陳天明，嚴(yán)大偉，李娟

(南京航空航天大學(xué)，江蘇 南京 210016)

0 引言

汽車車身是汽車中用材量及質(zhì)量最大的部件，約占汽車總質(zhì)量的30%，所以汽車車身的輕量化對(duì)于減輕汽車自重具有重要意義[1-2]。鋁合金具有質(zhì)輕、耐蝕、比強(qiáng)度高、易加工、表面美觀及回收成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)，汽車內(nèi)外板用鋁合金板代替?zhèn)鹘y(tǒng)使用的鋼板可使整車減重10%左右，可見其減重效果十分顯著[3]。系統(tǒng)研究鋁合金的成形性能，大規(guī)模應(yīng)用鋁合金進(jìn)行汽車覆蓋件的成形具有重要意義。Mahabunphachai等人[4]研究了鋁合金高溫成形性能的預(yù)測(cè)，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了有限元模擬。盈亮等[5]對(duì)6016的烘烤性能進(jìn)行了詳細(xì)的研究，總結(jié)出最佳烘烤強(qiáng)化的溫度和時(shí)間。葛麗麗等[6]研究了6016鋁合金的高溫力學(xué)性能和成形極限。李彥波等用多元回歸的方法對(duì)6016鋁合金的FLD0進(jìn)行了擬合，建立了FLD0的新公式。以上研究為本文提供了有益的借鑒，但以上對(duì)成形極限和力學(xué)性能的測(cè)試都是通過(guò)傳統(tǒng)的網(wǎng)格坐標(biāo)的方法測(cè)量的，精度和效率都不高。

數(shù)字圖像相關(guān)法(digital image correlation，DIC)是一種全場(chǎng)動(dòng)態(tài)視覺測(cè)量方法，具有非接觸、精度高、受環(huán)境影響小、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，克服了坐標(biāo)網(wǎng)格法的不足，并逐步在板料成形應(yīng)變檢測(cè)中得到應(yīng)用。Pires等[7]采用數(shù)字圖像相關(guān)法，對(duì)A5052鑄造鋁合金的成形性能進(jìn)行了研究。Zhang[8]等在AA5086成形極限試驗(yàn)中應(yīng)用了DIC技術(shù)，并將試驗(yàn)結(jié)果與基于M-K模型的有限元數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。DIC在金屬材料的成形性能研究的應(yīng)用越來(lái)的越廣泛。

結(jié)合DIC設(shè)備對(duì)6016鋁合金的成形極限和力學(xué)性能進(jìn)行精確測(cè)量，并與不同屈服條件下理論推導(dǎo)得到的成形極限進(jìn)行對(duì)比，找出相對(duì)準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)方法。

1 AA6016-T4鋁合金基本力學(xué)性能

按照最新國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T228.1-2010，分別沿板材 0°、45°及 90°軋制方向截取拉伸試樣。按照 GB/T5027—2007 和GB/T5028—2008 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定應(yīng)變強(qiáng)化系數(shù)n、塑性應(yīng)變比r，以上試驗(yàn)均遵照 GB/T228—2002 金屬拉伸室溫試驗(yàn)法進(jìn)行單向拉伸試驗(yàn)測(cè)定。AA6016-T4鋁合金的基本力學(xué)性能如表1所示。

表1 AA6016的力學(xué)性能

2 FLD的理論計(jì)算

2.1 Swift和Hill失穩(wěn)極限

板材在沖壓成形的塑性變形過(guò)程中，由于塑性變形不能穩(wěn)定地進(jìn)行，往往會(huì)導(dǎo)致板材的起皺或者拉裂。拉伸失穩(wěn)是板材成形失效的最主要方式，因此關(guān)于這方面的理論有很多，其中最有代表性的是Swift的分散性頸縮失穩(wěn)理論和 Hill 的集中性頸縮失穩(wěn)理論。

將在Hill48屈服準(zhǔn)則下的等效應(yīng)力式帶入Swift分散性失穩(wěn)準(zhǔn)則，得到在Hill48下的Swift失穩(wěn)極限。

