T6態(tài)7075鋁合金的溫拉深成形研究

王 輝 高 霖 陳明和 金玲玲

南京航空航天大學，南京，210016

0 引言

近年來，隨著汽車輕量化技術的發(fā)展，越來越多的輕金屬材料被應用在汽車制造領域［1］。在一些強度要求較高的結構件中，高強度鋼板得到廣泛應用［2－3］，但隨著汽車進一步減重的需要，高強度鋁合金有望代替高強度鋼板成為汽車輕量化材料。Al－Zn－Mg－Cu鋁合金又稱為7系列鋁合金，在淬火以及時效處理后可以獲得很高的強度，又因為它密度小，因此一些國際汽車制造企業(yè)開始考慮用其代替高強度鋼板來制造一些汽車零件，如汽車的B立柱。由于淬火狀態(tài)下的7系列鋁合金在室溫情況下塑性較差，表現(xiàn)出很強的脆硬性，難以直接用普通的成形方式成形為較復雜的零件［4］，通常需要將板料進行退火處理，增加材料的塑性，成形完后再進行淬火和時效處理。這種方法工藝復雜，后續(xù)熱處理時間長，并且對零件的尺寸等有一定影響。在航空航天領域超塑性成形也是加工高強度鋁合金板料的一種重要方法［5－7］，但是由于超塑性成形工藝復雜，成形時間長，而汽車工業(yè)中零件要求批量化生產，生產效率要求較高，所以必須研究新的成形方法。

溫成形可以提高材料的塑性，并且不需要很高的溫度，因而在鋁合金板料的成形中得到了廣泛應用［8－9］。若要將高強度鋁合金應用于汽車領域，需要大幅度提高生產效率，溫成形有望成為汽車制造領域應用高強度鋁合金進行生產的最佳工藝。目前對溫成形的研究主要集中在5系列、6系列等不需要熱處理的鋁合金材料以及部分鎂合金材料上［10－11］，而對可熱處理的7系列鋁合金材料的溫熱成形研究較少。對高強度鋁合金板料在不同溫度下的性能，以及成形后是否保持足夠高的強度等缺乏足夠的試驗研究。本文對T6態(tài)7075鋁合金在不同溫度下進行了杯形件和方形盒零件的拉深試驗，研究了溫度、成形速度等對其拉深性能的影響，并對成形后的零件進行了拉深試驗，研究了成形溫度對拉深性能以及后續(xù)零件強度的影響。

1 試驗方法和試驗方案

1.1 試驗材料

試驗材料為美國鋁業(yè)公司生產的2mm T6態(tài)7075鋁合金板料，其基本性能參數(shù)和化學成分如表1、表2所示。

表1 材料在室溫下的基本性能參數(shù)

表2 材料化學成分 %

1.2 試驗設備與條件

通常認為板料的拉深性能可以通過極限拉深比（LDR）來描述，而盒形件的拉深在板料拉深中也具有代表性，因此本文采用較大尺寸的杯形件和盒形件的拉深試驗來研究T6態(tài)7075鋁合金的拉深性能。杯形件極限拉深比試驗所用模具尺寸如圖1所示。

為了更好地控制溫度，在凹模以及壓邊中直接用加熱棒加熱，凸模有兩種，在等溫成形中凸模內部放置加熱棒，而在非等溫成形中凸模內部放置水冷裝置。設備溫度控制誤差在±1℃以內。

方形盒零件在大試驗機上成形，模具結構相同，其模具尺寸如圖2所示。

由于在高溫環(huán)境下普通的潤滑劑潤滑效果很差，本試驗采用FUCHS公司的干式潤滑劑AL278進行潤滑，首先用酒精將其稀釋溶解，然后均勻地涂在板料上，酒精蒸發(fā)后潤滑劑就均勻地附著在板料上。

1.3 試驗步驟

首先切割試樣，并涂上潤滑劑，潤滑劑干了之后，將板料在預熱設備中加熱至所設定溫度，保溫2min，然后快速取出放入已加熱至同一溫度下的模具內成形，成形后室溫冷卻2h，然后從試樣底部截取條形材料（圖3），進行單向拉深試驗以及硬度試驗。

等溫試驗中凸模、凹模、壓邊、板料的溫度相同，而非等溫試驗中凸模采用冷卻水冷卻，其溫度保持在35℃左右。板料和其他模具的溫度與等溫試驗設定值相同。試驗溫度設定為普通材料溫成形的溫度，分別在25℃、100℃、140℃、180℃、220℃、260℃、300℃條件下進行試驗。

