6061高强度铝合金拉深工艺参数优化

王苏静，邓沛然，宣守强

（上海工程技术大学 材料工程学院，上海 201620）

0 引 言

近年来，材料的轻量化越来越受到多方面的关注[1]，在众多轻量化材料中，铝合金因其低密度、强耐腐蚀性、高比强度、高比刚度、高回收率和良好的碰撞能量吸收而被认为是最有研究价值的轻量化材料[2-4]，现已成为工业生产中研究的重点材料之一[5,6]。不同的拉深工艺参数使铝合金拉深成形质量有所差异，不合理的工艺参数导致铝合金在拉深成形过程中出现起皱、回弹、开裂等缺陷，甚至报废。因此研究铝合金在不同工艺参数条件下的拉深成形性能，对实际生产有重要的意义。

影响铝合金拉深成形质量的因素较多，依据实际生产经验，其温度、压边力、冲压速度[7]在铝合金的拉深成形过程中影响较大。现主要研究不同温度、压边力、冲压速度对6061 铝合金拉深成形的影响程度，以获得最优的工艺参数，并利用H1F-60 冲压成形性能测试系统对最优工艺参数条件下成形的6061铝合金拉深成形质量进行验证。

1 材料及零件模型

1.1 材料参数

试验选择0.8 mm厚的6061铝合金板料，材料的屈 服 强 度 为270～285 MPa，抗 拉 强 度 为300～310 MPa，延伸率为12.5～14.0，其化学成分如表1所示。

1.2 材料模型

根据《GB/T 228-2002拉伸试样国家标准》[8]规定制备试验用试样，采用线切割加工的方式切割试样，试样尺寸如图1所示。

试验方案：设定6 个不同的试验温度，分别为20、50、100、150、250、350 ℃，应变速率为2×10-3s-1，在Gleeble-3800 型热力模拟机上进行试验，以0.48 mm/min的速度进行拉深。首先将拉深试样固定，对加热设备预加热，保温之后再进行试验。在计算机中得到材料的位移-载荷曲线，计算得到真实应力-应变曲线，如图2所示，试验结果得到了在不同温度阶段的力学参数，如表2所示，将得到的参数及真实应力-应变曲线导入仿真软件DynaForm 中，进行模拟仿真。

表2 各温度下铝合金的力学参数

1.3 有限元模型

根据实际的凸、凹模尺寸，利用DynaForm 有限元软件建立模型并进行模拟仿真，针对模拟结果进行相应的成形性分析，通过优化改进成形工艺参数，达到最佳成形效果，为模具设计提供参考[9]。图3 所示为有限元网格划分模型，最大单元尺寸为1.5 mm，最小单元尺寸为0.15 mm，表3 所示为凸、凹模尺 寸。通 过 公 式（1）、（2）、（3）绘 制 成 形 极 限曲线[10,11]。

图2 6061高强度铝合金应力-应变曲线

变形区（工程次应变e2＞0）

拉深区（工程次应变e2＜0）

其中，使e1=FLD0，即成形极限图FLD 的最低点，此时坐标点位于纵轴，e2=0。

其中，n为应变硬化指数；t为板料厚度，mm。

图3 有限元模型

表3 凸、凹模尺寸 mm

模拟过程中，在前处理设置各参数条件，可以得到不同参数条件下的FLD 曲线。根据极限拉深比LDR（limit drawing ratio）值的大小，评价该参数是否为最优的工艺参数组合，分别设置压边力为：5、8、10、15、20 kN；冲压速度分别取额定值20 mm/s 的10%、20%、30%、40%、50%，即2、4、6、8、10 mm/s；温度设置为：20、200、300、350、400 ℃。

其中，Dmax表示极限拉深直径，mm；d 表示凸模直径，mm。

2 正交试验设计

2.1 指标确定

通过模拟结果可以发现，在一定参数条件下，随着坯料直径的增加，成形件从小直径坯料成形到大直径坯料会出现开裂，开裂的区域主要在凹模圆角处，如图4所示，将不发生开裂的最大直径与凸模的比值作为极限拉深比，即LDR 值[12]作为试验优化的指标。

