影響3003鋁合金杯突試驗數(shù)據(jù)的因素分析*

肖永通，伍超群，郭 鯉

廣東省工業(yè)分析檢測中心，廣東 廣州 510650

杯突試驗是測定金屬板材成形性能的重要試驗方法之一，通過杯突值來衡量板料的成形性能，已成為一種公認的標準試驗方法[1].一般認為，合金板材的杯突值越高，板材的成形性能越好[2].在杯突值的實際測定中，杯突值的大小與潤滑劑、杯突速度、壓邊力及摩擦條件有很大關(guān)系[3-4].本文采用小伺服壓力機對厚0.9mm的3003-O態(tài)鋁合金薄板進行杯突試驗，以研究杯突速度、壓邊力及潤滑條件對鋁合金薄板杯突值的影響，從而獲得最佳的杯突試驗參數(shù)，用于探討材料塑性成形的規(guī)律.

1 試驗部分

試驗材料為0.9mm厚的3003-O態(tài)鋁合金薄板，其化學成分列于表1.根據(jù)GB/T4156-2007加工試樣，試樣尺寸為90mm×90mm，試樣表面光滑平整，邊緣光滑不扭曲.試驗前將試樣用汽油清洗并擦干.

表1 3003-O態(tài)鋁合金薄板的化學成分Table 1 The compositions of 3003-O aluminum alloy

采用GBC-60W型半自動數(shù)顯杯突試驗機測定3003-O態(tài)鋁合金薄板的杯突值，試驗裝置示意圖如圖1所示.試驗中選用直徑20 mm球頭，凸模、凹模等模具尺寸列于表2.

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 潤滑條件對杯突試驗的影響

在杯突速度為10 mm/min、壓邊力為10 kN的條件下，分別在無潤滑、動物油脂潤滑、機油潤滑和聚四氟乙烯薄膜潤滑的條件下對鋁合金薄板進行杯突試驗，試驗結(jié)果列于表3.由表3可知，用聚四氟乙烯薄膜作潤滑劑時，3003-O態(tài)鋁合金薄板的成形效果最好，其杯突值達8.2 mm；在無潤滑的條件下，材料的杯突值僅為6.5 mm，鋁合金薄板的成形性能最差.這說明使用潤滑劑有助于改善鋁合金板成形過程中的接觸摩擦狀態(tài)，使鋁板的應變分布更趨于合理，從而提高板材的成形性能，其杯突值相應提高.因此，在3003-O態(tài)鋁合金薄板杯突試驗中，選擇聚四氟乙烯薄膜作為潤滑劑，可獲得最佳的杯突值.

圖1 杯突試驗裝置示意圖Fig.1 Cupping test device

表2 杯突試驗裝置模具尺寸Table 2 The mold size of cupping test device

表3不同潤滑條件下合金薄板的杯突值
Table3Thecuppingvaluesofalloysheetsunderdifferentlubricatingconditions

潤滑條件無潤滑機油潤滑動物油脂潤滑聚四氟乙烯潤滑杯突值/mm6.57.37.88.2

2.2 杯突速度對杯突試驗的影響

在壓邊力為10 kN、用聚四氯乙烯潤滑的條件下，對厚度相同的薄板試樣進行杯突試驗，考察杯突速度對杯突值的影響，試驗結(jié)果如圖2所示.由圖2可知，杯突速度對杯突值影響較大.隨著杯突速度增大，杯突值呈先降后增的趨勢.當杯突速度小于10 mm/min時，隨著杯突速度的增大，杯突值小幅度降低.這是由于開始時隨杯突速度增加變形區(qū)域快速變薄，隨著杯突過程的繼續(xù)進行所需的載荷迅速增大，直至超出金屬材料的承受能力，造成該處金屬過早發(fā)生局部流動而失穩(wěn)斷裂.當杯突速度大于15 mm/min時，隨著杯突速度增大杯突值增加，但杯突值的穩(wěn)定性變差.

在杯突速度較低和較高的情況下，試樣破裂的形貌如圖3所示.從圖3可以看出，試樣存在明顯的頸縮和屈服延伸現(xiàn)象.當杯突速度較低時，圖3(a)顯示試樣變形均勻，破口較小.當杯突速度較大時，圖3(b)顯示試樣的破口較大.這是由于當杯突速度過高時，測試系統(tǒng)存在延緩動作，沖頭稍延遲停止，杯突深度偏高，導致破口部分裂縫偏大，杯突值偏高.同時，杯突值也變得不穩(wěn)定，此時所測的杯突值的準確性偏低.綜合考慮杯突試驗速度及準確性這兩方面因素，杯突速度為10 mm/min時，既能夠保證試驗的準確性，又能夠提高試驗效率.因此，選擇杯突試驗速度為10 mm/min較合適.

圖2 杯突值與杯突速度的關(guān)系曲線Fig. 2 The relationship between speed and cupping value

圖3 試驗后試樣形貌(a) 杯突速度較低；(b)杯突速度較高Fig.3 The samples after experiment(a)low cup drawing speed;(b)high cup drawing speed

2.3 壓邊力對杯突試驗的影響

在杯突速度為10 mm/min、用聚四氯乙烯潤滑的條件下，考察壓邊力對杯突試驗結(jié)果的影響，試驗結(jié)果如圖4所示.由圖4可知，當壓邊力小于10 kN時，隨著壓邊力的增大杯突值大幅度降低.主要是因為壓邊力較小時，材料在杯突試驗過程中出現(xiàn)滑動，使試驗壓頭施加給材料的力小于實際的力，進而導致材料杯突值偏大.而隨著壓邊力逐漸增大，材料在杯突過程中滑動的現(xiàn)象逐漸消失，使材料的杯突值降低.當壓邊力大于10 kN時，隨著邊緣壓力的增加，材料的杯突值趨于平穩(wěn).一方面由于壓邊力大于10 kN后，3003-O態(tài)鋁合金材料的流動性達到穩(wěn)定，材料的變形趨于穩(wěn)定；另一方面壓邊力與壓模及固定模之間的正壓力成正比，且試樣杯狀變形主要限于壓模與固定模之間未被擠壓部分.當壓邊力大于10 kN時，壓邊力、壓膜壓力及固定膜壓力三者之間達到動態(tài)平衡，未被擠壓部分與被擠壓部分達到穩(wěn)定，這樣杯狀變形穩(wěn)定，所得的杯突值較可靠.所以，杯突試驗中選擇壓邊力大于10 kN可獲得較準確的試驗結(jié)果.

3 結(jié) 論

以聚四氟乙烯薄膜為潤滑劑、杯突速度為10 mm/min左右、壓邊力大于10 kN時， 3003-O態(tài)鋁合金薄板杯突試驗的成形效果最好，杯突試驗中可獲得準確的杯突值.

圖4 杯突值與壓邊力的關(guān)系曲線Fig.4 The relationship between blank holder force and cupping value

參考文獻：

[1] 李偉鋒,喬明杰.杯突試驗測定板料成形極限圖的試驗研究[J].鍛壓技術(shù),2010,35(6):63-65.

[2] 于忠奇，楊玉英，王永志，等.基于韌性斷裂準則的鋁合金板材成形極限預測[J].中國有色金屬學報，2003，13(5):1223-1226.

[3] 程令霞,曹陽根,楊尚磊,等.沖壓速度對杯突值影響的研究[J].熱加工工藝,2014,21:107-109.

[4] 關(guān)小軍,韓振強,馬璟,等.杯突成形過程平均摩擦系數(shù)的研究[J].鍛壓裝備與制造技術(shù),2006,41(4):65-67.