1996, 4(2): 101?105.

[4] 王輝, 高霖. 凸模直徑以及試件形狀對成形極限圖的影響[J]. 機械科學與技術, 2006, 25(11): 1291?1293. WANG Hui, GAO Lin. Influence of punch diameter and specimen shape on formation limit diagram[J]. Mechanical Science and Technology, 2006, 25(11): 1291?1293.

[5] 高鐵軍, 陳鵬, 王耀, 等. 鋁合金半球形件覆不銹鋼粘性介質拉深成形及數值模擬[J]. 鍛壓技術, 2014, 39(9): 17?20. GAO Tiejun, CHEN Peng, WANG Yao, et al. Forming and numerical simulation of aluminum alloy hemispherical part overlapped included viscous medium of stainless steel[J]. Forging & Stamping Technology, 2014, 39(9): 17?20.

[6] GAO Tiejun, LIU Yang, CHEN Peng, et al. Analysis of bulging process of aluminum alloy by overlapping sheet metal and its formability[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2015, 25(4): 1050?1055.

[7] TSENG Huangchi, HUNG Chinghua, HUANG Chinchuan. An analysis of the formability of aluminum/copper clad metals with different thicknesses by the finite element method and experiment[J]. International Journal of Advanced Manufacturing Technologies, 2010, 49(1): 1029?1036.

[8] ZHOU G, ANANTHAESWARA K, MITUKIEWICZ G, et al. FE simulations of gas blow forming and prediction of forming limit diagram of AZ31 magnesium sheet[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2015, 218: 12?22.

[9] 王永銘. 板材充液成形關鍵技術及回彈控制研究[D]. 北京: 北京航空航天大學機械工程及自動化學院, 2013: 23?32. WANG Yongming. Research on the key technologies and springback mechanism of sheet hydroforming[D]. Beijing: Beihang University. School of Mechanical Engineering and Automation, 2013: 23?32.

[10] SEMIATIN S L, PIEHLER H R. Forming limits of sandwich sheet materials[J]. Metallurgical Transactions A, 1979, 10(8): 1107?1118.

[11] MASANORI K, NOBUKAZU H, YASUSHI K. Improvement of pure stretch ability by overlapping sheet metals[J]. Journal of the Japan Society for Technology of Plasticity, 2001, 42(43): 328?332.

[12] KIMA Y S, SON Y J. Study on wrinkling limit diagram of anisotropic sheet metals[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2000, 97(1/2/3): 88?94.

[13] 柳玉起, 胡平, 劉軍華, 等. 方板對角拉伸分叉、鼓動與起皺[J]. 力學學報, 1998, 30(1): 77?82. LIU Yuqi, HU Ping, LIU Junhua, et al. Bifurcation, bulging and wrinkling of a square sheet metal with non-uniform tension[J]. Acta Mechanica Sinica, 1998, 30(1): 77?82.

[14] 劉磊, 溫彤, 岳遠旺, 等. 轎車頂蓋沖壓成形塌陷研究[J]. 中南大學學報(自然科學版), 2015, 46(5): 1622?1627. LIU Lei, WEN Tong, YUE Yuanwang, et al. Surface deflection of automotive roof in stamping forming[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2015, 46(5): 1622?1627.

[15] 郭禪, 郎利輝, 蔡高參, 等. TA1板材對角拉伸試驗及數值模擬研究[J]. 鍛壓技術, 2015, 40(2): 138?144. GUO Chan, LANG Lihui, CAI Gaocan, et al. Experiment and simulation research of Yoshida Buckling Test on TA1 sheet[J]. Forging & Stamping Technology, 2015, 40(2): 138?144.

(編輯 陳愛華)

FLDs of aluminum alloy by overlapping sheet metal

WANG Yao1, LANG Lihui1, 2, KONG Deshuai1, ZHANG Quanda1, GAO Tiejun3

(1. School of Mechanical Engineering and Automation, Beihang University, Beijing 100191, China;2. Collaborative Innovation Center of Advanced Aero-Engine, Beihang University, Beijing 100191, China;3. Faculty of Aerospace Engineering, Shenyang Aerospace University, Shenyang 110136, China)

A novel experimental approach to research the forming limit diagrams (FLDs) of aluminum alloy by overlapping sheet metal was presented, namely, the tension-compression side of the FLD was obtained by the uniaxial tension test. The limit strains of tension-tension side for the aluminum alloy by overlapping sheet metal were obtained by elliptical bulging test with different aspect ratios. In addition, the experimental data of YBT test were introduced into the FLD to predict the wrinkling defect in the sheet forming, in which the predictive features of FLDs were more improved. Meanwhile, the influence of the material performance and thickness of the overlapping sheet on the FLD of the target sheet were further investigated. The results show that, in the overlapping mode, the limit critical zone of FLD of the target sheet moves up and to the right, the forming limit increases and the area of wrinkling region decreases, and the anti-instability of the target sheet is improved correspondingly. Meanwhile, the formability of the target sheet can be improved by choosing higher strength coefficient, larger work hardening exponentand proper thickness of the overlapping sheet.

aluminum alloy; overlapping sheet; thickness normal stress; forming limit diagram (FLD); elliptical bulge; Yoshida bucking test

10.11817/j.issn.1672-7207.2017.05.004

TG394

A

1672?7207(2017)05?1149?06

2016?07?14；

2016?09?19

國家科技重大專項(2014ZX04002041)；國家自然科學基金資助項目(51175024) (Project(2014ZX04002041) supported by the National Science and Technology Major Project; Project(51175024) supported by the National Natural Science Foundation of China)

郎利輝，教授，博士生導師，從事液壓柔性成形技術及裝備研究；E-mail: lang@buaa.edu.cn