5754鋁合金板材沖壓成形材料模型研究與應(yīng)用

傅 壘，李 利，黃鳴東，劉貞山，劉 成

5754鋁合金板材沖壓成形材料模型研究與應(yīng)用

傅 壘，李 利，黃鳴東，劉貞山，劉 成

(中鋁材料應(yīng)用研究院有限公司，北京 102209)

建立準(zhǔn)確的材料模型是沖壓數(shù)值模擬的基礎(chǔ)，通過3個方向的單向拉伸試驗(yàn)、以及單向壓縮試驗(yàn)和成形極限試驗(yàn)，獲得5754鋁合金材料性能數(shù)據(jù)，基于Voce硬化模型、Barlat89屈服準(zhǔn)則和成形極限，建立5754鋁合金成形用材料模型。利用Pamstamp-2G軟件，對5754鋁合金汽車大梁的沖壓成形進(jìn)行數(shù)值模擬，并與沖壓試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比。結(jié)果表明：數(shù)值模擬獲得的應(yīng)變數(shù)據(jù)與試驗(yàn)測量獲得的應(yīng)變數(shù)據(jù)比較接近，且各區(qū)域最大減薄率誤差在±10%以內(nèi)，驗(yàn)證數(shù)值模擬的可靠性。

5754鋁合金；硬化模型；屈服準(zhǔn)則；成形極限；數(shù)值模擬

隨著汽車保有量的增加，給資源、環(huán)境帶來了越來越大的壓力，減輕汽車質(zhì)量，提高燃油效率，降低排放以減少環(huán)境污染成為各汽車廠商的重要發(fā)展方向[1?2]。鋁合金具有密度低、比強(qiáng)度高、耐腐蝕性好、抗沖擊性好等優(yōu)點(diǎn)，是汽車輕量化的重要材料之 一[3?4]。與鋼板相比，鋁合金板總伸長率偏小，在室溫下成形性不如鋼板，沖壓成形時容易出現(xiàn)開裂、縮頸、起皺等缺陷，通過試錯的方法消除這些缺陷，會導(dǎo)致修模周期長，開發(fā)費(fèi)用高[5?6]。采用數(shù)值模擬技術(shù)，可以有效地預(yù)測鋁合金沖壓成形中的開裂、起皺等缺陷，然后進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低成形缺陷發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)，以指導(dǎo)沖壓模具開發(fā)和成形工藝制定，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)在鋁合金板材成形分析上得到廣泛應(yīng)用[7?8]。

梁賓[9]基于Barlat89屈服準(zhǔn)則，對鋁合金引擎蓋內(nèi)板進(jìn)行沖壓數(shù)值模擬，從起皺和開裂方面對比分析，數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。池也[10]基于Hockett-Sherby硬化模型、Barlat89屈服準(zhǔn)則，對鋁合金前圍板進(jìn)行拉延成形數(shù)值模擬，指導(dǎo)前圍板模具開發(fā)和沖壓工藝制定，產(chǎn)品沒有明顯起皺和破裂缺陷。金飛翔等[11]基于Hollomon、Krupskowsky、Power硬化模型，對杯形件拉深成形進(jìn)行數(shù)值模擬，從拉深深度、截面厚度對比分析了數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果。隨著光學(xué)測量技術(shù)的發(fā)展，張學(xué)廣[12]在成形極限試樣上印制網(wǎng)格，通過ARGUS光學(xué)應(yīng)變測量系統(tǒng)，全面表征了試樣變形后的應(yīng)變狀態(tài)。因此，在沖壓成形過程中，采用光學(xué)應(yīng)變測量系統(tǒng)可以更好地對比數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，全面了解沖壓零件的變形狀態(tài)。

