6061高強(qiáng)度鋁合金拉深工藝參數(shù)優(yōu)化

王蘇靜，鄧沛然，宣守強(qiáng)

（上海工程技術(shù)大學(xué) 材料工程學(xué)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(guān)注[1]，在眾多輕量化材料中，鋁合金因其低密度、強(qiáng)耐腐蝕性、高比強(qiáng)度、高比剛度、高回收率和良好的碰撞能量吸收而被認(rèn)為是最有研究價值的輕量化材料[2-4]，現(xiàn)已成為工業(yè)生產(chǎn)中研究的重點(diǎn)材料之一[5,6]。不同的拉深工藝參數(shù)使鋁合金拉深成形質(zhì)量有所差異，不合理的工藝參數(shù)導(dǎo)致鋁合金在拉深成形過程中出現(xiàn)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(shù)條件下的拉深成形性能，對實際生產(chǎn)有重要的意義。

影響鋁合金拉深成形質(zhì)量的因素較多，依據(jù)實際生產(chǎn)經(jīng)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(xiàn)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(yōu)的工藝參數(shù)，并利用H1F-60 沖壓成形性能測試系統(tǒng)對最優(yōu)工藝參數(shù)條件下成形的6061鋁合金拉深成形質(zhì)量進(jìn)行驗證。

1 材料及零件模型

1.1 材料參數(shù)

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

1.2 材料模型

根據(jù)《GB/T 228-2002拉伸試樣國家標(biāo)準(zhǔn)》[8]規(guī)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(shè)定6 個不同的試驗溫度，分別為20、50、100、150、250、350 ℃，應(yīng)變速率為2×10-3s-1，在Gleeble-3800 型熱力模擬機(jī)上進(jìn)行試驗，以0.48 mm/min的速度進(jìn)行拉深。首先將拉深試樣固定，對加熱設(shè)備預(yù)加熱，保溫之后再進(jìn)行試驗。在計算機(jī)中得到材料的位移-載荷曲線，計算得到真實應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖2所示，試驗結(jié)果得到了在不同溫度階段的力學(xué)參數(shù)，如表2所示，將得到的參數(shù)及真實應(yīng)力-應(yīng)變曲線導(dǎo)入仿真軟件DynaForm 中，進(jìn)行模擬仿真。

表2 各溫度下鋁合金的力學(xué)參數(shù)

1.3 有限元模型

根據(jù)實際的凸、凹模尺寸，利用DynaForm 有限元軟件建立模型并進(jìn)行模擬仿真，針對模擬結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的成形性分析，通過優(yōu)化改進(jìn)成形工藝參數(shù)，達(dá)到最佳成形效果，為模具設(shè)計提供參考[9]。圖3 所示為有限元網(wǎng)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(qiáng)度鋁合金應(yīng)力-應(yīng)變曲線

變形區(qū)（工程次應(yīng)變e2＞0）

拉深區(qū)（工程次應(yīng)變e2＜0）

其中，使e1=FLD0，即成形極限圖FLD 的最低點(diǎn)，此時坐標(biāo)點(diǎn)位于縱軸，e2=0。

其中，n為應(yīng)變硬化指數(shù)；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(shè)置各參數(shù)條件，可以得到不同參數(shù)條件下的FLD 曲線。根據(jù)極限拉深比LDR（limit drawing ratio）值的大小，評價該參數(shù)是否為最優(yōu)的工藝參數(shù)組合，分別設(shè)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(shè)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(shè)計

2.1 指標(biāo)確定

通過模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在一定參數(shù)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(xiàn)開裂，開裂的區(qū)域主要在凹模圓角處，如圖4所示，將不發(fā)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(yōu)化的指標(biāo)。

圖4 開裂區(qū)域

2.2 正交試驗方案與結(jié)果

通過正交試驗對鋁合金成形的影響因素進(jìn)行分析，可降低試驗次數(shù)及成本，并能快速得到最優(yōu)工藝參數(shù)組合[13]。正交試驗表設(shè)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(shè)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(jù)正交表可對沖壓成形進(jìn)行多因素分析，并通過數(shù)學(xué)運(yùn)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(yīng)水平。

根據(jù)所列的正交表，試驗采用的是3 因素5 水平，對應(yīng)選擇為L25(56)正交表，由于已經(jīng)設(shè)定了試驗溫度、壓邊力和沖壓速度，不再設(shè)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(shè)置

表5 正交表試驗和不同因素的試驗結(jié)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(chǎn)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(jié)果，每一列的值都不同，R 值可以反映工藝參數(shù)對試驗結(jié)果的影響程度，一般極差越大影響就越大[16]。

依據(jù)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(jù)3 個影響因素R 值的大小，可以得到?jīng)_壓試驗中各因素的不同影響程度[17]，根據(jù)其影響性可進(jìn)行排序：A＞B＞C，相應(yīng)的影響性大小為：溫度、壓邊力、沖壓速度。根據(jù)各因素水平的最大值K，得到最優(yōu)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(dá)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(jìn)行顯著性測量的缺陷[18]，可以根據(jù)各參數(shù)的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行定量分析，得出各工藝水平的顯著性結(jié)果。為了試驗結(jié)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(jié)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(jié)果的影響最顯著，大于壓邊力和沖壓速度，根據(jù)影響程度有：試驗溫度＞壓邊力＞沖壓速度。

3 試驗驗證

由數(shù)值模擬及正交試驗分析可知，最優(yōu)的成形工藝參數(shù)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(shù)應(yīng)用到實際的拉深試驗中進(jìn)行驗證，試驗設(shè)備如圖5所示，該拉深機(jī)床利用滑塊速度5段可調(diào)的KOMATSU H1F-60型伺服壓力機(jī)，根據(jù)試驗要求可對拉深速度、壓邊力等進(jìn)行調(diào)節(jié)，可實現(xiàn)0.2～4.0 mm 厚金屬板料的拉深成形試驗[19]。該設(shè)備還配有熱成形系統(tǒng)，利用高頻電磁加熱原理對金屬板料在模內(nèi)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(tǒng)正向安裝，且安裝反頂缸裝置，配備液電聯(lián)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對加熱溫度的控制[20]。

圖5 HIF-60伺服壓力機(jī)

圖6 熱成形模結(jié)構(gòu)

為保證試驗結(jié)果的嚴(yán)謹(jǐn)性，重復(fù)進(jìn)行6 次拉深試驗，在最優(yōu)工藝參數(shù)條件下的拉深成形件如圖7所示，拉深數(shù)值模擬結(jié)果如圖8 所示。由圖7 和圖8可以看出，在最優(yōu)成形工藝參數(shù)條件下的6061高強(qiáng)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(shù)值模擬結(jié)果吻合，表明優(yōu)化設(shè)計工藝參數(shù)的可靠性，對于實際生產(chǎn)有一定的指導(dǎo)意義。

圖7 實際拉深成形件

圖8 實際拉深數(shù)值模擬結(jié)果

4 結(jié)束語

（1）對6061高強(qiáng)度鋁合金進(jìn)行單向拉深試驗獲得了材料的真實應(yīng)力-應(yīng)變曲線及在不同溫度階段的力學(xué)性能，將材料參數(shù)以及曲線導(dǎo)入到DynaForm中進(jìn)行仿真模擬，降低了試驗次數(shù)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(yōu)的工藝參數(shù)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(yōu)成形工藝參數(shù)的拉深成形件與仿真模擬結(jié)果一致，驗證了優(yōu)化后工藝參數(shù)的準(zhǔn)確性。