5182鋁板沖壓回彈預(yù)測(cè)及控制研究*

楊剛 傅涵

臺(tái)州科技職業(yè)學(xué)院 浙江 臺(tái)州 318020

引言

伴隨著汽車產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，節(jié)能減排的要求不斷提升，輕量化已成汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一大方向[1]。鋁合金具備密度小、抗沖擊性能好、比強(qiáng)度大等一系列優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于車身構(gòu)件中[2-4]。

回彈是車身沖壓件成形過(guò)程中的三大缺陷之一，它是模具卸載后由于殘余應(yīng)力引起的應(yīng)變回復(fù)現(xiàn)象，且難以避免，它使沖壓件的形狀及尺寸與沖壓模具工作型面的形狀和尺寸不符[5]。要使沖壓件的形狀和尺寸達(dá)到設(shè)計(jì)要求，在模具工作型面設(shè)計(jì)時(shí)必須給出一定的偏離，這個(gè)偏離取決于回彈量的大小及分布情況。精確地計(jì)算出回彈量的大小及分布情況成為沖壓模具設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

目前，有限元軟件已廣泛應(yīng)用于模具設(shè)計(jì)，但對(duì)于回彈還缺乏準(zhǔn)確有效的預(yù)測(cè)，其原因是板料成形是一個(gè)復(fù)雜的力學(xué)過(guò)程，它包含幾何、物理、邊界等強(qiáng)非線性問(wèn)題[6]。傳統(tǒng)有限元模擬所用的本構(gòu)模型無(wú)法真實(shí)反映材料在復(fù)雜加載路徑下硬化特性的變化。在沖壓成形過(guò)程中，板料會(huì)經(jīng)歷反向加載和反復(fù)彎曲變形，板料局部產(chǎn)生包申格效應(yīng)（即材料在某個(gè)方向的應(yīng)變硬化使得反方向的屈服強(qiáng)度降低），材料力學(xué)性能發(fā)生改變。開(kāi)模后，沖壓件與模具之間的平衡狀態(tài)被打破，殘余應(yīng)力重新得到平衡，沖壓件局部可能產(chǎn)生塑性變形，只有考慮包申格效應(yīng)才能準(zhǔn)確描述局部材料應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)。研究材料的包申格效應(yīng)不僅可以檢驗(yàn)材料本構(gòu)模型的準(zhǔn)確性和可靠性，還為建立準(zhǔn)確的本構(gòu)模型提供依據(jù)，將包申格效應(yīng)應(yīng)用于材料本構(gòu)模型，對(duì)回彈的研究具有重要意義。

車身鋁覆蓋件主要集中于5XXX、6XXX系鋁板料。目前，5XXX、6XXX系鋁板回彈規(guī)律的研究較少，考慮包申格效應(yīng)的5XXX、6XXX系鋁板回彈規(guī)律的研究更為少見(jiàn)。本研究以5182鋁板為研究對(duì)象，通過(guò)鋁板面內(nèi)扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)，研究5182鋁板的包申格效應(yīng)，為構(gòu)建考慮包申格效應(yīng)的材料本構(gòu)模型，從根本上提高5182鋁板沖壓回彈準(zhǔn)確性奠定基礎(chǔ)。

2 面內(nèi)扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)

采用1.0 mm厚的5182-O態(tài)鋁合金冷軋板，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 5182鋁合金化學(xué)成分(wt)%

如圖1所示為雙橋剪切試樣示意圖[7]，試驗(yàn)過(guò)程中試件內(nèi)圈固定不動(dòng)，外圈旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)中間剪切帶區(qū)域產(chǎn)生塑性變形。相比傳統(tǒng)平移式剪切試樣，雙橋剪切試樣可以避免不必要的反作用力或扭矩，并且可以進(jìn)行循環(huán)載荷試驗(yàn)以研究運(yùn)動(dòng)硬化現(xiàn)象。

圖1 雙橋剪切試樣示意圖

面內(nèi)扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)過(guò)程中需要采集到扭矩值-扭轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)，扭轉(zhuǎn)角可以通過(guò)試樣的理論角速度相乘時(shí)間來(lái)計(jì)算，但是由于夾具的彈性變形和傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)間隙，試樣的實(shí)際角速度和理論速度之間存在差異，尤其是在進(jìn)行反向加載時(shí)。因此，這種計(jì)算角度的理論方法并不可靠，無(wú)法獲得樣本的實(shí)際扭轉(zhuǎn)角度。

在線測(cè)量方法可以測(cè)量到試件表面的位移場(chǎng)變化，測(cè)量示意圖如圖2所示，采用理論角速度計(jì)算的扭轉(zhuǎn)角表示為θth，基于在線測(cè)量方法測(cè)量的扭轉(zhuǎn)角表示為θdic，在試樣散斑圖像中選擇兩條平行線（線1和線2），線1靠近內(nèi)部夾緊區(qū)域，線2靠近外部夾緊區(qū)域，通過(guò)計(jì)算兩條線之間的角度即可得到θdic。

圖2 面內(nèi)扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)扭轉(zhuǎn)角測(cè)量方法示意圖

試樣剪切帶區(qū)域尺寸如圖3所示，已知材料所受扭矩M，剪切帶長(zhǎng)度l0=(α/360).2πrm-2R，剪切帶橫截面積s=l0.t0，5182鋁板各向異性不明顯，故假設(shè)其為各向同性材料，基于von Mises屈服準(zhǔn)則，等效應(yīng)力σ計(jì)算如下：

圖3 剪切帶區(qū)域尺寸圖

等效塑性應(yīng)變值ε通過(guò)在線測(cè)量方法獲得，圖4分析了1.2°，2.4°，3.6°三種扭轉(zhuǎn)角度下剪切帶沿橫向截線的等效塑性應(yīng)變分布，可以看出應(yīng)變分布并不均勻，應(yīng)變值集中在邊緣區(qū)域，中心應(yīng)變值最小，最大應(yīng)變和最小應(yīng)變之間的應(yīng)變差約為0.6~0.7。

圖4 沿剪切帶橫向應(yīng)變分布

3 循環(huán)加載行為研究

面內(nèi)扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)可以進(jìn)行正反向扭轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)板材的循環(huán)加載行為研究。圖5所示為循環(huán)加載試驗(yàn)得到的扭矩值-扭轉(zhuǎn)角曲線。

圖5 循環(huán)加載扭矩值-扭轉(zhuǎn)角曲線

通過(guò)正向計(jì)算得到圖6所示的循環(huán)加載應(yīng)力-應(yīng)變曲線，可以觀察到材料的包申格效應(yīng)，反向扭轉(zhuǎn)時(shí)材料發(fā)生再次屈服的屈服強(qiáng)度小于反向扭轉(zhuǎn)前的屈服強(qiáng)度。

圖6 循環(huán)加載應(yīng)力-應(yīng)變曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了面內(nèi)扭轉(zhuǎn)基本原理，針對(duì)扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)過(guò)程中扭轉(zhuǎn)角度的采集，介紹了基于在線測(cè)量方法的角度采集方法，對(duì)剪切帶應(yīng)變分布不均勻現(xiàn)象進(jìn)行了分析，通過(guò)正向計(jì)算方法初步獲得了5182材料的應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)。

進(jìn)行了循環(huán)加載試驗(yàn)，得到了扭矩值-扭轉(zhuǎn)角曲線，并通過(guò)正向計(jì)算得到了循環(huán)加載應(yīng)力-應(yīng)變曲線，觀察到了鋁板的包申格效應(yīng)。