武晉

天津中德職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系，天津 300191

6061鋁合金沖壓成形性能試驗(yàn)研究

武晉

天津中德職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系，天津 300191

利用電子萬能試驗(yàn)機(jī)、掃描電鏡等手段,對6061鋁合金板材的拉伸性能進(jìn)行了研究，并與6010鋁合金的各項(xiàng)力學(xué)性能參數(shù)進(jìn)行了比較；利用拉伸試驗(yàn)所測的力學(xué)性能參數(shù)，用板料成形有限元分析軟件--Dynaform對6061鋁合金的杯突過程進(jìn)行仿真，并與真實(shí)的杯突試驗(yàn)進(jìn)行了比較，分析了6061鋁合金薄板的沖壓成形性能。結(jié)果表明：6061鋁合金的屈服強(qiáng)度σs和極限強(qiáng)度σb 與6010鋁合金有一定的差距，但是均勻延伸率δ與6010鋁合金相當(dāng)；仿真所得的杯突值IE與實(shí)際的相近。因此6061鋁合金具有較好的成形性能，能代替6010鋁合金板材應(yīng)用于汽車的一些領(lǐng)域。

汽車輕量化; 6061鋁合金; 成形性能; 杯突試驗(yàn)

引言

汽車工業(yè)的發(fā)展面臨著能源，環(huán)保和安全這三大課題越來越嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。因此，減輕汽車自重以降低能耗成為各大汽車廠關(guān)注的焦點(diǎn)。而減輕汽車自重的關(guān)鍵是使用輕質(zhì)材料。其中鋁及其合金由于具有資源豐富，質(zhì)量輕，彈性好，比強(qiáng)度和比剛度高，抗沖擊性能好，良好的加工成形性等一系列優(yōu)良特性，成為汽車輕量化最理想的材料。

6061 鋁合金屬于Al-Mg-Si-Cu系，是一種典型的可變形熱處理鋁合金，具有良好的加工，焊接性能、抗蝕性，中等強(qiáng)度和良好的塑性，在熱態(tài)和冷態(tài)都易于加工成型， 因而具有很好的綜合性能。常用于制造中等載荷零件、形狀復(fù)雜鍛件，在航空、船舶和汽車等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用[1]。本文通過力學(xué)性能試驗(yàn)、杯突試驗(yàn)和計算機(jī)仿真技術(shù)研究了6061鋁合金的成形性能，得出了影響成形的基本參數(shù)；并對比分析了6061鋁合金與6010鋁合金板材在成形性能的差異，為鋁合金在汽車領(lǐng)域的開發(fā)與應(yīng)用提供一定的指導(dǎo)。

1.試驗(yàn)方法

用6061鋁合金1.0mm厚冷軋板作為實(shí)驗(yàn)材料。按GB /T 16865—1997沿板材軋制方向制取拉伸試樣,在室溫條件下，單向拉伸試驗(yàn)按照GB /T 228—1987在WDW-100型微機(jī)控制電子式萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行；應(yīng)變硬化指數(shù)n的測定方法按照GB5028進(jìn)行；使用JSM-6700F型場發(fā)射掃描電鏡（日本電子）對拉伸試樣的斷口形貌進(jìn)行觀察；使用GBS-60型數(shù)顯半自動杯突實(shí)驗(yàn)機(jī)對6061鋁合金板進(jìn)行杯突試驗(yàn)，具體樣品尺寸、模具規(guī)格、試驗(yàn)條件、數(shù)據(jù)處理等均分別按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB415-84規(guī)定要求進(jìn)行。

2.結(jié)果分析與討論

2.1 常溫力學(xué)性能試驗(yàn)

