模具溫度對鋁合金板拉深性能的影響

摘要：借助商用有限元仿真軟件ABAQUS，采用熱力耦合有限元法對汽車用鋁合金板5083-O的圓筒件溫拉深過程進(jìn)行數(shù)值模擬。在此基礎(chǔ)上，利用試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，分析初始溫度布置對拉深能力的影響，并給出拉深件破裂失效形式。研究結(jié)果表明：凸模底部和凹模法蘭的溫度決定著鋁合金板拉深能力，在凹模法蘭處于較高溫度250℃而凸模底部處于室溫的拉深模式中，臨界凸模行程最大；而拉深件的破裂失效即可能出現(xiàn)在凸模圓角區(qū)附近，也可能出現(xiàn)在凹模圓角區(qū)附近。可見，差溫拉深中溫度布置對發(fā)揮板料成形能力十分重要。
關(guān)鍵詞：鋁合金板；差溫拉深；溫度布置；有限元模擬

1 前 言

隨著汽車工業(yè)的高速發(fā)展及人類環(huán)保意識(shí)的日益增強(qiáng)，對汽車安全性和燃油效率的要求越來越高，使得汽車用板逐步向輕量化材料方向發(fā)展。鋁合金具有比強(qiáng)度高、抗腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，在保證不降低汽車原有的安全性能下，明顯地減輕了汽車自重，達(dá)到了節(jié)能和環(huán)保的目的。但鋁合金板在室溫下塑性較低，常溫拉深性能差，更易發(fā)生開裂和起皺現(xiàn)象，尺寸精度難以控制，無法順利加工出形狀較復(fù)雜的車身覆蓋件。研究表明[1,2]，在溫成形條件下（200～350℃），鋁合金板塑性被大大提高，并且流動(dòng)應(yīng)力被降低。與常溫拉深相比，溫成形條件下，可明顯改善板料的拉深性能，并且成形件回彈量小，零件表面質(zhì)量好。因此，采用溫成形技術(shù)生產(chǎn)鋁合金覆蓋件，可以大大促進(jìn)其在復(fù)雜車身零件上的應(yīng)用。

在溫拉深中，初始溫度場的設(shè)置對成形性能產(chǎn)生著重要的影響。Ayres等人[3]在考慮溫度梯度的基礎(chǔ)上，實(shí)驗(yàn)研究了鋁合金板溫拉深過程，結(jié)果顯示，溫度對于頸縮現(xiàn)象的產(chǎn)生具有重要的作用。Naka等人[2]利用圓筒件拉深試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)研究凹模法蘭溫度對5182-O拉深比的影響，研究發(fā)現(xiàn)，隨著法蘭溫度升高，拉深比增大。Li等人[4]也做了類似的實(shí)驗(yàn)研究，并發(fā)現(xiàn)拉深高度隨著凹模法蘭溫度升高而增大，而隨著凸模溫度的升高而減小。為了提高復(fù)雜形狀零件的可成形性和工藝的魯棒性，很有必要合理確定溫拉深中初始溫度分布。通過有限元模擬和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法確定拉深中初始溫度分布，是一種高效率的方法[5]。

本文采用商用有限元軟件ABAQUS，對汽車用鋁合金板的圓筒件拉深過程進(jìn)行數(shù)值模擬，并通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，探討溫度分布對鋁合金板拉深性能的影響規(guī)律，為差溫拉深中溫度場設(shè)置提供參考。

2 有限元建模

試驗(yàn)為圓筒件拉深試驗(yàn)，模具參數(shù)參見Naka試驗(yàn)[2]。由于對稱性，模具和板料簡化為2D軸對稱模型，如圖1所示。使用的有限元軟件為商用有限元軟件ABAQUS/standard，有限單元模型為熱力耦合四節(jié)點(diǎn)雙線性軸對稱單元CAX4RT，板料厚度方向劃分5層，共劃分360個(gè)單元，且板坯和工具間的熱傳導(dǎo)被包含在熱力耦合有限元分析中，材料密度為2700kg/m3，比熱為920J/kg·K，導(dǎo)熱系數(shù)為121W/m·K，板坯與工具間換熱系數(shù)為1400W/m2·K。模擬中，鋁合金板5083-O為各向同性材料，溫成形條件下的材料參數(shù)采用Naka的試驗(yàn)數(shù)據(jù)[2]，厚度為1mm，屈服準(zhǔn)則為von Mises準(zhǔn)則。模擬中，凸模速度為2.5mm/s，恒定壓邊力為2MPa，板料和工具間的摩擦系數(shù)假設(shè)為0.1。

圖1 模擬中溫度區(qū)劃分

圖2 各因子對拉深性能的影響

（a）在凸模圓角附近破裂 （b）在凹模圓角附近破裂
圖3 失效模式