5A02鋁合金板料制耳CAE分析及實驗研究

文/韓永志，余冰定，崔禮春·安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心

5A02鋁合金板料制耳CAE分析及實驗研究

文/韓永志，余冰定，崔禮春·安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心

本文通過對鋁合金板料深沖過程中出現(xiàn)的制耳現(xiàn)象進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了摩擦系數(shù)和壓邊力對制耳輪廓的影響，分析了深沖過程中板厚的分布情況。結(jié)果表明：晶體塑性有限元法模擬的制耳輪廓的高度與實測值比較吻合，隨著摩擦系數(shù)和壓邊力增大，制耳輪廓高度也增加，板料的厚度變化與實際情況一致。

金屬板料的深沖成形是一個涉及材料非線性、幾何非線性和邊界條件非線性的大塑性變形問題，板料內(nèi)部的應(yīng)變場、應(yīng)力場一般具有強(qiáng)烈的非均勻性，這樣的問題通常難以用解析法求解，必須用有限元法進(jìn)行數(shù)值模擬。另一方面，板料的宏觀變形行為從本質(zhì)上來說是其內(nèi)部非均勻的細(xì)微結(jié)構(gòu)在特定變形條件下的整體響應(yīng)。當(dāng)這種響應(yīng)在宏觀尺度上也具有強(qiáng)烈的非均勻性，且與材料內(nèi)部的非均勻結(jié)構(gòu)有著直接的關(guān)聯(lián)時，難以將變形體視為均勻介質(zhì)的宏觀數(shù)值模擬。

此時，考慮晶體塑性變形的微觀滑移機(jī)理和硬化機(jī)制、采用基于晶體塑性理論的運動學(xué)描述和本構(gòu)方程的晶體塑性有限元法(Crystal Plasticity Finite Element Method，CPFEM)，則顯示出了較強(qiáng)的靈活性和適應(yīng)性。CPFEM的基礎(chǔ)理論最初由Hill和Rice提出，它主要依據(jù)的是晶體塑性變形的Schmid定律。Balasubrmanian和Anand的研究也表明，晶體塑性理論可以研究并優(yōu)化板料的深沖工藝。

由于制耳的存在，導(dǎo)致材料浪費、產(chǎn)品質(zhì)量差、成品率低等不良后果。因此對板材深沖制耳進(jìn)行模擬預(yù)測和控制具有重大的現(xiàn)實意義。最近的研究表明，鋁合金板料在塑性成形過程中還將發(fā)生一類特殊的粘塑性失穩(wěn)現(xiàn)象（PLC效應(yīng)）。因此，本文將采用率相關(guān)的晶體塑性有限元方法對鋁合金薄板的深沖制耳現(xiàn)象進(jìn)行數(shù)值模擬研究，并進(jìn)一步分析摩擦系數(shù)、壓邊力等成形條件對制耳輪廓的影響。

有限元模型

本文采用完全隱式的拉格朗日算法，通過用戶材料子程序UMAT將晶體塑性理論嵌入到商用有限元軟件ABAQUS軟件中，并進(jìn)行了單元測試。模擬過程所用到的參數(shù)數(shù)值見表1。

深沖模型的幾何尺寸如圖1所示。由于此模型具有對稱性，為節(jié)約計算成本（本文每個算例的總計算時間約為1.04×104～1.54×104s），因此只需取薄板的1/4部分進(jìn)行模擬即可。板料采用C3D20R六面體實體單元，凸模、凹模、壓邊圈采用離散剛體R3D4殼體單元。

表1 材料參數(shù)

圖1 模型的幾何圖形及關(guān)鍵尺寸

模擬分為5步完成：⑴通過凹模上移和壓邊圈下移來夾緊板料，邊界條件Z方向位移值為1.0×10-14mm；⑵將壓邊圈Z方向的邊界條件去除，用壓邊力（Blank Holding Force，BHF）代替；⑶凸模下移1mm，同時在板料上表面施加定值的負(fù)拉力，防止凸模和板料上表面剛接觸時產(chǎn)生‘振顫’；⑷凸模繼續(xù)下移，進(jìn)行深沖；⑸當(dāng)凸緣邊到達(dá)凹模圓角時，保證當(dāng)前壓邊圈固定不動，繼續(xù)深沖直至沖程完成。

