汽車用5754鋁合金溫拉深成形性能的研究

胡靜遠，王孟君，李繼林，陳新歡，張　放

1.中南大學有色金屬材料科學與工程教育部重點實驗室，湖南 長沙 410083；

2.廣東省材料與加工研究所，廣東 廣州 510610

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汽車用5754鋁合金溫拉深成形性能的研究

胡靜遠1，王孟君1，李繼林2，陳新歡1，張放1

1.中南大學有色金屬材料科學與工程教育部重點實驗室，湖南 長沙 410083；

2.廣東省材料與加工研究所，廣東 廣州 510610

摘要：通過筒形件拉深試驗，研究了壓邊力、變形速率及變形溫度等因素，對5754鋁合金板材拉深成形過程的影響規(guī)律，并通過掃描電子顯微鏡(SEM)觀察分析了不同條件下筒形件拉裂斷口形貌．研究結果表明：在壓邊力為1.0 N/mm2時，筒形件成形質量較高；在以低于0.5 mm/s的速率拉深時，5754鋁合金板的成形性能比高速拉深時的成形性能好；當變形溫度低于523 K時，5754鋁合金板的極限拉深比隨溫度的升高而增大，在523 K時達到最大極限，拉深比為2.30，之后隨著溫度的繼續(xù)升高，拉深比反而降低；從斷口形貌上看，隨著溫度的升高，板材塑性成形性能逐漸改善．

關鍵詞：5754鋁合金；成形性能；極限拉深比；斷口形貌

隨著汽車產業(yè)的不斷發(fā)展，汽車成為了必不可少的生活用品，同時也帶來了能源短缺及環(huán)境污染等問題，汽車生產商們必須把汽車產業(yè)成長的重心著力于節(jié)約能源和環(huán)境保護方面[1-2]．在現(xiàn)階段，汽車輕量化是達到節(jié)能環(huán)保較理想的方法，這使輕質材料的應用受到了汽車生產商們的廣泛關注．在眾多輕質材料中，鋁合金以其密度低、剛強比高、抗沖擊性能良好、可回收性好、易加工及表面質量優(yōu)良等一系列優(yōu)點，而受到了人們的廣泛關注[3-4]．車身用鋁合金板的成形性能與鋼板存在一定的差距，其彈性系數(shù)不足鋼板的1/3，室溫下延伸率不高，沖壓成形性能不佳，容易產生裂紋與起皺等問題[5]．有關研究表明[6-8]，鋁合金在溫成形狀態(tài)時，塑性有所上升，成形性能有所加強．

本文通過筒形件溫拉深試驗，對壓邊力、變形速率及變形溫度等因素，對5754鋁合金板材拉深成形性能的影響進行了研究，以期為開發(fā)汽車用5000系鋁合金板的成形技術提供理論參考．

1試驗部分

1.1試驗材料

試驗材料為汽車用5754鋁合金冷軋板，其厚度為1.10 mm，合金成分列于表1．

表1　5754鋁合金化學成分

1.2試驗方法

試驗用板材的生產工藝流程為熔鑄→鑄造→銑面→均勻化→冷軋，板材厚度由4.60 mm→3.60 mm→2.50 mm→1.85 mm→1.40 mm→1.10mm．試驗時首先將板材切邊，然后拉矯清洗切邊，最后退火(條件為587 K，3 h)[9]．圖1所示為拉深試驗裝置簡圖．模具尺寸參數(shù)如下：凸模直徑為50.00 mm，圓角半徑為5.00 mm；凹模直徑為53.64 mm，圓角半徑為13.00 mm．

圖1　拉深試驗裝置示意圖Fig.1　Schematic diagram of drawing experiment equipment

用線切割切法取直徑85.00～125.00 mm的圓板，板厚為1.10 mm，將切割的試樣放到板材試驗機上進行拉深，確定出不同試驗狀態(tài)下不破裂而能夠成形的最大板坯直徑Dmax和沖頭直徑dp的比值，該值就為板材的極限沖深比值(LDR)，用公式表示為：

LDR=Dmax/dp.

