6xxx 系鋁合金在6 個月時效內材料沖壓性能波動預測

王元寧

（奧德富軟件（上海）有限公司，上海 200001）

1 前言

6xxx 系鋁合金具有密度低、易成形、耐蝕性好等優點，廣泛應用于汽車及建筑領域。隨著對6xxx 系鋁合金應用要求的不斷提高，人們對該系鋁合金的強度及耐熱性提出了更高要求[1]。從目前的發展趨勢來看，為了保護環境、節約能源和資源，未來汽車研發將更注重汽車輕量化設計。在汽車生產制造中采用高強鋼、鋁合金、鎂合金、復合材料等輕量化材料可以有效實現汽車輕量化。另外采用先進制造工藝，如熱成形、激光拼焊、液壓成形等也可以實現汽車輕量化[2]。目前汽車市場競爭激烈，對車身的減重要求日益提高，以轎車的引擎罩為例，引擎罩沖壓工藝難度相對較小，減重效果也最明顯。鋁板引擎罩和傳統的鋼板引擎罩相比有1/2 重量的減輕效果。但是更換材料后，由于鋁板的特點，零件會產生以下缺陷：①滑移線更明顯；②局部圓角更容易開裂；③外觀面回彈較大。以上缺陷主要與鋁板特性有關，例如屈服強度和抗拉強度較小，各項異性R 值偏小，楊氏模量小等。這些問題通過零件設計和工藝改進可以克服。

關于鋁板6xxx 系材料性能預測理論研究比較少，近些年來，越來越多的大型商用軟件可以模擬6xxx 系鋁合金的側圍外板的成形和回彈問題，下面以AutoForm 軟件解決成形開裂方案為例，進行簡單的體系描述。

2 研究現狀

汽車用鋁的發展大致經歷了三個階段：第一階段主要是“四門兩蓋”的車身階段，車企通過在發動機罩、行李箱蓋、汽車擋泥板、車門等部件采用鋁合金材料以求降低油耗；第二階段主要是“殼式支撐結構”車身階段，其代表是1990 年生產的豐田NSX；第三階段是“空間框架結構”車身階段，其代表是奧迪A8、捷豹XFL、特斯拉均采用全鋁車身。目前鋁合金在汽車上應用的形式有鑄造鋁合金和變形鋁合金。從工藝方式上分為冷沖壓鋁合金和熱成形鋁合金[3]。

2019 年前后，我們對各大車企進行調研，對于鋁合金的使用基本上集中在冷沖壓。從2021 年開始，越來越多的車企開始研究鋁合金熱成形的應用，包括6xxx 系鋁合金的熱成形和7 系鋁合金的熱成形。目前進行大批量生產的鋁合金熱成形件很少，基本都處于小批量生產或者研究階段。

目前鋁熱成形件的難點在于：①鋁合金熱成形需要時效處理；②保壓時間的控制；③鋁合金熱成形受摩擦力影響很大，等等。

本文主要研究鋁合金的冷沖壓。以變形鋁合金為例，分析案例是某汽車廠正在生產的某車型的側圍外板，采用材料為6xxx 系鋁合金，厚度0.9mm，材料性能和時效[4]性（材料供應商提供）如表1 所示。

表1 6xxx 系鋁合金材料性能參數（材料供應商提供）

從零件生產的要求來看，材料供應商建議使用3個月的材料性能，提供的材料卡如圖1 所示。由圖可見，鋁合金的屈服強度為124.8MPa，抗拉強度為236.3MPa，n 值為0.244，Ag 為21.4%。同時建議進行鋁合金6 個月時效的驗證，根據試驗來指導零件的生產。

圖1 材料供應商提供的材料卡

為了對比材料性能3 個月時效和6 個月時效的材料卡，按材料供應商的建議，對時效6 個月的材料進行材料性能測試，如表2 所示，使用的實驗設備包括拉伸試驗機（SCL2951 50kN 電子程控式彎折拉壓萬能試驗機），FLC 實驗機（Zwick 成型機+ARAMIS測量系統）。