薄板的單向拉伸試驗(yàn)是獲得研究板料機(jī)械性能數(shù)據(jù)的最基本、也是最重要的試驗(yàn)方法。一般，σ0.2小的材料容易屈服，即材料在較小的應(yīng)力下就容易流動，成形后回彈小，貼模性和定形性較好；σb愈大，沖壓成形時零件危險斷面的承載能力愈高，其變形程度愈大。在材料與成形性能有關(guān)的其他性能大致相同時，σb大的材料，其綜合成形性能好。而材料的屈強(qiáng)比σ0.2/σb則反映了材料從發(fā)生塑性變形到斷裂時的變形能力。屈強(qiáng)比σ0.2/ σb的值越小，板材由屈服到破裂的塑性變形階段長，抗破裂性好；δgt表示板料產(chǎn)生均勻的或稱穩(wěn)定的塑性變形的能力，它直接決定板材在伸長類變形中的沖壓性能。δgt值越大，材料塑性變形的能力也越好。試驗(yàn)得到的6061鋁合金的工程應(yīng)力——應(yīng)變曲線如圖1所示。

圖1 6061的室溫工程應(yīng)力一應(yīng)變曲線

應(yīng)變硬化指數(shù)n表示在塑性變形中材料硬化的程度，它在成形中的作用是：當(dāng)板材某點(diǎn)應(yīng)力較其鄰近部分大時，其較大的應(yīng)變由于應(yīng)變強(qiáng)化，增加了抵抗進(jìn)一步變形的能力，故有將變形轉(zhuǎn)移到鄰近部分的作用，延緩了該點(diǎn)縮頸的出現(xiàn)，使較大的板面有更為均勻的應(yīng)變。以拉為主的零件成形時，n值小的材料，由于變形不均勻，變形大的部位又不能迅速硬化，易于產(chǎn)生裂紋；n值大的材料則相反，促使各部位變形趨于均勻，還可改善脹形成形極限。以壓為主的零件成形時，n值大的材料，應(yīng)變均化能力強(qiáng)，危險斷面的承載能力高[3]。

應(yīng)變硬化指數(shù)n值是影響板料的變形力及其成形極限的一個重要性能指標(biāo)，這也是本次試驗(yàn)研究的主要內(nèi)容之一。根據(jù)國標(biāo)GB5028—85的規(guī)定，其計算過程如下：

式中 S—真實(shí)應(yīng)力，S=σ(1+ξi); σ為名義應(yīng)力

E—真實(shí)應(yīng)變，E=ln(1+ξi)； ξ為相對延伸率

K-強(qiáng)度系數(shù)

對式（1）兩邊取對數(shù)，得：l o g(S)=log(K)+n×log(E)

根據(jù)國標(biāo)GB5028—85的規(guī)定，可按下式采用線性回歸方法計算n值

式中 Xi=logEi；Yi=logSi；N-參加回歸計算的真實(shí)應(yīng)力和應(yīng)變的個數(shù)

6061和6010 鋁合金板材的力學(xué)性能數(shù)據(jù)見表1。試驗(yàn)結(jié)果表明，6061鋁合金的屈服強(qiáng)度比6010高出近50MPa；抗拉強(qiáng)度比6010低出86MPa；但是6061的均勻伸長率和斷后伸長率均接近于6010鋁合金，且n值比6010高。通過這些性能指標(biāo)可以定性地分析與評估6061鋁合金板的成形性能。在單向拉伸試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)6061鋁合金具有以下特點(diǎn)：(1)沒有明顯的細(xì)頸現(xiàn)象，對應(yīng)力集中敏感，一旦出現(xiàn)裂紋，裂紋即迅速擴(kuò)展、斷裂；(2)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時，會在負(fù)荷一位移曲線上產(chǎn)生負(fù)荷波動(鋸齒形)。鋸齒形是通過溶質(zhì)原子和位錯之間相互作用產(chǎn)生的[4]。

表1 6061和6010鋁合金的拉伸性能參數(shù)

2.2 掃描斷口形貌分析

鋁合金的拉伸斷裂形式一般分為三種，即滑移常開裂、沿晶開裂和韌窩型開裂。滑移常開裂多發(fā)生于高純鋁合金；工業(yè)鋁合金由于含有一定量的夾雜相和彌散相，一般發(fā)生韌窩型開裂；沿晶開裂則取決于合金的成分和時效狀態(tài)。鋁合金中加入Mn或Cr等彌散相形成元素，合金組織中引入一定體積分?jǐn)?shù)的彌散相，則使合金的沿晶開裂傾向顯著降低[5]。6061鋁合金拉伸試樣斷口形貌的掃描電鏡圖如圖2所示，斷口形貌分析表明， 6061鋁合金斷口屬于混合型斷口,表面存在大量韌窩，只有少量的沿晶開裂。斷口表面的韌窩呈現(xiàn)出一定的方向性，為撕裂韌窩，體現(xiàn)出良好的韌性斷裂特征，說明其具有良好的塑性。

