6061高強度鋁合金拉深工藝參數優化

王蘇靜，鄧沛然，宣守強

（上海工程技術大學 材料工程學院，上海 201620）

0 引 言

近年來，材料的輕量化越來越受到多方面的關注[1]，在眾多輕量化材料中，鋁合金因其低密度、強耐腐蝕性、高比強度、高比剛度、高回收率和良好的碰撞能量吸收而被認為是最有研究價值的輕量化材料[2-4]，現已成為工業生產中研究的重點材料之一[5,6]。不同的拉深工藝參數使鋁合金拉深成形質量有所差異，不合理的工藝參數導致鋁合金在拉深成形過程中出現起皺、回彈、開裂等缺陷，甚至報廢。因此研究鋁合金在不同工藝參數條件下的拉深成形性能，對實際生產有重要的意義。

影響鋁合金拉深成形質量的因素較多，依據實際生產經驗，其溫度、壓邊力、沖壓速度[7]在鋁合金的拉深成形過程中影響較大。現主要研究不同溫度、壓邊力、沖壓速度對6061 鋁合金拉深成形的影響程度，以獲得最優的工藝參數，并利用H1F-60 沖壓成形性能測試系統對最優工藝參數條件下成形的6061鋁合金拉深成形質量進行驗證。

1 材料及零件模型

1.1 材料參數

試驗選擇0.8 mm厚的6061鋁合金板料，材料的屈 服 強 度 為270～285 MPa，抗 拉 強 度 為300～310 MPa，延伸率為12.5～14.0，其化學成分如表1所示。

1.2 材料模型

根據《GB/T 228-2002拉伸試樣國家標準》[8]規定制備試驗用試樣，采用線切割加工的方式切割試樣，試樣尺寸如圖1所示。

試驗方案：設定6 個不同的試驗溫度，分別為20、50、100、150、250、350 ℃，應變速率為2×10-3s-1，在Gleeble-3800 型熱力模擬機上進行試驗，以0.48 mm/min的速度進行拉深。首先將拉深試樣固定，對加熱設備預加熱，保溫之后再進行試驗。在計算機中得到材料的位移-載荷曲線，計算得到真實應力-應變曲線，如圖2所示，試驗結果得到了在不同溫度階段的力學參數，如表2所示，將得到的參數及真實應力-應變曲線導入仿真軟件DynaForm 中，進行模擬仿真。

表2 各溫度下鋁合金的力學參數

1.3 有限元模型

根據實際的凸、凹模尺寸，利用DynaForm 有限元軟件建立模型并進行模擬仿真，針對模擬結果進行相應的成形性分析，通過優化改進成形工藝參數，達到最佳成形效果，為模具設計提供參考[9]。圖3 所示為有限元網格劃分模型，最大單元尺寸為1.5 mm，最小單元尺寸為0.15 mm，表3 所示為凸、凹模尺 寸。通 過 公 式（1）、（2）、（3）繪 制 成 形 極 限曲線[10,11]。

圖2 6061高強度鋁合金應力-應變曲線

變形區（工程次應變e2＞0）

拉深區（工程次應變e2＜0）

其中，使e1=FLD0，即成形極限圖FLD 的最低點，此時坐標點位于縱軸，e2=0。

其中，n為應變硬化指數；t為板料厚度，mm。

圖3 有限元模型

表3 凸、凹模尺寸 mm

模擬過程中，在前處理設置各參數條件，可以得到不同參數條件下的FLD 曲線。根據極限拉深比LDR（limit drawing ratio）值的大小，評價該參數是否為最優的工藝參數組合，分別設置壓邊力為：5、8、10、15、20 kN；沖壓速度分別取額定值20 mm/s 的10%、20%、30%、40%、50%，即2、4、6、8、10 mm/s；溫度設置為：20、200、300、350、400 ℃。

其中，Dmax表示極限拉深直徑，mm；d 表示凸模直徑，mm。

2 正交試驗設計

2.1 指標確定

通過模擬結果可以發現，在一定參數條件下，隨著坯料直徑的增加，成形件從小直徑坯料成形到大直徑坯料會出現開裂，開裂的區域主要在凹模圓角處，如圖4所示，將不發生開裂的最大直徑與凸模的比值作為極限拉深比，即LDR 值[12]作為試驗優化的指標。