為了提高鋁合金沖壓成形數(shù)值模擬的可靠性，需要建立準(zhǔn)確的材料模型，并求解出相關(guān)的材料參數(shù)，以表征鋁合金材料的成形性能。通常情況下，沖壓成形用材料模型主要由硬化模型、屈服準(zhǔn)則和成形極限組成[13?14]。本文以中鋁西南鋁生產(chǎn)的1.5 mm厚5754-H111鋁合金為研究對象，分別進(jìn)行單向拉伸試驗(yàn)、單向壓縮試驗(yàn)和成形極限試驗(yàn)，研究適合5754-H111鋁合金的成形用材料模型?；谠摬牧夏Ｐ停阅称嚧罅簽閷ο?，對其進(jìn)行沖壓成形仿真分析，并通過沖壓試驗(yàn)，在板料上印制網(wǎng)格，采用光學(xué)應(yīng)變測量系統(tǒng)測量變形后的應(yīng)變，與數(shù)值模擬結(jié)果對比分析，驗(yàn)證模型的可靠性。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為中鋁西南鋁板帶有限公司生產(chǎn)的1.5 mm厚的5754-H111鋁合金汽車板，其化學(xué)成分如表1所列。

表1 5754鋁合金化學(xué)成分

1.2 單向拉伸試驗(yàn)

為了獲取5754鋁合金的力學(xué)性能，與軋向成0°、45°、90°分別切取3個試樣，按照國家標(biāo)準(zhǔn)《GBT 228—2002 金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》和《GBT 5027—2007 金屬材料薄板和薄帶塑性應(yīng)變比(值)的測定》進(jìn)行單向拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)備及設(shè)計(jì)的試樣尺寸如圖1所示，在試樣上分別安裝引伸計(jì)和寬度規(guī)，監(jiān)測材料在拉伸過程中的的長度方向與寬度方向變形，以用于計(jì)算拉伸后的真應(yīng)力?應(yīng)變曲線和值，試驗(yàn)拉伸速度為2 mm/min。

圖1 單向拉伸試驗(yàn)

1.3 單向壓縮試驗(yàn)

為了獲取大變形量下的應(yīng)力?應(yīng)變曲線，按照國家標(biāo)準(zhǔn)《GBT 7314—2005 金屬材料室溫壓縮試驗(yàn)方法》，對5754-H111板材進(jìn)行單向壓縮試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)備為100 kN的萬能試驗(yàn)機(jī)。首先將板材精加工為15 mm×15 mm寬的小片，然后用特定膠水將若干個小片粘接起來，由于膠層非常薄，且試驗(yàn)時有預(yù)壓，因此，可忽略膠層厚度，制備的樣品示意圖如圖2所示[15]。將制備好的試樣進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，記錄相應(yīng)的位移載荷曲線，然后通過計(jì)算獲得壓縮真應(yīng)力?應(yīng)變曲線。

圖2 5754-H111板材的壓縮試驗(yàn)

1.4 成形極限試驗(yàn)

試驗(yàn)設(shè)備采用德國Zwick BUP600成形試驗(yàn)機(jī)，并帶有ARAMIS光學(xué)動態(tài)應(yīng)變測量系統(tǒng)，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《GBT 15825.8—2008 金屬薄板成形性能與試驗(yàn)方法第8部分：成形極限圖(FLD)測定指南》和《GBT 24171.2—2009 金屬材料薄板與薄帶成形極限曲線的測定第2部分：實(shí)驗(yàn)室成形極限曲線的測定》對5754-H111進(jìn)行成形極限試驗(yàn)。為了防止矩形試樣在拉深筋處或凹模孔口處開裂，設(shè)計(jì)的試樣示意圖如圖3所示，試樣的具體尺寸如表2所列。將制備好的試樣噴上黑白相間的散斑，在成形試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行剛性凸模脹形，采用ARAMIS系統(tǒng)記錄試樣變形過程中的應(yīng)變變化，以及破裂前的應(yīng)變狀態(tài)，通過計(jì)算獲得材料的成形極限曲線[12, 16]。

圖3 成形極限試驗(yàn)

表2 成形極限試樣尺寸

2 5754-H111鋁合金材料模型

2.1 硬化模型

單向拉伸試驗(yàn)獲得的材料力學(xué)性能數(shù)據(jù)如表3所列。其中為應(yīng)變硬化指數(shù)，0、45、90代表與軋制方向分別為0°、45°、90°時試樣的塑性應(yīng)變比。拉伸和壓縮應(yīng)力?應(yīng)變曲線如圖4所示。

