居龍，毛婷婷，李洪波，張杰

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沖壓速度對鋁合金5182-O拉深性能的影響

居龍1, 2，毛婷婷2，李洪波1，張杰1

(1. 北京科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，北京 100083；2. 美國俄亥俄州立大學(xué) 精密成形中心，哥倫布，43210)

成形速度不僅關(guān)系到生產(chǎn)效率，且對成形質(zhì)量具有重要的影響。伺服驅(qū)動壓力機(jī)可實(shí)現(xiàn)滑塊任意運(yùn)動模式調(diào)節(jié)與控制，為多樣化沖壓過程提供可能性。采用傳統(tǒng)機(jī)械式和恒速成形式2種滑塊運(yùn)動模式，基于Pamstamp有限元仿真確定了板料尺寸、壓邊力和拉深深度，利用伺服壓力機(jī)對汽車通用鋁合金材料5182-O進(jìn)行常溫下不同速度下的拉深試驗。試驗結(jié)果表明：隨著沖壓速度增加，拉深件關(guān)鍵圓角區(qū)域頸縮及破裂趨勢減小，并且沖壓力相比于低速成形時減小量可達(dá)8.9%。從材料力學(xué)屬性及潤滑狀態(tài)2個方面進(jìn)行進(jìn)一步的分析與討論，結(jié)合有限元計算，對比分析不同沖壓速度下所選截面處板料相對于模具的滑動速度，指出局部區(qū)域潤滑狀態(tài)的動態(tài)變化成為沖壓速度影響拉深成形質(zhì)量的關(guān)鍵因素。