式中：ε1——主應(yīng)變；

ε2——次應(yīng)變；

r0——0°方向的各向異性指數(shù)；

r90——90°方向的各向異性指數(shù)；

n—— 硬化指數(shù)。

帶入Hill集中性失穩(wěn)準(zhǔn)則得到在Hill48下的Hill失穩(wěn)極限。

2.2 基于Hill79屈服準(zhǔn)則的極限計(jì)算

將Hill79屈服準(zhǔn)則下的等效應(yīng)力帶入到Hill集中性失穩(wěn)準(zhǔn)則，得到在Hill79下的失穩(wěn)極限:

將Hill79屈服準(zhǔn)則下的等效應(yīng)力帶入到Swift分散性失穩(wěn)準(zhǔn)則，得到在Hill79下的失穩(wěn)極限：

當(dāng)σ1>σ2>0，m為大于1的材料參數(shù)可以通過(guò)以下求得：

式中：σ0為抗拉強(qiáng)度，MPa；σs為屈服強(qiáng)度，MPa。

2.3 基于keeler公式的成形極限計(jì)算

根據(jù)keeler公式：

t≤ 2.5時(shí)，F(xiàn)LD0=(23.3+14.13t)×n/0.2

2.5≤t≤5.5時(shí)，F(xiàn)LD0=(20+20.67t-1.94t2)×n/0.2

t>5.5時(shí)，F(xiàn)LD0=75.13×n/0.21

式中t為試樣厚度，mm。

3 FLD的實(shí)驗(yàn)獲得

實(shí)驗(yàn)室用的材料AA6016由西南鋁業(yè)提供，通過(guò)單向拉伸實(shí)驗(yàn)得到其基本力學(xué)性能見表1。材料的厚度為1 mm。試件參考ISO 12004-2: 2008( GB /T 24171. 2-2009) 標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)線切割制備而成。試件表面噴涂黑、啞光白漆形成黑白相間的散板圖案，作為數(shù)字圖像相關(guān)法匹配和跟蹤被測(cè)件表面變形的特征。

板料成形采用Nakazima實(shí)驗(yàn)法，即半球剛性凸模脹形實(shí)驗(yàn)。通過(guò)改變?cè)嚰膶挾仁蛊鋫?cè)向約束改變，從而得到從單拉到等雙拉的成形極限。潤(rùn)滑采用先在試件和沖頭之間涂上潤(rùn)滑脂的方法，再給沖頭和試件之間貼上硅膠墊。將試件安裝到成形極限上，對(duì)中并夾緊后，啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)機(jī)的同時(shí)開啟相機(jī)，采集不同寬度試件在成形過(guò)程不同時(shí)刻的圖像(不同變形狀態(tài))。成形極限機(jī)的沖頭速度設(shè)為1mm/s，壓邊力設(shè)置為250kN，相機(jī)采集頻率為15幀。

通過(guò)aramis軟件的flc功能生成材料在不同寬度下的成形極限處的主應(yīng)變，如圖1所示；通過(guò)flc功能生成對(duì)應(yīng)的flc曲線如圖2所示。

圖1 不同寬度的AA6016試樣在ARAMIS 軟件上的極限應(yīng)變?cè)茍D

圖2 服從Hill48屈服準(zhǔn)則

4 理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)的對(duì)比

將基本力學(xué)性能帶入到Hill和Swift失穩(wěn)極限公式中，就可以求得材料的各種屈服準(zhǔn)則和失穩(wěn)準(zhǔn)則下的極限應(yīng)變值。計(jì)算出各種條件下的極限應(yīng)變值后，將這些極限應(yīng)變點(diǎn)(ε1，ε2)繪制在ε1-ε2坐標(biāo)系中，并且擬合成一條光滑的曲線就得到6016鋁合金在常溫下的成形極限圖(FLD)。其中圖3是材料服從Hill48屈服準(zhǔn)則，且分別服從Swift分散性失穩(wěn)準(zhǔn)則和Hill集中性失穩(wěn)準(zhǔn)則的相應(yīng)FLD；圖4是材料服從Hill79屈服準(zhǔn)則，且分別服從Swift分散性失穩(wěn)準(zhǔn)則和Hill集中性失穩(wěn)準(zhǔn)則的相應(yīng)FLD。