由圖4可知，壓縮試驗(yàn)?zāi)塬@得較大的變形量，但由于板材壓縮試驗(yàn)制樣比較復(fù)雜，通常采用拉伸試驗(yàn)來獲取材料的真應(yīng)力?應(yīng)變曲線，并采用硬化方程來擬合曲線，求取方程的參數(shù)值。常用的硬化方程有Hollomon方程、Krupknowsky方程和Voce方程[11, 17]，其表達(dá)式如下。

表3 5754鋁合金力學(xué)性能

圖4 5754鋁合金拉伸與壓縮應(yīng)力?應(yīng)變曲線

Hollomon方程：

Krupknowsky方程：

Voce方程：

本文通過拉伸數(shù)據(jù)求解硬化方程的參數(shù)值如表4所列。

表4 硬化方程參數(shù)值

將硬化方程擬合的曲線與拉伸和壓縮真應(yīng)力?應(yīng)變曲線進(jìn)行對比分析如圖5所示，由圖5可知，Voce方程不僅能夠很好地?cái)M合拉伸曲線，而且能夠較好地預(yù)測大變形條件材料的應(yīng)力?應(yīng)變曲線。因此，Voce硬化模型比較適合5754-H111鋁合金板材。

圖5 不同的硬化曲線對比

2.2 屈服準(zhǔn)則

由于鋁板材經(jīng)過軋制后具有明顯的各向異性，BARLAT等[18]提出了Barlat89屈服準(zhǔn)則，該準(zhǔn)則對平面應(yīng)力狀態(tài)下的各向異性材料的沖壓成形模擬效果較好[19]，其表達(dá)式為

式中：、、為材料參數(shù)，可由各向異性系數(shù)0、45、90計(jì)算得到[17?18]，鋁合金為面心立方晶體結(jié)構(gòu)，值為8。

本文選用Barlat89屈服準(zhǔn)則進(jìn)行數(shù)值模擬，將3個方向拉伸試驗(yàn)獲得的值，代入到方程中，通過數(shù)值計(jì)算獲得5754-H111鋁合金的材料系數(shù)如表5所列。

表5 Barlat89 屈服準(zhǔn)則參數(shù)值

2.3 成形極限

設(shè)計(jì)平行段寬度不同的試樣，并在試驗(yàn)過程中對試樣進(jìn)行充分潤滑，以獲取不同應(yīng)變路徑下材料的成形極限。為了便于ARAMIS光學(xué)動態(tài)應(yīng)變測量系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，需要在試樣上噴上黑白相間的散斑，并采用成形試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行剛性凸模試驗(yàn)，變形后的成形極限試樣如圖6所示。本文以ARAMIS測量系統(tǒng)觀測到產(chǎn)生裂紋的前一張照片為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算，在每個試樣上畫3條線，根據(jù)《GBT 24171.2—2009 金屬材料薄板與薄帶成形極限曲線的測定第二部分：實(shí)驗(yàn)室成形極限曲線的測定》所述的計(jì)算方法，由ARAMIS測量系統(tǒng)自動計(jì)算，每一個試樣可獲得3個極限主次應(yīng)變數(shù)據(jù)，并根據(jù)極限應(yīng)變散點(diǎn)在成形極限圖中的分布特征，連成適當(dāng)?shù)那€，如圖7所示，由此獲得的5754-H111鋁合金的成形極限曲線。

圖6 變形后的成形極限試樣

圖7 5754鋁合金的成形極限圖

3 汽車大梁的沖壓數(shù)值模擬與驗(yàn)證

以某汽車大梁為研究對象，對其進(jìn)行沖壓數(shù)值模擬分析，然后通過沖壓試驗(yàn)，在板料上印制網(wǎng)格，測量變形區(qū)域的應(yīng)變，將試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析，驗(yàn)證5754-H111鋁合金材料模型和數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性。

采用Pamstamp軟件建立的大梁沖壓數(shù)值模型如圖8所示。

在壓邊力為200 kN，摩擦因數(shù)為0.12 的情況下，數(shù)值模擬計(jì)算后的厚度分布、主應(yīng)變分布、次應(yīng)變分布、成形性能分布如圖9所示。