采用雙十字法使板材坯料準確對中．將抹好機油的坯料平放于凹模之上，并用壓邊圈預緊，調節(jié)壓邊力、變形速率及溫度，以研究汽車用5754鋁合金板的成形性能．試驗過程中，計算機系統(tǒng)自動采集拉深載荷、沖頭行程等相關數(shù)據(jù)．

2結果與分析

2.1壓邊力對成形性能的影響

壓邊力對板材成形質量的影響較大，壓邊力過小時，進料阻力減小，板材容易起皺；而壓邊力大于一定值后，板材容易在危險斷面處出現(xiàn)拉裂等缺陷．圖2為室溫下(303 K)，直徑為90.00 mm的5754鋁合金板坯，在沖壓速率為0.5 mm/s、機油潤滑、單位壓邊力分別為0，0.5，1.0和2.0 N/mm2條件下，筒形件拉深實物圖．從圖1可以看出：不加載壓邊力時，板材出現(xiàn)較嚴重的起皺現(xiàn)象；當壓邊力為0.5 N/mm2時，板材有輕微的起皺；壓邊力提高至1.0 N/mm2時，筒形件口部較平整，成形質量較高；當壓邊力繼續(xù)增大至2.0 N/mm2時，拉深成形開始不久就在筒形件危險斷面處發(fā)生破裂．由此可知，當壓邊力為1.0 N/mm2時，筒形件成形質量較高．

圖2　不同壓邊力時筒形件實物圖Fig.2　Drawing cylinder at different blank holder forces

2.2成形速度對成形性能的影響

為了得出合適的凸模速度，在室溫、單位壓邊力為1.0 N/mm2、潤滑條件為機油潤滑、凸模速度分別為0.1，0.5和1.5 mm/s的條件下，對試樣進行拉深．圖3為試樣拉深載荷-凸模行程曲線．從圖3可見，當凸模速度由0.1 mm/s提高至0.5 mm/s時，拉深載荷上升幅度不大；而當速度繼續(xù)增大至1.5 mm/s時，拉深載荷增幅較大超出一定范圍，拉深成形還沒來得及完成就在筒形件危險斷面處發(fā)生了破裂．這是由于隨著凸模速度的增加，法蘭區(qū)板材加速變厚，維持拉深變形繼續(xù)所需的拉力增大過快，以致超過了筒形件危險斷面處板材所能承載的變形抗力，導致該區(qū)域板料較早地發(fā)生了局部流動，使得板材拉裂[5]．圖4為筒形件拉深破裂的實物圖．

圖3　拉深載荷—凸模行程曲線Fig.3　Punch stroke-punch load curves

圖4　5754鋁合金板材斷裂形貌Fig.4　Fracture morphology of 5754 aluminum alloy

2.3成形溫度對成形性能的影響

成形溫度對沖壓成形性能影響較大，室溫下5754鋁合金板材的塑性成形性能不是很好，故需要對板材進行溫成形加工．為了確定5754鋁合金板合適的沖壓溫度，在沖壓速率為0.5 mm/s、單位壓邊力為1.0 N/mm2、機油潤滑及沖壓溫度分別為303，373，448，523和573 K的條件下，對試樣進行溫成形加工．圖5和圖6分別為不同成形溫度下5754板材的LDR值變化曲線及筒形件拉深成形實物圖．

從圖5可以看出，溫度為303 K時5754鋁合金板材的LDR值為1.90，溫度為523 K時所對應的板材LDR值為2.30，隨著溫度繼續(xù)升高板材的LDR值開始下降，當溫度為573 K時板材的LDR值降至2.18．這表明，5754鋁合金板材的LDR值并不是隨著成形溫度的升高而一直增大的．當溫度升高后，試樣拉深性能有較大的提升，但板材的抗拉強度卻逐步下降，如果板材溫度升高過大(大于523 K時)，會使得5754鋁合金板材危險斷面處的抗拉強度下降過大，當抗拉強度下降幅度大于塑性變形增大幅度時，板材危險斷面處拉裂的概率就會隨之升高[10-11]，這時板材的LDR值開始下降．由此可以看出，在上述試驗條件下，5754鋁合金板材的適宜成形溫度為523 K，此時拉深成形效果較理想．