圖2 6061鋁合金單向拉伸試樣斷口形貌

2.3 杯突試驗(yàn)

杯突試驗(yàn)是評價材料脹形性能的模擬試驗(yàn)。在試驗(yàn)過程中壓邊力始終恒定為10kN。在杯突試驗(yàn)中，杯突值IE越大，材料的脹形性能越好。通過試驗(yàn)得到6061鋁合金的IE值為8.12,低于6010-T4鋁合金的IE值9.10[2]。說明6061鋁合金脹形成形性能比6010-T4稍差一些。

3 杯突試驗(yàn)的模擬

根據(jù)杯突試驗(yàn)國家標(biāo)準(zhǔn)GB415-84中的模具規(guī)格、樣品尺寸和試驗(yàn)條件，利用U G軟件獲得曲面模型。該模型中凸模、凹模和壓邊圈和坯料的有限元網(wǎng)格是用有限元分析軟件的自動生成網(wǎng)格命令生成的。在有限元分析軟件中定義凸模、凹模和壓邊圈等沖壓工具以及毛坯，并調(diào)整它們間的相對位置；定義拉延和接觸類型、摩擦系數(shù)、沖壓速度和壓邊力等工藝參數(shù)；給毛坯賦予材料和特性數(shù)據(jù)。模擬過程中使用的是6061鋁合金板材，厚度為1.0mm。模擬過程中的工藝參數(shù)：彈性模量E為75GPa，泊松比?為0.3135[6]。模擬中涉及的其他材料性能參數(shù)見表1。

有限元分析計算過程結(jié)束后，根據(jù)成形極限圖，選擇最先可以直觀地看到紅色破裂區(qū)域的一幀。圖3-1，3-2所示為6061鋁合金的成形極限圖和板料位移圖。

圖3-1成形極限圖

圖3-2板料位移圖

成形極限圖和板料位移圖均為最先可以直觀地看到紅色破裂區(qū)域的一幀，由此可以測得IE值為9.87。模擬所得的IE值與幀數(shù)有關(guān)，幀數(shù)越多，IE值越接近真實(shí)。通過杯突模擬和實(shí)驗(yàn)的結(jié)果比較發(fā)現(xiàn)：

1)成型件與數(shù)字模型的相對比，可發(fā)現(xiàn)發(fā)生破裂的地方比較接近。

2)兩者測得IE值比較：模擬的IE值為9. 87，而試驗(yàn)的IE值為8.12，兩者比較接近。

4.結(jié)論

(1)6061鋁合金具有較好的成形性能，這種板材在單向拉伸過程中受到雙向非均勻應(yīng)力，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中敏感，發(fā)生脆性斷裂，但是在杯突脹形過程中雙向應(yīng)力均勻擴(kuò)展，成形性比較好。所以在采用6061鋁合金板材作成形性工藝分析時，要盡量避免出現(xiàn)雙向非均勻應(yīng)力的情況。

(2)6061鋁合金板材在拉伸過程中的強(qiáng)化段由于局部松弛產(chǎn)生負(fù)荷波動，容易導(dǎo)致試樣表面上形成類似滑移帶的形變花紋而損害產(chǎn)品的外觀，所以采用該材料作汽車表面件時，必須增大均勻變形量以避免出現(xiàn)鋸齒形負(fù)荷。

（3)比較杯突過程的模擬和試驗(yàn)的結(jié)果可以看出兩者匹配較好，所以可以用模擬來驗(yàn)證試驗(yàn)并進(jìn)一步指導(dǎo)試驗(yàn)，為鋁合金板材沖壓工藝的改善、模具設(shè)計和有限元仿真的研究提供了試驗(yàn)依據(jù)。

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10.3969/j.issn.1001-8972.2011.13.057

武晉（1982—），男，天津人，助教，碩士學(xué)位，主要從事模具開發(fā)及CAE方向的研究。