表2 6xxx 系鋁合金材料測試參數（YS：屈服強度，UTS：抗拉強度）

通過5 個月中的6000IH 單向性能測試和FLD測試，創建AutoForm 軟件可使用的材料卡，也就是我們當時試模使用的材料卡，如圖2 所示，鋁合金的屈服強度為99.02MPa，抗拉強度為217.8MPa，n 值為0.263，Ag 為22.6%。

圖2 某主機廠創建的材料卡

如圖3 所示為材料供應商提供的材料卡與某主機廠測試材料性能創建的材料卡的對比，得到如下結論：

圖3 材料供應商提供的材料卡和某主機廠的材料卡對比

（1）根據材料供應商提供的材料參數，6 個月時效的材料性能和3 個月時效的材料性能相比，抗拉強度和屈服強度明顯變大，但是某主機廠測試的材料數據和客戶提供的材料參數相比，5 個月時效的材料參數的抗拉強度和屈服明顯偏低。

（2）理論上n 值隨時效變小，但是某主機廠測試的n 值比客戶提供的n 值大。

（3）某主機廠測試的0°，45°，90°方向上的屈服強度跟材料供應商提供的數值相比，0°和90°方向的屈服強度偏大，45°方向的屈服強度偏小。

（4）某主機廠測試的FLC[5]最低點跟材料供應商提供的參數相比，明顯偏小。

3 試模驗證

模具設計和投鑄時，材料的測試還沒有開始，零件工藝開發和數值模擬使用的是材料供應商提供6000-IH 的材料性能參數。材料性能是否能夠達到材料卡的要求，是對材料、工藝、設備、模具提出的很大的挑戰。從第一次試模的情況看，模具的間隙、筋和壓機力量的調整沒有到達最佳值的情況下，我們基本可以使用自制的6000-IH 的材料卡和供應商提供6000IH 的材料卡對比。

如圖4 所示，試模時，模具、壓機、筋的優化未達到完全狀態時，會出現：①滑移線；②開裂；③開裂；④開裂；⑤開裂；⑥開裂；⑦開裂；⑧面凹；⑨開裂；⑩開裂；?開裂；?面凹；?開裂；?開裂；?開裂；?開裂；?開裂；?滑移線；?滑移線；?開裂；?開裂。

圖4 試模時的零件

選3 個有代表性的開裂缺陷進行驗證，分別用三個材料卡進行模擬驗證。A 為3 個月的材料卡（材料供應商給出），B 為3 個月的材料卡（某主機廠自制），C 為6 個月內的材料卡（某主機廠自制）。其他參數條件一致，計算后將結果進行對比，得到以下結論。

如圖4 中④區存在開裂風險（超過某主機廠標準0.8），后續在補充面進行放大圓角處理，基本能解決開裂問題，三種情況對比如圖5 所示最大失效A:0.859，B:0.8889，C:0.924。

圖4 中⑧區沒有開裂的風險（超過某主機廠標準0.8），解決間隙和模具局部硬點等問題。后續不存在開裂。如圖6 所示。最大失效A:0.736，B:0.753，C:0.743。

圖4 中⑨區沒有開裂的風險（超過某主機廠標準0.8），解決間隙和模具局部硬點等問題。后續不存在開裂。如圖7 最大失效A:0.729，B:0.752，C:0.7 16。

4 總結

從以上實例可見，材料供應商給出的材料性能值與某主機廠測試的材料性能相比有一定的差別，從得到的數值模擬結果來看，材料供應商給的材料卡存在更小的開裂風險，但是用主機廠自己測試的材料性能的材料卡，有的區域存在一定的開裂風險。

在后面的試模中，明顯缺陷問題大部分可以解決。如果遇到模具供應商解決不了的開裂問題，把問題推卸給材料供應商的時候，我們可以自己測試板料的材料性能進行驗證。一方面我們對材料性有了更細致的理解并可以擬合出自己的材料卡，另一方面，也可以利用自己的材料卡說服模具供應商提出另外的解決方案，提高效率和降低試模成本。同時也為以后面對其他項目的風險預測提供保障。

在測試和數值模擬對比中，材料時效性的影響明顯存在，材料隨著存放時間的變長，強度會增加，成形性會下降。建議零件沖壓在3月內或6月前使用完成。