5754鋁合金板材沖壓成形材料模型研究與應用

傅 壘，李 利，黃鳴東，劉貞山，劉 成

5754鋁合金板材沖壓成形材料模型研究與應用

傅 壘，李 利，黃鳴東，劉貞山，劉 成

(中鋁材料應用研究院有限公司，北京 102209)

建立準確的材料模型是沖壓數值模擬的基礎，通過3個方向的單向拉伸試驗、以及單向壓縮試驗和成形極限試驗，獲得5754鋁合金材料性能數據，基于Voce硬化模型、Barlat89屈服準則和成形極限，建立5754鋁合金成形用材料模型。利用Pamstamp-2G軟件，對5754鋁合金汽車大梁的沖壓成形進行數值模擬，并與沖壓試驗結果進行對比。結果表明：數值模擬獲得的應變數據與試驗測量獲得的應變數據比較接近，且各區域最大減薄率誤差在±10%以內，驗證數值模擬的可靠性。

5754鋁合金；硬化模型；屈服準則；成形極限；數值模擬

隨著汽車保有量的增加，給資源、環境帶來了越來越大的壓力，減輕汽車質量，提高燃油效率，降低排放以減少環境污染成為各汽車廠商的重要發展方向[1?2]。鋁合金具有密度低、比強度高、耐腐蝕性好、抗沖擊性好等優點，是汽車輕量化的重要材料之 一[3?4]。與鋼板相比，鋁合金板總伸長率偏小，在室溫下成形性不如鋼板，沖壓成形時容易出現開裂、縮頸、起皺等缺陷，通過試錯的方法消除這些缺陷，會導致修模周期長，開發費用高[5?6]。采用數值模擬技術，可以有效地預測鋁合金沖壓成形中的開裂、起皺等缺陷，然后進行優化設計，降低成形缺陷發生的風險，以指導沖壓模具開發和成形工藝制定，隨著計算機技術的發展，數值模擬技術在鋁合金板材成形分析上得到廣泛應用[7?8]。

梁賓[9]基于Barlat89屈服準則，對鋁合金引擎蓋內板進行沖壓數值模擬，從起皺和開裂方面對比分析，數值模擬結果和實驗結果吻合較好。池也[10]基于Hockett-Sherby硬化模型、Barlat89屈服準則，對鋁合金前圍板進行拉延成形數值模擬，指導前圍板模具開發和沖壓工藝制定，產品沒有明顯起皺和破裂缺陷。金飛翔等[11]基于Hollomon、Krupskowsky、Power硬化模型，對杯形件拉深成形進行數值模擬，從拉深深度、截面厚度對比分析了數值模擬與實驗結果。隨著光學測量技術的發展，張學廣[12]在成形極限試樣上印制網格，通過ARGUS光學應變測量系統，全面表征了試樣變形后的應變狀態。因此，在沖壓成形過程中，采用光學應變測量系統可以更好地對比數值模擬與實驗結果，全面了解沖壓零件的變形狀態。

為了提高鋁合金沖壓成形數值模擬的可靠性，需要建立準確的材料模型，并求解出相關的材料參數，以表征鋁合金材料的成形性能。通常情況下，沖壓成形用材料模型主要由硬化模型、屈服準則和成形極限組成[13?14]。本文以中鋁西南鋁生產的1.5 mm厚5754-H111鋁合金為研究對象，分別進行單向拉伸試驗、單向壓縮試驗和成形極限試驗，研究適合5754-H111鋁合金的成形用材料模型?；谠摬牧夏Ｐ?，以某汽車大梁為對象，對其進行沖壓成形仿真分析，并通過沖壓試驗，在板料上印制網格，采用光學應變測量系統測量變形后的應變，與數值模擬結果對比分析，驗證模型的可靠性。

1 實驗

1.1 試驗材料

試驗材料為中鋁西南鋁板帶有限公司生產的1.5 mm厚的5754-H111鋁合金汽車板，其化學成分如表1所列。

表1 5754鋁合金化學成分

1.2 單向拉伸試驗

為了獲取5754鋁合金的力學性能，與軋向成0°、45°、90°分別切取3個試樣，按照國家標準《GBT 228—2002 金屬材料室溫拉伸試驗方法》和《GBT 5027—2007 金屬材料薄板和薄帶塑性應變比(值)的測定》進行單向拉伸試驗，試驗設備及設計的試樣尺寸如圖1所示，在試樣上分別安裝引伸計和寬度規，監測材料在拉伸過程中的的長度方向與寬度方向變形，以用于計算拉伸后的真應力?應變曲線和值，試驗拉伸速度為2 mm/min。

