劉翊安，龐國星，孫歡迎，吳 偉，魏志輝

(北華航天工業(yè)學(xué)院，河北 廊坊 065000)

0 引言

隨著汽車輕量化進(jìn)程的推進(jìn)，新能源汽車也在大量采用輕量化技術(shù)［1-4］。鋁合金具有低密度、高比強(qiáng)度、良好的成形性能及工藝性能、可回收率高、成本低等特點(diǎn)。這決定了鋁合金材料成為新能源汽車輕量化的理想材料之一。航空航天常用鋁合金具有民用常用鋁合金無法比擬的優(yōu)良性能［5］，隨著對汽車性能要求不斷提高，航空航天常用鋁合金在新能源汽車中的應(yīng)用比例逐漸提高［6］。7278鋁合金是航空航天用超硬鋁材，其板料應(yīng)用于新能源汽車零部件將極大提升汽車的性能，但其成形性能較差。本文利用DEFORM-3D數(shù)值模擬軟件，對7278鋁合金薄板的拉深性能進(jìn)行了研究。

1 7278鋁合金沖壓成形合理溫度研究

拉深是沖壓成形的主要工藝之一。拉深工藝可以極大地反映材料的沖壓成形性能。提升金屬塑性成形性能的一種有效方式是提升其塑性變形溫度［7-11］。利用DEFORM-3D 數(shù)值模擬軟件對不同溫度下的7278 鋁合金成形狀態(tài)進(jìn)行拉深成形數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 7278鋁合金不同溫度下拉深實(shí)驗(yàn)圖

圖1 為7278 鋁合金不同溫度下拉深實(shí)驗(yàn)圖。設(shè)定模具溫度為200℃，固定壓邊圈溫度為200℃，坯料厚度為1.6mm。根據(jù)坯料塑性變形體積不變的原理，參照其理論極限拉深深度，數(shù)值模擬試驗(yàn)設(shè)定拉深步數(shù)為165 步。從圖中可看出，在拉深的過程中，坯料初始溫度為330℃、335℃、340℃、345℃、350℃、360℃、365℃、370℃、380℃、390℃時(shí)，模擬未達(dá)到165 步時(shí)即已出現(xiàn)坯料表面發(fā)生裂紋、孔洞等現(xiàn)象，即坯料失穩(wěn)；坯料初始溫度為355℃時(shí)，變形結(jié)束后坯料未發(fā)生失穩(wěn)。7278 鋁合金為高強(qiáng)鋁合金，冷態(tài)下塑性成形能力較差。合理提高溫度可提高金屬的塑性成形能力［12］。在較低的溫度下金屬內(nèi)部原子活躍度較低，經(jīng)加工后位錯密度顯著提高，隨著變形的深入加工硬化等降低金屬塑性的現(xiàn)象越來越嚴(yán)重，由于塑性變形產(chǎn)生的溫度效應(yīng)等因素對金屬塑性的提高相對較弱，隨著變形的深入金屬的塑性處于降低趨勢，變形過程中容易出現(xiàn)提早失效現(xiàn)象。在變形溫度較高時(shí)，金屬的塑性變形產(chǎn)生的溫度效應(yīng)等因素對塑性的提升大于加工硬化等機(jī)理對金屬塑性的降低，因此隨變形的深入金屬處于塑性提升的趨勢。當(dāng)溫度過高時(shí)，變形熱效應(yīng)提升的溫度將導(dǎo)致金屬實(shí)際變形溫度過高出現(xiàn)晶界性能迅速降低的現(xiàn)象，金屬的塑性、強(qiáng)度等指標(biāo)均急劇降低，導(dǎo)致拉深過程中坯料過早失效。綜上所述，7278鋁合金在此工藝下的合理溫度為355℃。

2 不同板厚的7278鋁合金成形性能確定

在確定了合理成形溫度之后，對不同板厚的7278 鋁合金成形性能進(jìn)行確定。汽車用鋁合金板料都為薄板，因此對厚度為1.2mm、1.6mm、2.0mm、2.5mm、3.0mm的板料進(jìn)行數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 合理溫度下不同板厚7278鋁合金的拉深實(shí)驗(yàn)圖