結(jié)果及討論

模擬預(yù)測制耳的輪廓

圖2為采用CPFEM模擬預(yù)測的制耳輪廓與實測值的比較。從圖2可以看出：預(yù)測的制耳為45°型制耳，與實測制耳輪廓比較吻合；在0°～30°和60°～90°之間，模擬得到的制耳輪廓高度和實測值相比略低；在30°～60°之間，模擬的制耳輪廓高度和實測值幾乎相等。對于面心立方金屬Al，變形過程中12個可動滑移系的晶面晶向為{111}<110>，導(dǎo)致在45°方向模擬出來的制耳輪廓較為‘鋒利’。因此，采用CPFEM成功地將材料的織構(gòu)和由此產(chǎn)生的制耳缺陷行為聯(lián)系在一起。圖3為制耳輪廓實物圖。

圖2 CPFEM模擬預(yù)測的制耳輪廓與實測值的比較

摩擦對制耳輪廓的影響

圖3 制耳輪廓實物

圖4 不同摩擦系數(shù)對制耳輪廓的影響

板料與壓邊圈、凹模之間的摩擦系數(shù)對制耳輪廓的影響（壓邊力為500N），如圖4所示。圖4中摩擦系數(shù)μ在0.01～0.1之間，制耳輪廓高度隨著摩擦系數(shù)的增大而增大，這是因為隨著摩擦系數(shù)的增加，凸模載荷也隨之增加，板料凸緣部分受到的徑向拉應(yīng)力也隨之增大，從而導(dǎo)致制耳輪廓高度的增高。從制耳高度上看，當(dāng)μ=0.1時，模擬的結(jié)果最接近實測值，當(dāng)摩擦系數(shù)進(jìn)一步增大時，會使深沖困難，甚至板料拉破以致深沖失敗。

壓邊力對制耳輪廓的影響

壓邊圈與凹模之間的壓邊力對制耳輪廓的影響（摩擦系數(shù)為0.01），如圖5所示。從圖5中可以看出，隨著壓邊力的增加，制耳輪廓高度也是逐漸增加的，在壓邊力大的情況下，制耳更為明顯。因為在大的壓邊力下導(dǎo)致更高的沖壓載荷，這和前面所提到的摩擦力的影響相似。從制耳高度上看，當(dāng)BHF=1500N時，模擬的結(jié)果最接近實測值。但若壓邊力過大，摩擦力增大，零件容易斷裂和不易取出，甚至板料拉破以致深沖失敗，故應(yīng)考慮合適的壓邊力。

圖5 不同壓邊力對制耳輪廓的影響

結(jié)論

⑴深沖模擬結(jié)果顯示，凸緣區(qū)增厚，圓角和杯壁減薄，杯底厚度基本不變，完全深沖后，杯壁徑向厚度從上至下逐漸減小，模擬結(jié)果和實驗結(jié)果基本一致。

⑵在深沖的模擬過程中，圓筒杯凸緣部分前期無明顯增厚，而后期增厚現(xiàn)象較為明顯；最小厚度的減少基本是在深沖開始階段，后期則基本沒有變化。

⑶增大摩擦系數(shù)和壓邊力將導(dǎo)致制耳輪廓高度的增加。

⑷晶體塑性有限元法在連續(xù)介質(zhì)理論框架內(nèi)對位錯滑移機(jī)制進(jìn)行了定量的描述，從微觀尺度揭示了晶體材料塑性變形的宏觀不均勻性和局部化現(xiàn)象。本文用CPFEM成功模擬了鋁合金板料的深沖過程，且對制耳輪廓高度的預(yù)測比較準(zhǔn)確，可為鋁合金板料深沖件的生產(chǎn)提供借鑒；同時，對用CPFEM模擬晶體材料塑性變形過程中的其他非均勻和局部化現(xiàn)象，如PLC鋸齒形屈服現(xiàn)象、織構(gòu)演化、微觀應(yīng)力應(yīng)變分布等，也具有一定的參考價值。

韓永志，沖壓工藝工程師，主要從事金屬材料塑性加工、模具開發(fā)研究及項目管理工作，主持完成的HFC1053P51K系列輕型載貨汽車項目通過安徽省省級科技成果鑒定，發(fā)表論文10余篇，擁有1項發(fā)明專利，6項實用新型專利。