圖8 鋁合金大梁沖壓數(shù)值模型

圖9 鋁合金大梁沖壓數(shù)值模擬結(jié)果

在大梁的、、、區(qū)域印制網(wǎng)格，具體位置如圖10所示，然后進(jìn)行沖壓試驗(yàn)，沖壓后測量獲得的應(yīng)變數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬應(yīng)變數(shù)據(jù)對比結(jié)果如圖11所示，由圖11可知，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較接近。

通過網(wǎng)格應(yīng)變測量系統(tǒng)，可以獲得大梁各區(qū)域的主應(yīng)變和次應(yīng)變，并在成形極限圖上直觀表示，能更全面的反映數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的差別。而且，由主應(yīng)變和次應(yīng)變數(shù)據(jù)，通過一定的數(shù)學(xué)計(jì)算轉(zhuǎn)換為減薄率，轉(zhuǎn)換表達(dá)式(7)所示。

圖10 大梁沖壓樣件與網(wǎng)格測試區(qū)域

圖11 模擬與試驗(yàn)應(yīng)變數(shù)據(jù)對比

通過數(shù)學(xué)計(jì)算，得到大梁各區(qū)域的最大減薄率如表6所列。由表6可知，各區(qū)域的最大減薄率誤差在±10%以內(nèi)，進(jìn)一步證明本文建立的5754-H111鋁合金材料模型和大梁沖壓數(shù)值模型是可靠的。

表6 鋁合金大梁不同區(qū)域最大減薄率

4 結(jié)論

1) 通過單向拉伸和單向壓縮試驗(yàn)，獲得了5754-H111鋁合金的硬化曲線，并采用Hollomon方程、Krupknowsky方程和Voce方程進(jìn)行擬合，結(jié)果表明Voce方程擬合效果較好。

2) 通過0°、45°、90°三個方向拉伸試驗(yàn)獲得的值，求解得到了5754-H111鋁合金B(yǎng)arlat89屈服準(zhǔn)則的材料參數(shù)分別為=1.1173、=0.9823、=1、=8。

3) 通過設(shè)計(jì)不同寬度的試樣，獲得了不同應(yīng)變路徑下5754-H111鋁合金的成形極限曲線，該曲線可以用于判斷鋁合金零件的開裂區(qū)、風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。

4) 通過對大梁進(jìn)行沖壓數(shù)值模擬和實(shí)際沖制，并采用光學(xué)應(yīng)變測量系統(tǒng)，對大梁特定區(qū)域變形后的應(yīng)變進(jìn)行測量，并與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果表明，建立的5754-H111鋁合金材料模型和沖壓數(shù)值模型是可靠的。

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Investigation and application on material model in sheet forming of 5754 aluminum alloy

FU Lei, LI Li, HUANG Ming-dong, LIU Zhen-shan, LIU Cheng

(CHINALCO Materials and Application Research Institute, Beijing 102209, China)

An accurate material model is the basis for numerical simulation of stamping. By means of tensile tests in three directions, uniaxial compression tests and forming limit tests, the material property data of 5754 aluminum alloy is obtained. Based on the Voce hardening model, Barlat89 yield criterion and forming limit curves, the material model of 5754 aluminum alloy for stamping was established. With the Pamstamp-2G software, the stamping operation of automobile girders of 5754 aluminum alloy was simulated, which was compared with the actual stamping operation. The results show that the plastic strain calculated by the simulation is close to the experimental measurement one, the maximum thinning rate error is within ±10%, which verifies the reliability of numerical simulation.

5754 aluminum alloy; hardening model; yield criterion; forming limit; numerical simulation

Project(2017MXJH06) supported by Chinalco Star Program Fund; Project(Z171100002317027) supported by Beijing Municipal Science and Technology Project, China

2018-12-07;

2019-09-02

FU Lei; Tel: +86-10-66600123; E-mail: fulei41@163.com

1004-0609(2020)-01-0018-08

TG386

A

10.11817/j.ysxb.1004.0609.2020-37474

中鋁明星計(jì)劃基金項(xiàng)目(2017MXJH06)；北京市科委基金資助項(xiàng)目(Z171100002317027)

2018-12-07；

2019-09-02

傅 壘，工程師，博士；電話：010-66600123；E-mail：fulei41@163.com

(編輯 王 超)