圖1 單向拉伸試驗

1.3 單向壓縮試驗

為了獲取大變形量下的應力?應變曲線，按照國家標準《GBT 7314—2005 金屬材料室溫壓縮試驗方法》，對5754-H111板材進行單向壓縮試驗，試驗設備為100 kN的萬能試驗機。首先將板材精加工為15 mm×15 mm寬的小片，然后用特定膠水將若干個小片粘接起來，由于膠層非常薄，且試驗時有預壓，因此，可忽略膠層厚度，制備的樣品示意圖如圖2所示[15]。將制備好的試樣進行壓縮試驗，記錄相應的位移載荷曲線，然后通過計算獲得壓縮真應力?應變曲線。

圖2 5754-H111板材的壓縮試驗

1.4 成形極限試驗

試驗設備采用德國Zwick BUP600成形試驗機，并帶有ARAMIS光學動態應變測量系統，根據國家標準《GBT 15825.8—2008 金屬薄板成形性能與試驗方法第8部分：成形極限圖(FLD)測定指南》和《GBT 24171.2—2009 金屬材料薄板與薄帶成形極限曲線的測定第2部分：實驗室成形極限曲線的測定》對5754-H111進行成形極限試驗。為了防止矩形試樣在拉深筋處或凹?？卓谔庨_裂，設計的試樣示意圖如圖3所示，試樣的具體尺寸如表2所列。將制備好的試樣噴上黑白相間的散斑，在成形試驗機進行剛性凸模脹形，采用ARAMIS系統記錄試樣變形過程中的應變變化，以及破裂前的應變狀態，通過計算獲得材料的成形極限曲線[12, 16]。

圖3 成形極限試驗

表2 成形極限試樣尺寸

2 5754-H111鋁合金材料模型

2.1 硬化模型

單向拉伸試驗獲得的材料力學性能數據如表3所列。其中為應變硬化指數，0、45、90代表與軋制方向分別為0°、45°、90°時試樣的塑性應變比。拉伸和壓縮應力?應變曲線如圖4所示。

由圖4可知，壓縮試驗能獲得較大的變形量，但由于板材壓縮試驗制樣比較復雜，通常采用拉伸試驗來獲取材料的真應力?應變曲線，并采用硬化方程來擬合曲線，求取方程的參數值。常用的硬化方程有Hollomon方程、Krupknowsky方程和Voce方程[11, 17]，其表達式如下。

表3 5754鋁合金力學性能

圖4 5754鋁合金拉伸與壓縮應力?應變曲線

Hollomon方程：

Krupknowsky方程：

Voce方程：

本文通過拉伸數據求解硬化方程的參數值如表4所列。

表4 硬化方程參數值

將硬化方程擬合的曲線與拉伸和壓縮真應力?應變曲線進行對比分析如圖5所示，由圖5可知，Voce方程不僅能夠很好地擬合拉伸曲線，而且能夠較好地預測大變形條件材料的應力?應變曲線。因此，Voce硬化模型比較適合5754-H111鋁合金板材。

圖5 不同的硬化曲線對比

2.2 屈服準則

由于鋁板材經過軋制后具有明顯的各向異性，BARLAT等[18]提出了Barlat89屈服準則，該準則對平面應力狀態下的各向異性材料的沖壓成形模擬效果較好[19]，其表達式為

式中：、、為材料參數，可由各向異性系數0、45、90計算得到[17?18]，鋁合金為面心立方晶體結構，值為8。

本文選用Barlat89屈服準則進行數值模擬，將3個方向拉伸試驗獲得的值，代入到方程中，通過數值計算獲得5754-H111鋁合金的材料系數如表5所列。

表5 Barlat89 屈服準則參數值

2.3 成形極限

設計平行段寬度不同的試樣，并在試驗過程中對試樣進行充分潤滑，以獲取不同應變路徑下材料的成形極限。為了便于ARAMIS光學動態應變測量系統采集數據，需要在試樣上噴上黑白相間的散斑，并采用成形試驗機進行剛性凸模試驗，變形后的成形極限試樣如圖6所示。本文以ARAMIS測量系統觀測到產生裂紋的前一張照片為基礎進行計算，在每個試樣上畫3條線，根據《GBT 24171.2—2009 金屬材料薄板與薄帶成形極限曲線的測定第二部分：實驗室成形極限曲線的測定》所述的計算方法，由ARAMIS測量系統自動計算，每一個試樣可獲得3個極限主次應變數據，并根據極限應變散點在成形極限圖中的分布特征，連成適當的曲線，如圖7所示，由此獲得的5754-H111鋁合金的成形極限曲線。