圖5　不同成形溫度下5754鋁合金的極限拉深比Fig.5　Variations of limiting drawing ratio of 5754 aluminum alloy at different forming temperatures

圖6　不同成形溫度下筒形件拉深實物圖Fig.6　Drawing cylinder at different forming temperatures

通過掃描電子顯微鏡，在凸模速度為0.5 mm/s、成形溫度303～573 K的條件下，對5754鋁合金板材斷口形貌進行觀察分析(圖7)．圖7為不同變形溫度下5754鋁合金斷口形貌圖．從圖7可以發(fā)現(xiàn)，室溫下(303 K)試樣斷口處韌窩較少，而孔洞分布較為密集．這主要是由于變形時大量位錯運動而使得位錯塞積，在頸縮部位形成較多的孔洞，宏觀上表現(xiàn)為板材拉裂斷口塑性較差．隨著溫度的升高，5754鋁合金板材塑性成形性能有所上升，拉深斷口韌窩數(shù)量有所增加，而且溫度越高，板材斷口韌窩的深度及尺寸均有所增加，宏觀上表現(xiàn)為拉裂斷口塑性較好．這主要是隨著溫度的升高，在成形過程中出現(xiàn)較為明顯的動態(tài)再結晶現(xiàn)象，使晶界產生滑動和晶粒發(fā)生旋轉，這能有效地阻礙孔洞及裂紋的生長，也可以彌補因塑性成形而出現(xiàn)的微觀缺陷，使得板材塑性成形性能有所提高．因此，隨著溫度的升高，5754鋁合金板材的LDR值逐漸增大．

圖7　不同變形溫度下的5754鋁合金斷口形貌(a)303 K；(b)448 K；(c)573 KFig.7　Fracture morphology of 5754 aluminum alloy at different forming temperatures

3結論

(1)壓邊力的大小，對5754鋁合金板的成形質量有重要影響，在壓邊力為1.0 N/mm2時，成形件質量較好．

(2)隨著成形速度的增加，板材的拉深載荷變大，當成形速度大于1.5 mm/s時，在危險斷面處板材容易拉裂．

(3)隨著溫度的升高，板材的LDR值并非一直增大；當溫度為523 K時，板材的LDR值升高到2.30；當溫度繼續(xù)升高至573 K，板材的LDR值降至2.18．

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Forming properties of 5754 aluminum alloy for automotive body sheet during warm deep drawing processes

HU Jingyuan1，WANG Mengjun1，LI Jilin2，CHEN Xinhuan1，ZHANG Fang1

1.TheKeyLaboratoryofNonferrousMetalMaterialsScienceandEngineeringofMinistryofEducation，CentralSouthUniversity，Changsha410083，China；2.GuandongInstituteofMaterialsandProcessing,Guangzhou510650，China

Abstract:By cylindrical workpieces drawing test，the paper had researched the influence of blank holder force，strain rate and temperature on 5754 aluminum alloy，and analyzed the fracture morphology of cylinder under different conditions by SEM. It is found that under the blank holder force is 1.0 N/mm2，aluminum alloy could gain optimum drawing performance. The forming properties of 5754 aluminum alloy sheet are better when the drawing speed is lower than 0.5 mm/s. LDR increases while the forming temperature increases before it gets to the maximum value 2.30 at 523K，and LDR value decreases after that. By analyzed the fracture morphology，it is found that the forming properties of the sheet can be improved gradually with the temperature increasing.

Key words:5754 aluminum alloy；forming properties；limiting drawing ratio；fracture morphology

中圖分類號：TG386.3

文獻標識碼：A

文章編號：1673-9981(2016)01-0039-05

作者簡介：胡靜遠(1993-)，女，湖北省孝昌縣人，碩士研究生.

收稿日期：2015-12-02