王國峰， 李源池， 周彤旭， 趙佳樂

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)1.材料科學(xué)與工程學(xué)院； 2.金屬精密熱加工國防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 哈爾濱 150001）

軌道交通設(shè)備輕量化是發(fā)展現(xiàn)代化高速列車的必然選擇，減輕重量對于車輛提速、節(jié)能、降低污染等具有十分重要的實(shí)際意義［1-4］.鋁合金具有密度低、比強(qiáng)度和比剛度高、質(zhì)量輕等一系列優(yōu)異的特性，在軌道交通、航空航天等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用［5］.目前，大多數(shù)國家的高鐵車身都是以鋁合金為主體的.但是，鋁合金成形抗力大、回彈大，傳統(tǒng)成形技術(shù)的使用率極低，成形精度也極差，已經(jīng)不能滿足鋁合金的成形需求［6］.在超塑性變形條件下，5xxx 合金伸長率極高，可實(shí)現(xiàn)鋁合金復(fù)雜型面零件的快速成形.在使用普通的5xxx鋁合金時，通常采用等通道擠壓法、往復(fù)擠壓法和熱機(jī)械處理法對晶粒進(jìn)行細(xì)化，但這些方法的工藝過程比較復(fù)雜且成本較高［7-9］.而采用溶質(zhì)牽引蠕變法制備的類粗晶超塑性材料由于不依賴于晶粒尺寸的大小，無須進(jìn)行精細(xì)加工即可實(shí)現(xiàn)大延伸，極大地縮短了制造周期，降低了制造成本.為此，開展以工業(yè)級粗晶5083 鋁合金為代表的大型構(gòu)件超塑性成形技術(shù)的研究，對實(shí)現(xiàn)大規(guī)模構(gòu)件的高效成形有著至關(guān)重要的作用.

本文中利用Marc 有限元軟件對工業(yè)級粗晶5083 鋁合金動車車窗的超塑氣脹成形進(jìn)行有限元分析，使用3 套不同的反脹模具依次進(jìn)行熱沖壓、反脹和正脹有限元分析，對比研究不同反脹模具對成形件的影響，并對正反脹厚度進(jìn)行計(jì)算和分析，確保成形件無成形缺陷、厚度分布均勻且減薄率適宜，以期得到符合要求的5083 鋁合金動車車窗.

1 實(shí)驗(yàn)材料和原理

5083 鋁合金動車車窗的成形件如圖1 所示，原始板料厚度為4 mm，動車車窗外形尺寸為2 280 mm×1 450 mm×120 mm.板料成形的難點(diǎn)在于端角處容易疊料而出現(xiàn)褶皺，并且窗戶內(nèi)沿的減薄比較嚴(yán)重，容易破裂.最終要求成形后的板料壁厚減薄率≤40%，壁厚分布均勻，無其他成形缺陷.

圖1 動車車窗模型Fig.1 Railway window model

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)中采用奧科寧克鋁業(yè)有限公司提供的厚度為4 mm的工業(yè)級5083 鋁合金板料， 其具體化學(xué)成分如表1 所列.

表1 工業(yè)級5083 鋁合金板料化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Chemical composition of industrial 5083 aluminum alloy sheet （mass fraction） %

經(jīng)單向拉伸實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：工業(yè)級的5083 鋁合金表現(xiàn)出良好的高溫伸長率，在溫度為400 ～560 ℃、應(yīng)變速率為5×10-4～5×10-3s-1的條件下，伸長率均大于100%；在溫度為480 ℃、應(yīng)變速率為10-3s-1的條件下，最大伸長率可達(dá)242%，表現(xiàn)出良好的超塑性［10］.

1.2 實(shí)驗(yàn)原理及條件

在超塑成形過程中，往往不考慮應(yīng)變硬化對成形的影響，只考慮應(yīng)變速率對成形的影響［11］.在適當(dāng)?shù)膽?yīng)變速率下，材料的超塑性能更好且回彈也更小，故采用超塑性本構(gòu)模型方程進(jìn)行模擬，分析成形過程中成形件的壁厚分布規(guī)律.

式中：σ為應(yīng)力，K為與變形溫度和材料組織有關(guān)的材料指數(shù)，m為應(yīng)變速率敏感系數(shù)，ε為應(yīng)變速率.