圖4 開裂區域

2.2 正交試驗方案與結果

通過正交試驗對鋁合金成形的影響因素進行分析，可降低試驗次數及成本，并能快速得到最優工藝參數組合[13]。正交試驗表設定3 個試驗因素，即試驗溫度、壓邊力和沖壓速度，并將每個因素的水平逐次列舉。試驗的設定主要是研究不同試驗溫度對沖壓成形的影響程度，其次是為了探討壓邊力和沖壓速度對沖壓成形的影響。根據正交表可對沖壓成形進行多因素分析，并通過數學運算分析各因素的顯著性[14,15]。表4所示為3個試驗因素及其對應水平。

根據所列的正交表，試驗采用的是3 因素5 水平，對應選擇為L25(56)正交表，由于已經設定了試驗溫度、壓邊力和沖壓速度，不再設定其他因素，正交表中會有2列空白，試驗中不起作用，但可用于其他分析，如表5所示。

表4 試驗因素與水平設置

表5 正交表試驗和不同因素的試驗結果

2.3 極差與方差分析

2.3.1 極差分析

極差分析中R值的水平代表整個正交試驗的變化趨勢，不同工藝條件的改變都會對R值產生影響，因此在極差分析表中，不同的工藝條件代表不同的試驗結果，每一列的值都不同，R 值可以反映工藝參數對試驗結果的影響程度，一般極差越大影響就越大[16]。

依據R值的大小，可以判斷影響因素的主次，從表6 可以看出，拉深時A、B、C 三個因素極差均為有效影響因素。此外根據3 個影響因素R 值的大小，可以得到沖壓試驗中各因素的不同影響程度[17]，根據其影響性可進行排序：A＞B＞C，相應的影響性大小為：溫度、壓邊力、沖壓速度。根據各因素水平的最大值K，得到最優的拉深試驗方案為A5B2C2，即在400 ℃的成形試驗溫度、8 kN 的壓邊力和4 mm/s 的沖壓速度，此時6061鋁合金的拉深性能達到最佳。

表6 LDR值極差分析

2.3.2 方差分析

方差分析解決了極差分析不能進行顯著性測量的缺陷[18]，可以根據各參數的試驗數據進行定量分析，得出各工藝水平的顯著性結果。為了試驗結果更加精確，采用方差分析，方差分析如表7所示。

表7 方差分析

從表7 的計算結果可以看出，在方差分析過程中，試驗溫度、壓邊力和沖壓速度對極限拉深比LDR 值的影響大小分別是：56%、33%、11%，所以試驗溫度對沖壓結果的影響最顯著，大于壓邊力和沖壓速度，根據影響程度有：試驗溫度＞壓邊力＞沖壓速度。

3 試驗驗證

由數值模擬及正交試驗分析可知，最優的成形工藝參數為400 ℃的試驗溫度、8 kN 的壓邊力和4 mm/s 的沖壓速度。將上述工藝參數應用到實際的拉深試驗中進行驗證，試驗設備如圖5所示，該拉深機床利用滑塊速度5段可調的KOMATSU H1F-60型伺服壓力機，根據試驗要求可對拉深速度、壓邊力等進行調節，可實現0.2～4.0 mm 厚金屬板料的拉深成形試驗[19]。該設備還配有熱成形系統，利用高頻電磁加熱原理對金屬板料在模內加熱。圖6所示的拉深凸模直徑為φ26.24 mm，凹模直徑為φ28 mm，系統正向安裝，且安裝反頂缸裝置，配備液電聯控系統，實現對加熱溫度的控制[20]。

圖5 HIF-60伺服壓力機

圖6 熱成形模結構

為保證試驗結果的嚴謹性，重復進行6 次拉深試驗，在最優工藝參數條件下的拉深成形件如圖7所示，拉深數值模擬結果如圖8 所示。由圖7 和圖8可以看出，在最優成形工藝參數條件下的6061高強度鋁合金薄板拉深件表面光滑、無起皺、開裂等缺陷，成形效果良好，與數值模擬結果吻合，表明優化設計工藝參數的可靠性，對于實際生產有一定的指導意義。

圖7 實際拉深成形件

圖8 實際拉深數值模擬結果

4 結束語

（1）對6061高強度鋁合金進行單向拉深試驗獲得了材料的真實應力-應變曲線及在不同溫度階段的力學性能，將材料參數以及曲線導入到DynaForm中進行仿真模擬，降低了試驗次數及成本。

（2）通過正交試驗的極差與方差分析，得出試驗溫度、壓邊力和沖壓速度對極限拉深比LDR 值的影響程度分別為：56%、33%、11%。最優的工藝參數條件為：400 ℃的成形試驗溫度、8 kN的壓邊力和4 mm/s的沖壓速度。

（3）正交試驗得到的最優成形工藝參數的拉深成形件與仿真模擬結果一致，驗證了優化后工藝參數的準確性。