冲压速度对铝合金5182-O拉深性能的影响

2016-09-27居龙毛婷婷李洪波张杰

中南大学学报（自然科学版） 2016年8期

居龙，毛婷婷，李洪波，张杰

居龙1, 2，毛婷婷2，李洪波1，张杰1

(1. 北京科技大学机械工程学院，北京 100083；2. 美国俄亥俄州立大学精密成形中心，哥伦布，43210)

成形速度不仅关系到生产效率，且对成形质量具有重要的影响。伺服驱动压力机可实现滑块任意运动模式调节与控制，为多样化冲压过程提供可能性。采用传统机械式和恒速成形式2种滑块运动模式，基于Pamstamp有限元仿真确定了板料尺寸、压边力和拉深深度，利用伺服压力机对汽车通用铝合金材料5182-O进行常温下不同速度下的拉深试验。试验结果表明：随着冲压速度增加，拉深件关键圆角区域颈缩及破裂趋势减小，并且冲压力相比于低速成形时减小量可达8.9%。从材料力学属性及润滑状态2个方面进行进一步的分析与讨论，结合有限元计算，对比分析不同冲压速度下所选截面处板料相对于模具的滑动速度，指出局部区域润滑状态的动态变化成为冲压速度影响拉深成形质量的关键因素。

铝合金；拉深试验；成形速度；拉深性能

随着能源、环境以及安全问题的日益严峻，汽车轻量化设计成为了现代汽车工业发展的主流趋势。与传统钢板相比，铝合金的强度和钢板的相近，且密度只有钢板的1/3，并且具有良好的力学性能、抗腐蚀性和抗冲击性等特性[1]。因此在轻质合金中，铝合金是目前在汽车制造中用量最多、发展最快的材料，具有广阔的研究前景。5000系(Al-Mg)铝合金具有固溶强化特点，在强度、成形性、抗腐蚀性及焊接性能等方面已与常用钢板接近，主要用于汽车内板等形状复杂不注重外观质量的部位[2−3]。其他汽车覆盖件如车盖、后备箱盖及空气过滤器等零件的成形对板料延展性要求较高，因此，研究5000系铝合金板料的拉深性能对其在汽车覆盖件上的应用具有重要的意义。国内外对汽车用5000铝合金材料的成形性能及工艺技术研究成果较多。利用单向拉伸、液压胀形和十字双向拉伸等实验，可获得材料在不同加载路径下的力学参数[4]。通过实验与数值模拟相结合，能够建立铝合金板材料力学参数与其在冲压过程中零件的破裂、起皱、回弹等缺陷的相关性，有助于模具的设计和冲压工艺参数的优化[5]。温成形和变压边力等新型成形工艺的出现，加快了铝合金在汽车工业上的应用。在升温条件下，铝合金5083，5754和5182等材料的力学性能随温度和变形速率而变化，通过对温度及冲压速度的合理匹配，可很大程度地提高铝合金材料的成形性能[6−8]。随着冲压设备及控制系统的不断发展，变压边力控制技术可有效地提高冲压件的成形性能及质量，包括了压边力随时间、位置等变量的变化，以及根据零件局部成形质量(减薄率和起皱高度)自适应调整冲压过程中所施加的压边力，以提高冲压件的成形性能[9−11]。拉深成形是板料冲压加工中最常见的工艺之一，影响铝合金的拉深性能及零件质量的主要因素有材料力学性能、模具设计、界面接触及润滑状态以及压边力和冲压速度等[12]。其中，冲压成形速度不仅关系到实际生产效率，而且对金属材料拉深成形性能具有重要影响，而冲压速度曲线的多样化设计对冲压设备的调控性能要求较高。在国内外冲压设备的设计与研究中，采用伺服电机驱动技术已逐渐成为一个重要发展方向，伺服驱动压力机可根据不同工艺要求，实现压力机滑块的任意运动特性，克服了传统曲柄压力机运动特性不可调节的缺点。滑块运动特性设计有助于提高设备工作效率及工作性能，并且能够实现零件成形性能的提高[13−14]。在冲压过程中特殊设计的压力机滑块运动，如脉冲式或阶梯式，能够有效地提高拉深成形零件的极限拉深比，并抑制零件边部及壁部起皱[14−15]。但受到实际生产及设备应用的限制，该类复杂运动特性很难得到广泛应用。通过对铝合金门板进行不同速度冲压实验发现，拉深深度不仅受到成形速度的影响，且与成形速度变化率有密切的关系[16]。国内学者主要针对汽车用钢进行了不同成形速度下的板料拉深性能研究。通过对比研究传统曲柄压力机和伺服压力机的工作特性，认为合理的压力机运动模式可增加拉深深度，并提高拉深产品的质量，但对于成形速度如何影响拉深性能并没有进行深入分析[17−18]。因此，对于常温下成形速度对铝合金板料拉深成形性能的影响，国内研究依然较少。5182-O铝合金在汽车车身轻量化材料设计中体现出了良好的研究前景，该材料拉伸强度高，并且具有一定的成形性能。因此，本文作者利用伺服驱动压力机对铝合金5182-O进行了常温下的拉深试验，通过调节伺服压力机滑块的运动，对比分析了常规机械曲柄滑块式运动及恒速运动下，冲压速度对拉深成形性能的影响。并从材料力学性能及摩擦与润滑的角度对试验结果进行了深入讨论，分析了成形速度对拉深性能的影响机理，对于提高常温下铝合金拉深性能与产品质量具有一定指导意义。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料的拉伸试验及性能参数

为获得5182-O材料的基本力学参数，根据JIS(Japanese Industrial Standards)拉伸试验标准对厚度为1.2 mm的铝合金5182-O试样进行拉伸试验，获取了该材料在常温下的力学性能，具体参数如表1所示。