鋁合金；拉深試驗；成形速度；拉深性能

隨著能源、環(huán)境以及安全問題的日益嚴(yán)峻，汽車輕量化設(shè)計成為了現(xiàn)代汽車工業(yè)發(fā)展的主流趨勢。與傳統(tǒng)鋼板相比，鋁合金的強(qiáng)度和鋼板的相近，且密度只有鋼板的1/3，并且具有良好的力學(xué)性能、抗腐蝕性和抗沖擊性等特性[1]。因此在輕質(zhì)合金中，鋁合金是目前在汽車制造中用量最多、發(fā)展最快的材料，具有廣闊的研究前景。5000系(Al-Mg)鋁合金具有固溶強(qiáng)化特點(diǎn)，在強(qiáng)度、成形性、抗腐蝕性及焊接性能等方面已與常用鋼板接近，主要用于汽車內(nèi)板等形狀復(fù)雜不注重外觀質(zhì)量的部位[2?3]。其他汽車覆蓋件如車蓋、后備箱蓋及空氣過濾器等零件的成形對板料延展性要求較高，因此，研究5000系鋁合金板料的拉深性能對其在汽車覆蓋件上的應(yīng)用具有重要的意義。國內(nèi)外對汽車用5000鋁合金材料的成形性能及工藝技術(shù)研究成果較多。利用單向拉伸、液壓脹形和十字雙向拉伸等實(shí)驗，可獲得材料在不同加載路徑下的力學(xué)參數(shù)[4]。通過實(shí)驗與數(shù)值模擬相結(jié)合，能夠建立鋁合金板材料力學(xué)參數(shù)與其在沖壓過程中零件的破裂、起皺、回彈等缺陷的相關(guān)性，有助于模具的設(shè)計和沖壓工藝參數(shù)的優(yōu)化[5]。溫成形和變壓邊力等新型成形工藝的出現(xiàn)，加快了鋁合金在汽車工業(yè)上的應(yīng)用。在升溫條件下，鋁合金5083，5754和5182等材料的力學(xué)性能隨溫度和變形速率而變化，通過對溫度及沖壓速度的合理匹配，可很大程度地提高鋁合金材料的成形性能[6?8]。隨著沖壓設(shè)備及控制系統(tǒng)的不斷發(fā)展，變壓邊力控制技術(shù)可有效地提高沖壓件的成形性能及質(zhì)量，包括了壓邊力隨時間、位置等變量的變化，以及根據(jù)零件局部成形質(zhì)量(減薄率和起皺高度)自適應(yīng)調(diào)整沖壓過程中所施加的壓邊力，以提高沖壓件的成形性能[9?11]。拉深成形是板料沖壓加工中最常見的工藝之一，影響鋁合金的拉深性能及零件質(zhì)量的主要因素有材料力學(xué)性能、模具設(shè)計、界面接觸及潤滑狀態(tài)以及壓邊力和沖壓速度等[12]。其中，沖壓成形速度不僅關(guān)系到實(shí)際生產(chǎn)效率，而且對金屬材料拉深成形性能具有重要影響，而沖壓速度曲線的多樣化設(shè)計對沖壓設(shè)備的調(diào)控性能要求較高。在國內(nèi)外沖壓設(shè)備的設(shè)計與研究中，采用伺服電機(jī)驅(qū)動技術(shù)已逐漸成為一個重要發(fā)展方向，伺服驅(qū)動壓力機(jī)可根據(jù)不同工藝要求，實(shí)現(xiàn)壓力機(jī)滑塊的任意運(yùn)動特性，克服了傳統(tǒng)曲柄壓力機(jī)運(yùn)動特性不可調(diào)節(jié)的缺點(diǎn)。滑塊運(yùn)動特性設(shè)計有助于提高設(shè)備工作效率及工作性能，并且能夠?qū)崿F(xiàn)零件成形性能的提高[13?14]。在沖壓過程中特殊設(shè)計的壓力機(jī)滑塊運(yùn)動，如脈沖式或階梯式，能夠有效地提高拉深成形零件的極限拉深比，并抑制零件邊部及壁部起皺[14?15]。但受到實(shí)際生產(chǎn)及設(shè)備應(yīng)用的限制，該類復(fù)雜運(yùn)動特性很難得到廣泛應(yīng)用。通過對鋁合金門板進(jìn)行不同速度沖壓實(shí)驗發(fā)現(xiàn)，拉深深度不僅受到成形速度的影響，且與成形速度變化率有密切的關(guān)系[16]。國內(nèi)學(xué)者主要針對汽車用鋼進(jìn)行了不同成形速度下的板料拉深性能研究。通過對比研究傳統(tǒng)曲柄壓力機(jī)和伺服壓力機(jī)的工作特性，認(rèn)為合理的壓力機(jī)運(yùn)動模式可增加拉深深度，并提高拉深產(chǎn)品的質(zhì)量，但對于成形速度如何影響拉深性能并沒有進(jìn)行深入分析[17?18]。因此，對于常溫下成形速度對鋁合金板料拉深成形性能的影響，國內(nèi)研究依然較少。5182-O鋁合金在汽車車身輕量化材料設(shè)計中體現(xiàn)出了良好的研究前景，該材料拉伸強(qiáng)度高，并且具有一定的成形性能。因此，本文作者利用伺服驅(qū)動壓力機(jī)對鋁合金5182-O進(jìn)行了常溫下的拉深試驗，通過調(diào)節(jié)伺服壓力機(jī)滑塊的運(yùn)動，對比分析了常規(guī)機(jī)械曲柄滑塊式運(yùn)動及恒速運(yùn)動下，沖壓速度對拉深成形性能的影響。并從材料力學(xué)性能及摩擦與潤滑的角度對試驗結(jié)果進(jìn)行了深入討論，分析了成形速度對拉深性能的影響機(jī)理，對于提高常溫下鋁合金拉深性能與產(chǎn)品質(zhì)量具有一定指導(dǎo)意義。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料的拉伸試驗及性能參數(shù)

為獲得5182-O材料的基本力學(xué)參數(shù)，根據(jù)JIS(Japanese Industrial Standards)拉伸試驗標(biāo)準(zhǔn)對厚度為1.2 mm的鋁合金5182-O試樣進(jìn)行拉伸試驗，獲取了該材料在常溫下的力學(xué)性能，具體參數(shù)如表1所示。

表1 AA 5182-O材料拉伸試驗力學(xué)參數(shù)

1.2 拉深試驗?zāi)＞呒捌溥\(yùn)動方式

拉深試驗所用模具如圖1所示。凹模腔內(nèi)具有多處圓角設(shè)計，凹模與凸模圓角分別為20 mm(7)和 10 mm(8)，凹模與凸模間隙為1.6 mm。