图4 开裂区域

2.2 正交试验方案与结果

通过正交试验对铝合金成形的影响因素进行分析，可降低试验次数及成本，并能快速得到最优工艺参数组合[13]。正交试验表设定3 个试验因素，即试验温度、压边力和冲压速度，并将每个因素的水平逐次列举。试验的设定主要是研究不同试验温度对冲压成形的影响程度，其次是为了探讨压边力和冲压速度对冲压成形的影响。根据正交表可对冲压成形进行多因素分析，并通过数学运算分析各因素的显著性[14,15]。表4所示为3个试验因素及其对应水平。

根据所列的正交表，试验采用的是3 因素5 水平，对应选择为L25(56)正交表，由于已经设定了试验温度、压边力和冲压速度，不再设定其他因素，正交表中会有2列空白，试验中不起作用，但可用于其他分析，如表5所示。

表4 试验因素与水平设置

表5 正交表试验和不同因素的试验结果

2.3 极差与方差分析

2.3.1 极差分析

极差分析中R值的水平代表整个正交试验的变化趋势，不同工艺条件的改变都会对R值产生影响，因此在极差分析表中，不同的工艺条件代表不同的试验结果，每一列的值都不同，R 值可以反映工艺参数对试验结果的影响程度，一般极差越大影响就越大[16]。

依据R值的大小，可以判断影响因素的主次，从表6 可以看出，拉深时A、B、C 三个因素极差均为有效影响因素。此外根据3 个影响因素R 值的大小，可以得到冲压试验中各因素的不同影响程度[17]，根据其影响性可进行排序：A＞B＞C，相应的影响性大小为：温度、压边力、冲压速度。根据各因素水平的最大值K，得到最优的拉深试验方案为A5B2C2，即在400 ℃的成形试验温度、8 kN 的压边力和4 mm/s 的冲压速度，此时6061铝合金的拉深性能达到最佳。

表6 LDR值极差分析

2.3.2 方差分析

方差分析解决了极差分析不能进行显著性测量的缺陷[18]，可以根据各参数的试验数据进行定量分析，得出各工艺水平的显著性结果。为了试验结果更加精确，采用方差分析，方差分析如表7所示。

表7 方差分析

从表7 的计算结果可以看出，在方差分析过程中，试验温度、压边力和冲压速度对极限拉深比LDR 值的影响大小分别是：56%、33%、11%，所以试验温度对冲压结果的影响最显著，大于压边力和冲压速度，根据影响程度有：试验温度＞压边力＞冲压速度。

3 试验验证

由数值模拟及正交试验分析可知，最优的成形工艺参数为400 ℃的试验温度、8 kN 的压边力和4 mm/s 的冲压速度。将上述工艺参数应用到实际的拉深试验中进行验证，试验设备如图5所示，该拉深机床利用滑块速度5段可调的KOMATSU H1F-60型伺服压力机，根据试验要求可对拉深速度、压边力等进行调节，可实现0.2～4.0 mm 厚金属板料的拉深成形试验[19]。该设备还配有热成形系统，利用高频电磁加热原理对金属板料在模内加热。图6所示的拉深凸模直径为φ26.24 mm，凹模直径为φ28 mm，系统正向安装，且安装反顶缸装置，配备液电联控系统，实现对加热温度的控制[20]。

图5 HIF-60伺服压力机

图6 热成形模结构

为保证试验结果的严谨性，重复进行6 次拉深试验，在最优工艺参数条件下的拉深成形件如图7所示，拉深数值模拟结果如图8 所示。由图7 和图8可以看出，在最优成形工艺参数条件下的6061高强度铝合金薄板拉深件表面光滑、无起皱、开裂等缺陷，成形效果良好，与数值模拟结果吻合，表明优化设计工艺参数的可靠性，对于实际生产有一定的指导意义。

图7 实际拉深成形件

图8 实际拉深数值模拟结果

4 结束语

（1）对6061高强度铝合金进行单向拉深试验获得了材料的真实应力-应变曲线及在不同温度阶段的力学性能，将材料参数以及曲线导入到DynaForm中进行仿真模拟，降低了试验次数及成本。

（2）通过正交试验的极差与方差分析，得出试验温度、压边力和冲压速度对极限拉深比LDR 值的影响程度分别为：56%、33%、11%。最优的工艺参数条件为：400 ℃的成形试验温度、8 kN的压边力和4 mm/s的冲压速度。

（3）正交试验得到的最优成形工艺参数的拉深成形件与仿真模拟结果一致，验证了优化后工艺参数的准确性。