車窗外表由復(fù)雜的空間曲面組成，內(nèi)沿形狀類似臺階（見圖1）.因此，采用傳統(tǒng)成形方法難以使其成形，而采用超塑成形技術(shù)可以較好地成形復(fù)雜曲面形狀的零件.由于單純的超塑正脹成形易導(dǎo)致壁厚分布不均，故采用正反脹成形法、動凸模輔助成形法、熱沖壓-氣脹復(fù)合成形法和板料厚度預(yù)成形法等方法進(jìn)行改善.與其他方法相比，正反脹成形具有易于控制和產(chǎn)品一致性高等優(yōu)點(diǎn)［12］.本研究中采用熱沖壓-正反脹成形方法來改善壁厚分布不均情況，原理如圖2 所示.在超塑成形之前，先利用熱沖壓的高速度進(jìn)行預(yù)成形，這樣可以使更多的板料在凸模的作用下進(jìn)入型腔，從而實(shí)現(xiàn)補(bǔ)料.成形到一定位置后，合模完成，板料四邊被封死，但此時凸模和凹模之間還有一定的空間，先反脹成形，在大填充部位進(jìn)行儲料，然后原位進(jìn)行正脹成形，最終獲得壁厚分布均勻的成品零件.

圖2 熱沖壓-正反脹成形原理Fig.2 Hot stamping-direct-reverse bulging forming principle

2 模擬實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

由于零件為對稱件，為了便于分析，本文中選取半邊車窗作為成形件進(jìn)行研究.圖3 示出了經(jīng)有限元分析得出的實(shí)際車窗超塑成形凸凹模具.在超塑氣脹成形過程中，先進(jìn)行熱沖壓預(yù)成形，然后進(jìn)行反脹，最后經(jīng)正脹得到所需要的成形件.反脹時，凹模為反脹模具；正脹時，凸模為正脹模具.

圖3 車窗超塑成形模具Fig.3 Molds of railway window for superplastic forming

2.1 有限元分析前處理

在整個有限元模擬分析中，模具設(shè)置為剛體，板料設(shè)置為變形體.板料的本構(gòu)模型為理想剛塑性模型，采用MISES 屈服準(zhǔn)則， 應(yīng)變速率敏感系數(shù)為0.55.板料的尺寸為3 000 mm×1 700 mm×4 mm，采用4 節(jié)點(diǎn)單元，單元尺寸為10 mm×10 mm，厚度為4 mm.板料與模具的摩擦系數(shù)為0.2，摩擦類型為Coulomb 摩擦模型，熱沖壓上模的下壓速度為5 mm／s，正脹和反脹的目標(biāo)應(yīng)變速率均為0.001 s-1，最小和最大氣脹成形壓力分別設(shè)置為1×10-6MPa和100 MPa［13］.設(shè)置后的正反脹超速氣脹成形有限元模型如圖4 所示.

圖4 正反脹超塑成形有限元模型Fig.4 Finite element model of direct-reverse bulging superplastic forming

2.2 熱沖壓有限元分析

超塑氣脹成形的步驟為熱沖壓、反脹和正脹.熱沖壓和反脹一般是超塑氣脹成形的預(yù)成形，可以對板料進(jìn)行減薄，保證正脹的順利進(jìn)行，使零件最終符合要求.通常反脹模具的形狀不同，板料的減薄區(qū)域和減薄量也不同，這會使所得到的壁厚分布不同，正脹過程中成形件也有所不同，甚至可能出現(xiàn)缺陷.為了研究不同形狀的反脹模具對正脹的影響，選用了3 種不同的反脹模具進(jìn)行研究分析，結(jié)果如圖5 所示.3 種反脹模具的不同之處是：左上段圓角大小不同，且模具c 的左端有一凸起的長方形槽；與模具a 和b 相比，模具c 的底面往下移了一段距離，但側(cè)面并沒有移動，仍保持不變.

圖5 3 種反脹模具有限元分析Fig.5 Three kinds of finite element analysis reverse bulging mold

正脹模具的形狀即為所要零件的形狀，如圖6 所示.將3 種反脹模具（圖5）作為凹模、正脹模具（圖6）作為凸模進(jìn)行熱沖壓分析.在熱沖壓過程中，設(shè)置凸模以5 mm／s 的速度下壓，使板料在凸凹模之間熱沖壓減薄，實(shí)現(xiàn)板料的預(yù)成形.圖7示出了熱沖壓預(yù)成形后板料的厚度分布.從圖7中可以看出：模具a 和b 經(jīng)熱沖壓后，所得到的沖壓件最小壁厚分別為3.505 mm和3.643 mm，最大減薄率分別為12.375%和8.925%；而模具c 所得到的沖壓件最小壁厚為2.765 mm，最大減薄率為30.875%，但是該區(qū)域并不是車窗部分，車窗部分的最小壁厚為3.717 mm，最大減薄率為7.075%.