從圖2 中可以看出，1.2mm、2.5mm、3.0mm 板厚的7278 鋁合金在還未達(dá)到理論極限拉深深度時(shí)已出現(xiàn)裂紋，1.6mm、2.0mm厚度的7278鋁合金變形結(jié)束后依然未發(fā)生失效。1.2mm 厚度的試件在第74步的時(shí)候坯料出現(xiàn)裂紋，2.5mm 厚度的試件在第43步的時(shí)候坯料出現(xiàn)裂紋，3.0mm的試件在第54步的時(shí)候坯料出現(xiàn)裂紋。

板料較薄時(shí)總變形抗力較小，抗拉能力較差，在軸向力作用下隨著拉深的不斷深入，底部應(yīng)力集中處過早的達(dá)到了抗拉極限，出現(xiàn)失效。拉深過程中坯料底部圓角處所受應(yīng)力為兩向拉伸、一向壓縮，即，徑向、切向?yàn)槔瓚?yīng)力，厚度方向?yàn)閴簯?yīng)力，此處減薄最為嚴(yán)重。拉深過程中凸緣部分受到徑向拉應(yīng)力、切向壓應(yīng)力作用，導(dǎo)致凸緣部分在厚度方向增大。坯料厚度越大，隨拉深地不斷深入，凸緣部分增大現(xiàn)象越來越嚴(yán)重。實(shí)驗(yàn)過程中采用了固定壓邊圈，導(dǎo)致壓邊圈與坯料摩擦力驟增，嚴(yán)重影響坯料拉深性能，導(dǎo)致坯料在拉深過程中過早失效。

圖3 合理溫度下不同板厚7278鋁合金的理論極限拉深實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

1.6mm、2.0mm 厚度的試件拉深結(jié)束后的狀態(tài)如圖3所示。從圖3中可以看出，1.6mm厚度的試件在經(jīng)過充分拉深后材料變形較均勻，“凸耳”現(xiàn)象不明顯；2.0mm 厚度的試件在經(jīng)過充分拉深后材料變形均勻度相對較差，發(fā)生了明顯的“凸耳”。拉深過程中出現(xiàn)“凸耳”現(xiàn)象是由于軋制的板料具有板織構(gòu)。金屬板料中各個(gè)晶粒的某一個(gè)晶向趨向于與軋制方向平行，而某一個(gè)晶面趨向于與軋制平面平行，造成金屬具有各向異性。2.0mm厚度的試件“凸耳”現(xiàn)象較明顯表明其板料各向異性較明顯。拉深過程中凸緣平面部分金屬受到兩向壓應(yīng)力、一向拉應(yīng)力，即，厚度方向壓應(yīng)力、切向壓應(yīng)力、徑向拉應(yīng)力。由于板料具有各向異性，在三向應(yīng)力共同作用下，不同方向的金屬流動性不同，在切向壓應(yīng)力及徑向拉應(yīng)力作用下，容易變形部分流動性較好形成凸耳。相對于厚板金屬，薄板金屬摩擦力與變形抗力的比值較大，摩擦力部分限制了金屬的不均勻流動性。因此，相較于2.0mm 厚度試件，1.6mm 厚度試件凸耳形成不明顯。

3 結(jié)論

（1）7278 鋁合金板料在355℃下進(jìn)行拉深實(shí)驗(yàn)可以獲得較大的塑性變形量，其合理拉深溫度為355℃。

（2）不同板厚的7278鋁合金在合理拉深溫度下性能不同，1.2mm、2.5mm、3.0mm厚度的試件在拉深過程中過早的達(dá)到抗拉極限而失效，性能較差；1.6mm、2.0mm厚度的試件在拉深結(jié)束后仍然有效，性能較好。

（3）1.6mm 厚度的試件拉深時(shí)因摩擦力對金屬流動的限制作用較強(qiáng)，板料金屬流動較均勻，“凸耳”現(xiàn)象不明顯；2.0mm 厚度的試件拉深時(shí)，因摩擦力對金屬流動的限制作用較弱，織構(gòu)導(dǎo)致板料金屬不均勻流動較易，“凸耳”現(xiàn)象明顯。