6061 鋁合金板沖壓成形數值模擬研究

文／劉存平，郭晟，羅宗平·宜賓職業技術學院

采用Dynaform 軟件對6061 鋁合金板材的沖壓成形進行數值模擬，研究了不同壓邊力和沖壓速度對成形極限圖（Forming limit diagram，FLD）及板材厚度變化的影響。結果表明：6061鋁合金成形過程中，隨壓邊力增加，筒形件邊緣起皺現象變的越來越嚴重，最大減薄率隨壓邊力的增加呈上升趨勢，而最大增厚率在壓邊力為50kN 時出現了異常的上升，當壓邊力為30kN 時該筒形件成形效果最好；沖壓速度對板料厚度變化的影響較大，較低的沖壓速度和較高的沖壓速度均較大程度地影響筒形件的成形質量，在沖壓速度為5000mm/s 左右時，該筒形件成形質量最好。

隨著能源問題日益突出，環境問題日益嚴重，汽車輕量化成為汽車行業發展的重要趨勢之一，研究表明汽車重量減少10%，能源效率可提升8%，減少溫室氣體排放達4%。高強度鋁合金具有密度小、比強度高、易加工，抗沖擊性能好和耐蝕性高等優點，同時，鋁合金在吸收沖擊載荷方面明顯優于鋼板，因此鋁合金是汽車車身輕量化的重要材料。鋁合金板材的成形性能將直接影響現代汽車工業的發展方向，為了更好地研究鋁合金的成形性能，國內外學者進行了大量的鋁合金成形性能的研究試驗。本文利用Dynaform 軟件對6061 高強鋁合金的筒形件成形過程進行模擬仿真，可以為該材料成形應用理論研究提供一定的支撐。

建立有限元模型

試驗材料

鋁合金選用1.5mm厚度的6061高強鋁合金板材，其力學性能如表1 所示。

表1 材料力學性能表

拉深試驗參數

筒形件拉深模具按照一次拉深進行設計，采用壓邊圈設置，初始壓邊力為40kN。

建立仿真模型

有限元模型的建立對模擬結果影響很大，模擬過程中的有限元分析模具參數見表2。拉深模間隙采用單邊間隙為1.5mm，凸模、凹模及壓邊圈均定義為剛體，板料定義為板殼單元，摩擦系數選取0.15。模型利用UG10 建立并保存為IGS 格式文件，將其導入到Dynaform 軟件中進行網格劃分并檢查，求解完成后可獲得成形極限圖(FLD 圖)、厚度變化云圖等數據，用于結果分析。有限元模型圖如圖1所示。

圖1 有限元模型圖

表2 模具參數

試驗與討論

壓邊力對成形性能的影響

壓邊力是影響沖壓性能的重要參數之一，壓邊力的大小直接決定了沖壓成形性能。壓邊力過大，材料流動困難，容易導致沖壓件拉裂；壓邊力過小，材料流進凹模速度過快，沖壓件容易起皺。試驗將壓邊力分別設置為10kN、30kN、50kN、70kN，圖2為不同壓邊力作用下的成形極限圖。從結果中看出，隨著壓邊力的增大，筒形件邊緣起皺不斷加劇，邊緣增厚率快速下降，筒體減薄率快速上升，說明邊緣材料流動性受阻，邊緣起皺風險和筒體破裂風險加大。其中，當壓邊力為50kN 左右時，增厚率出現了短期的上升波動，增厚率達到28%，原因需要進一步的研究；當壓邊力為70kN，減薄率為24%，由于隨著壓邊力繼續增大，鋁合金流入凹模的阻力加大，減薄率上升速度加快，影響了筒形件的成形。當壓邊力繼續增大，零件出現破裂的風險將急劇增加。圖3 為不同壓邊力作用下最大減薄率和最大增厚率的變化規律。

圖2 不同壓邊力的成形極限圖

圖3 最大減薄率和最大增厚率隨壓邊力變化規律

沖壓速度對成形性能的影響

壓力機的沖壓速度也會對沖壓成形產生較大影響，材料的變形抗力會隨著沖壓速度變化而發生改變，從而影響鋁合金零件的成形性能。試驗在毛坯直徑為42mm，壓邊力為40kN 的條件下，設置沖壓速度分別為2000mm/s、3000mm/s、5000mm/s 和8000mm/s，成形極限圖如圖4 所示。

圖4 不同沖壓速度的成形極限圖

圖5 為最大減薄率和最大增厚率隨沖壓速度的變化規律圖，可以看出筒形件邊緣起皺現象，其先出現了一定程度的減少，后隨著沖壓速度而再增加，邊緣起皺現象有再增加的趨勢。當沖壓速度為2000mm/s時，即在沖壓速度較慢的情況下，沖壓件邊緣起皺現象最為突出；當沖壓速度為3000mm/s 時，即隨著速度的增加，邊緣起皺現象出現了明顯的好轉，這時候最大減薄率和增厚率都出現了一定程度的下降；當沖壓速度在3000mm/s 至4000mm/s 時，最大減薄率開始上升，最大增厚率在這一速度階段出現了向上波動后下降的趨勢；當沖壓速度大于5000mm/s 時，最大增厚率和最大減薄率均呈現緩慢上升的趨勢，但是當沖壓速度達到8000mm/s 的時候，邊緣的起皺現象又變得突出起來。

圖5 最大減薄率和最大增厚率隨沖壓速度的變化規律

結論

基于Dynaform 有限元軟件分析，研究了壓邊力和沖壓速度對筒形件成形性能的影響。在一定試驗條件下，壓邊力的大小直接影響了沖壓成形性能。結果顯示，隨著壓邊力的增大，筒形件邊緣起皺不斷加劇，邊緣增厚率快速下降，筒體減薄率快速上升，說明邊緣材料流動性受阻，邊緣起皺風險和筒體破裂風險加大。壓力機的沖壓速度也會對沖壓成形產生較大影響，隨著沖壓速度再增加，邊緣起皺現象有先減少后增加的趨勢。在沖壓速度較慢的情況下，沖壓件邊緣起皺現象最為突出。通過對仿真條件的研究，可以提高鋁合金筒形件沖壓的質量，從而為實際生產提供較為可靠的理論數據支持。