圖6 正脹模具有限元分析Fig.6 Finite element analysis direct bulging mold

圖7 熱沖壓后板料的厚度分布云圖Fig.7 Cloud map of thickness distribution of hot stamping

2.3 超塑氣脹成形有限元分析

使用3 種反脹模具進(jìn)行反脹，使板料與模具完全貼合，最終得到反脹成形件的形狀及壁厚分布云圖如圖8 所示.在氣脹成形過程中，板料與模具型腔的摩擦?xí)?dǎo)致材料越晚貼模，壁厚越?。?4］.從圖8 中可以看出：以模具a 進(jìn)行反脹時，成形件的左部棱邊處最后貼模，該區(qū)域最小壁厚為2.978 mm，最大減薄率為25.55%；以模具b 進(jìn)行反脹時，成形件左部和右部的棱邊處均最后貼模，最小壁厚為3.062 mm，最大減薄率為23.5%；而模具c 的底面在原先模具基礎(chǔ)上向下移動，導(dǎo)致底面的右上角最后貼模，此時所得到的反脹成形件右上角藍(lán)色區(qū)域壁厚最薄，為2.882 mm，最大減薄率為29.45%，而且由于貼模時間晚，該部位還出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象.

圖8 反脹超塑成形件的厚度分布云圖Fig.8 Cloud map of thickness distribution of reverse superplastic forming

對上述3 種反脹超塑成形件分別進(jìn)行正脹有限元分析，并利用Marc 將成形件的多余部分進(jìn)行隱藏，最終得到動車車窗成形件以及其厚度分布云圖（見圖9）.此時，板料與模具已完全貼合，成形結(jié)束.

圖9 正脹超塑成形件的厚度分布云圖Fig.9 Cloud map of thickness distribution of direct superplastic forming

從圖9 中可以看出，以模具a 和b 為反脹模具反脹之后進(jìn)行超塑正脹，在車窗內(nèi)部右邊緣處的網(wǎng)格會發(fā)生畸變，出現(xiàn)褶皺缺陷，這會嚴(yán)重影響成形件的質(zhì)量及使用.產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是：在反脹過程中，模具左端金屬儲料過多，使得該區(qū)域形狀剛性過大，變形阻力增大；在正脹過程中，過大的脹形阻力會導(dǎo)致褶皺缺陷的出現(xiàn).此時最小壁厚分別為2.409 mm和2.403 mm，減薄率無限接近40%，成形件不合格.從圖中還可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)以模具c 為反脹模具反脹之后再進(jìn)行正脹時，由于模具底面向下移動了一段距離，并且在左邊開設(shè)了長方形凸槽，儲料減少，剛性降低，使得成形件右邊金屬的變形阻力減小，從而有效避免了起皺，且未產(chǎn)生其他成形缺陷.此時，所得到的成形件最小壁厚為2.496 mm，位于車窗內(nèi)邊緣的左上區(qū)域，最大減薄率為37.6%，符合成形件的要求.

圖10（b）為動車車窗沿AB 線方向［見圖10（a）］的厚度曲線.從圖中可以看出：隨著從外部移動到車窗內(nèi)邊緣，壁厚逐漸減薄，但減薄并不嚴(yán)重，整體壁厚分布均勻；在AB 連線區(qū)域，動車車窗的最小壁厚為3.198 mm，最大減薄率為20.05%，位于動車車窗的內(nèi)邊緣.

圖10 壁厚分布曲線Fig.10 Thickness distribution curve

3 結(jié) 論

（1）以5083 鋁合金為原材料，利用超塑氣脹成形工藝成形動車車窗，使用Marc 軟件對其進(jìn)行有限元分析，最終順利得到無任何缺陷且減薄率符合要求的成形件，并得出了正確的超塑氣脹成形模具.

（2）在超塑氣脹成形過程中，儲料的多少對金屬成形有極大影響.當(dāng)以模具a 和b 為反脹模具進(jìn)行超塑氣脹時，由于成形件右邊金屬儲料過多、剛性過大，導(dǎo)致正脹難以脹開出現(xiàn)褶皺缺陷.模具c 則是由于模具左端開設(shè)凸槽，儲料變少，而未出現(xiàn)成形缺陷.

（3）動車車窗的最小壁厚為2.496 mm，位于車窗內(nèi)邊緣的左上區(qū)域，最大減薄率為37.6%.車窗壁厚分布均勻，整體與模具貼合良好且質(zhì)量穩(wěn)定，符合成形件的要求.