圖3 服從Hill79屈服準(zhǔn)則

在單向拉伸應(yīng)力狀態(tài)和靠近單向拉伸的平面拉伸應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，運(yùn)用Hill集中性失穩(wěn)理論來(lái)求解極限問(wèn)題；在等雙拉伸應(yīng)力狀態(tài)和靠近等雙拉伸的平面拉伸應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，運(yùn)用Swift分散性失穩(wěn)理論來(lái)求解極限問(wèn)題。因此將兩者合并而成形得到完整的FLD，如圖4所示。滿足keeler公式的FLD如圖5所示。由DIC設(shè)備測(cè)量得到的實(shí)驗(yàn)的FLD曲線如圖6所示。將上述曲線在一張圖中描述，如圖7所示。

圖4 服從兩種屈服準(zhǔn)則的完整FLD

圖5 滿足Keeler經(jīng)驗(yàn)公式的FLD

5 結(jié)語(yǔ)

1) DIC設(shè)備測(cè)量得到的6016鋁合金的FLC曲線位于由Keeler公式預(yù)測(cè)的FLC曲線的下方，并且有較大的誤差，左側(cè)的誤差率在16%左右，右側(cè)的誤差比較大，但總體趨勢(shì)大體一致。

2) DIC設(shè)備測(cè)量得到的6016鋁合金的FLC曲線位于由Hill48和Hill79預(yù)測(cè)的FLC曲線的上方，并且有較大的誤差，左側(cè)的誤差率分別是34%和36%,右側(cè)的誤差在18%左右，總體趨勢(shì)大體一致。

圖6 實(shí)驗(yàn)測(cè)得的FLD

3) 在使用理論預(yù)測(cè)6016鋁合金的FLC時(shí)候，無(wú)論是Keeler還是Hill48或Hill79都無(wú)法做到準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，但是采用Hill48或Hill79預(yù)測(cè)的結(jié)果比較安全。

4) keeler公式得到的曲線相對(duì)更加接近實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，但是其右側(cè)部分和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)趨勢(shì)相差較大，表明keeler公式并不適用于鋁合金的預(yù)測(cè)。

參考文獻(xiàn):

[1] 時(shí)張杰,童國(guó)權(quán). 鋁合金AA5083超塑性變形力學(xué)特性[J]. 機(jī)械制造與自動(dòng)化,2007,36(6):25-28.

[2] 丁向群，何國(guó)術(shù)，陳成封，等. 6000系汽車車用鋁合金的研究應(yīng)用進(jìn)展 [J]. 材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005,23(2):302-305.

[3] 韋韡,蔣鵬,曹飛. 6082鋁合金的高溫本構(gòu)關(guān)系[J]. 塑性工程學(xué)報(bào),2013,20(2):100-106.

[4] Mahabunphachai S, Ko? M. Investigations on forming of aluminum 5052 and 6061 sheet alloys at warm temperatures [J]. Materials and Design, 2009, 31(5): 2425-39.

[5] 盈亮, 申國(guó)哲, 胡平, 等. AA6016鋁材烘烤硬化性能研究 [J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2011, 1(10): 19-24.

[6] 趙培峰,任廣升,沈智,等. 6061鋁合金熱壓縮變形條件對(duì)流變應(yīng)力的影響及其本構(gòu)方程的研究[J]. 塑性工程學(xué)報(bào). 2007，14(6)：130-133.

[7] Pires G, Robert M, Arrieux R. Studies on drawing of the aluminum A 5052 alloy in the thixocast condition [J]. Journal of Materials Processing Technology, 2004, 157(51): 596-603.

[8] Zhang C, Leotoing L, Zhao G, et al. A methodology for evaluating sheet formability combining the tensile test with the M-K model [J]. Materials Science & Engineering A, 2010, 528(1): 480-485.