2 結果與討論

2.1 溫度對板料拉深性能的影響

板料在室溫下呈現(xiàn)明顯的脆斷性，圖4所示為在室溫下的圓形試樣與方形試樣，圓形試樣拉深時板料的極限位深比η＜1.6，方形盒拉深深度低于25mm。圖5所示為板料在180℃下的圓形試樣與方形試樣。

圖6所示為杯形件在不同溫度下拉深成形過程中得到的極限拉深比變化曲線。拉深時板料、凸模、凹模、壓邊均保持相同溫度，凸模速度為5mm／s。從圖6可以看出，溫度升高至140℃以上時極限拉深比η明顯提高，溫度升高至180℃以上時極限拉深比η不再顯著上升。而非等溫拉深成形得到的拉深深度明顯大于等溫拉深成形的結果，說明要想提高拉深性能，最低溫度為100℃，溫度在220℃以上時拉深性能很難提高。

圖7給出了方形盒零件的成形性能，不同溫度下方形盒與杯形件的成形高度的變化趨勢相同，二者均在260℃ 以后開始出現(xiàn)拉深性能下降的趨勢，由此可見，對于T6態(tài)7075鋁合金，并非成形溫度越高，拉深性能就越好。兩種試驗結果均表明，板料的拉深性能在180～220℃左右達到最佳值。

從兩種試驗還可以看出，非等溫成形性能明顯優(yōu)于等溫成形性能。這是由于板料拉深的薄弱環(huán)節(jié)在頂部圓角部位，如果在成形過程中這個部位得到加強，拉深性能自然能夠得到很大提高；非等溫成形試驗由于凸模溫度較低，在成形過程中頂部圓角部位的材料溫度降低，強度提高，因此非等溫成形條件下板料的拉深性能比等溫條件下好。

2.2 拉深速度對板料拉深性能的影響

板料在溫度升高以后其性能對應變速率的敏感性明顯增加，因而在溫熱成形中成形速度是影響材料成形性能的重要因素之一。本文通過杯形件的拉深試驗研究了板料在140℃、180℃及220℃下成形速度對板料拉深性能的影響。試驗在等溫拉深條件下進行，凸模速度分別為1mm／s、5mm／s、20mm／s。 試 驗 結 果 如 圖 8所示。

從圖8可以看出，在溫成形條件下板料的成形速度對拉深性能有著明顯的影響，成形速度較高時板料的拉深性能下降，這種下降趨勢隨著溫度的增加更加明顯，這與材料在較高的溫度下應變速率敏感性增加有關。在較低的溫度下，進行低速的非等溫成形對提高板料的拉深性能非常有利。

2.3 成形溫度對材料后續(xù)強度的影響

由于7075鋁合金在T6狀態(tài)下性能最好，而成形過程中由于對板料進行了加熱，其成形后的性能能否保持在原來的狀態(tài)下是非常重要的。如果加熱溫度過高，將造成材料的再結晶，破壞了材料的淬火和時效狀態(tài)，必然造成其性能降低。

將成形后的試樣冷卻后在底部截取條形試樣，在室溫狀態(tài)下對其進行單向拉深試驗和硬度試驗，測量其強度和硬度。測量結果如圖9、圖10所示。

從圖9、圖10可以看出，淬火狀態(tài)的板料在加熱至220℃以下再冷卻，對其性能影響不大，而加熱至220℃以上冷卻時，其強度和硬度明顯降低，其熱處理狀態(tài)被破壞，如不重新進行淬火和時效處理，其強度難以提高。為了保證材料狀態(tài)和強度，避免進一步的熱處理，對于T6態(tài)7075鋁合金材料的溫成形應該在220℃以下進行。

3 結論

（1）T6態(tài)7075鋁合金在加熱至140℃以上時其拉深性能得到明顯提高，在180～220℃之間達到最佳值，但溫度高于220℃后拉深性能下降。

（2）非等溫成形對提高T6態(tài)7075鋁合金材料的拉深性能非常有利，可以得到比等溫拉深條件下更好的拉深性能。

（3）成形速度對T6態(tài)7075鋁合金的拉深性能影響較大，較低的成形速度有利于提高板料的拉深性能，特別是在非等溫成形工藝中更為明顯。

（4）成形溫度對板料成形后的強度和硬度有影響，當成形溫度高于220℃時，板料的抗拉強度和屈服強度明顯降低，因此在沒有后續(xù)熱處理的情況下，為保持材料的強度和硬度，T6態(tài)7075鋁合金溫成形溫度應低于220℃。

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