5A02鋁合金板料制耳CAE分析及實驗研究

文/韓永志，余冰定，崔禮春·安徽江淮汽車股份有限公司技術中心

5A02鋁合金板料制耳CAE分析及實驗研究

文/韓永志，余冰定，崔禮春·安徽江淮汽車股份有限公司技術中心

本文通過對鋁合金板料深沖過程中出現的制耳現象進行數值模擬，研究了摩擦系數和壓邊力對制耳輪廓的影響，分析了深沖過程中板厚的分布情況。結果表明：晶體塑性有限元法模擬的制耳輪廓的高度與實測值比較吻合，隨著摩擦系數和壓邊力增大，制耳輪廓高度也增加，板料的厚度變化與實際情況一致。

金屬板料的深沖成形是一個涉及材料非線性、幾何非線性和邊界條件非線性的大塑性變形問題，板料內部的應變場、應力場一般具有強烈的非均勻性，這樣的問題通常難以用解析法求解，必須用有限元法進行數值模擬。另一方面，板料的宏觀變形行為從本質上來說是其內部非均勻的細微結構在特定變形條件下的整體響應。當這種響應在宏觀尺度上也具有強烈的非均勻性，且與材料內部的非均勻結構有著直接的關聯時，難以將變形體視為均勻介質的宏觀數值模擬。

此時，考慮晶體塑性變形的微觀滑移機理和硬化機制、采用基于晶體塑性理論的運動學描述和本構方程的晶體塑性有限元法(Crystal Plasticity Finite Element Method，CPFEM)，則顯示出了較強的靈活性和適應性。CPFEM的基礎理論最初由Hill和Rice提出，它主要依據的是晶體塑性變形的Schmid定律。Balasubrmanian和Anand的研究也表明，晶體塑性理論可以研究并優化板料的深沖工藝。

由于制耳的存在，導致材料浪費、產品質量差、成品率低等不良后果。因此對板材深沖制耳進行模擬預測和控制具有重大的現實意義。最近的研究表明，鋁合金板料在塑性成形過程中還將發生一類特殊的粘塑性失穩現象（PLC效應）。因此，本文將采用率相關的晶體塑性有限元方法對鋁合金薄板的深沖制耳現象進行數值模擬研究，并進一步分析摩擦系數、壓邊力等成形條件對制耳輪廓的影響。

有限元模型

本文采用完全隱式的拉格朗日算法，通過用戶材料子程序UMAT將晶體塑性理論嵌入到商用有限元軟件ABAQUS軟件中，并進行了單元測試。模擬過程所用到的參數數值見表1。

深沖模型的幾何尺寸如圖1所示。由于此模型具有對稱性，為節約計算成本（本文每個算例的總計算時間約為1.04×104～1.54×104s），因此只需取薄板的1/4部分進行模擬即可。板料采用C3D20R六面體實體單元，凸模、凹模、壓邊圈采用離散剛體R3D4殼體單元。

表1 材料參數

圖1 模型的幾何圖形及關鍵尺寸

模擬分為5步完成：⑴通過凹模上移和壓邊圈下移來夾緊板料，邊界條件Z方向位移值為1.0×10-14mm；⑵將壓邊圈Z方向的邊界條件去除，用壓邊力（Blank Holding Force，BHF）代替；⑶凸模下移1mm，同時在板料上表面施加定值的負拉力，防止凸模和板料上表面剛接觸時產生‘振顫’；⑷凸模繼續下移，進行深沖；⑸當凸緣邊到達凹模圓角時，保證當前壓邊圈固定不動，繼續深沖直至沖程完成。

結果及討論

模擬預測制耳的輪廓

圖2為采用CPFEM模擬預測的制耳輪廓與實測值的比較。從圖2可以看出：預測的制耳為45°型制耳，與實測制耳輪廓比較吻合；在0°～30°和60°～90°之間，模擬得到的制耳輪廓高度和實測值相比略低；在30°～60°之間，模擬的制耳輪廓高度和實測值幾乎相等。對于面心立方金屬Al，變形過程中12個可動滑移系的晶面晶向為{111}<110>，導致在45°方向模擬出來的制耳輪廓較為‘鋒利’。因此，采用CPFEM成功地將材料的織構和由此產生的制耳缺陷行為聯系在一起。圖3為制耳輪廓實物圖。

圖2 CPFEM模擬預測的制耳輪廓與實測值的比較

摩擦對制耳輪廓的影響

圖3 制耳輪廓實物

圖4 不同摩擦系數對制耳輪廓的影響

板料與壓邊圈、凹模之間的摩擦系數對制耳輪廓的影響（壓邊力為500N），如圖4所示。圖4中摩擦系數μ在0.01～0.1之間，制耳輪廓高度隨著摩擦系數的增大而增大，這是因為隨著摩擦系數的增加，凸模載荷也隨之增加，板料凸緣部分受到的徑向拉應力也隨之增大，從而導致制耳輪廓高度的增高。從制耳高度上看，當μ=0.1時，模擬的結果最接近實測值，當摩擦系數進一步增大時，會使深沖困難，甚至板料拉破以致深沖失敗。

壓邊力對制耳輪廓的影響

壓邊圈與凹模之間的壓邊力對制耳輪廓的影響（摩擦系數為0.01），如圖5所示。從圖5中可以看出，隨著壓邊力的增加，制耳輪廓高度也是逐漸增加的，在壓邊力大的情況下，制耳更為明顯。因為在大的壓邊力下導致更高的沖壓載荷，這和前面所提到的摩擦力的影響相似。從制耳高度上看，當BHF=1500N時，模擬的結果最接近實測值。但若壓邊力過大，摩擦力增大，零件容易斷裂和不易取出，甚至板料拉破以致深沖失敗，故應考慮合適的壓邊力。

圖5 不同壓邊力對制耳輪廓的影響

結論

⑴深沖模擬結果顯示，凸緣區增厚，圓角和杯壁減薄，杯底厚度基本不變，完全深沖后，杯壁徑向厚度從上至下逐漸減小，模擬結果和實驗結果基本一致。

⑵在深沖的模擬過程中，圓筒杯凸緣部分前期無明顯增厚，而后期增厚現象較為明顯；最小厚度的減少基本是在深沖開始階段，后期則基本沒有變化。

⑶增大摩擦系數和壓邊力將導致制耳輪廓高度的增加。

⑷晶體塑性有限元法在連續介質理論框架內對位錯滑移機制進行了定量的描述，從微觀尺度揭示了晶體材料塑性變形的宏觀不均勻性和局部化現象。本文用CPFEM成功模擬了鋁合金板料的深沖過程，且對制耳輪廓高度的預測比較準確，可為鋁合金板料深沖件的生產提供借鑒；同時，對用CPFEM模擬晶體材料塑性變形過程中的其他非均勻和局部化現象，如PLC鋸齒形屈服現象、織構演化、微觀應力應變分布等，也具有一定的參考價值。

韓永志，沖壓工藝工程師，主要從事金屬材料塑性加工、模具開發研究及項目管理工作，主持完成的HFC1053P51K系列輕型載貨汽車項目通過安徽省省級科技成果鑒定，發表論文10余篇，擁有1項發明專利，6項實用新型專利。