圖6 變形后的成形極限試樣

圖7 5754鋁合金的成形極限圖

3 汽車大梁的沖壓數值模擬與驗證

以某汽車大梁為研究對象，對其進行沖壓數值模擬分析，然后通過沖壓試驗，在板料上印制網格，測量變形區域的應變，將試驗結果與模擬結果進行對比分析，驗證5754-H111鋁合金材料模型和數值模擬結果的可靠性。

采用Pamstamp軟件建立的大梁沖壓數值模型如圖8所示。

在壓邊力為200 kN，摩擦因數為0.12 的情況下，數值模擬計算后的厚度分布、主應變分布、次應變分布、成形性能分布如圖9所示。

圖8 鋁合金大梁沖壓數值模型

圖9 鋁合金大梁沖壓數值模擬結果

在大梁的、、、區域印制網格，具體位置如圖10所示，然后進行沖壓試驗，沖壓后測量獲得的應變數據與數值模擬應變數據對比結果如圖11所示，由圖11可知，數值模擬結果與試驗結果比較接近。

通過網格應變測量系統，可以獲得大梁各區域的主應變和次應變，并在成形極限圖上直觀表示，能更全面的反映數值模擬結果與實驗結果的差別。而且，由主應變和次應變數據，通過一定的數學計算轉換為減薄率，轉換表達式(7)所示。

圖10 大梁沖壓樣件與網格測試區域

圖11 模擬與試驗應變數據對比

通過數學計算，得到大梁各區域的最大減薄率如表6所列。由表6可知，各區域的最大減薄率誤差在±10%以內，進一步證明本文建立的5754-H111鋁合金材料模型和大梁沖壓數值模型是可靠的。

表6 鋁合金大梁不同區域最大減薄率

4 結論

1) 通過單向拉伸和單向壓縮試驗，獲得了5754-H111鋁合金的硬化曲線，并采用Hollomon方程、Krupknowsky方程和Voce方程進行擬合，結果表明Voce方程擬合效果較好。

2) 通過0°、45°、90°三個方向拉伸試驗獲得的值，求解得到了5754-H111鋁合金Barlat89屈服準則的材料參數分別為=1.1173、=0.9823、=1、=8。

3) 通過設計不同寬度的試樣，獲得了不同應變路徑下5754-H111鋁合金的成形極限曲線，該曲線可以用于判斷鋁合金零件的開裂區、風險區。

4) 通過對大梁進行沖壓數值模擬和實際沖制，并采用光學應變測量系統，對大梁特定區域變形后的應變進行測量，并與數值模擬結果進行對比，結果表明，建立的5754-H111鋁合金材料模型和沖壓數值模型是可靠的。

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Investigation and application on material model in sheet forming of 5754 aluminum alloy

FU Lei, LI Li, HUANG Ming-dong, LIU Zhen-shan, LIU Cheng

(CHINALCO Materials and Application Research Institute, Beijing 102209, China)

An accurate material model is the basis for numerical simulation of stamping. By means of tensile tests in three directions, uniaxial compression tests and forming limit tests, the material property data of 5754 aluminum alloy is obtained. Based on the Voce hardening model, Barlat89 yield criterion and forming limit curves, the material model of 5754 aluminum alloy for stamping was established. With the Pamstamp-2G software, the stamping operation of automobile girders of 5754 aluminum alloy was simulated, which was compared with the actual stamping operation. The results show that the plastic strain calculated by the simulation is close to the experimental measurement one, the maximum thinning rate error is within ±10%, which verifies the reliability of numerical simulation.

5754 aluminum alloy; hardening model; yield criterion; forming limit; numerical simulation

Project(2017MXJH06) supported by Chinalco Star Program Fund; Project(Z171100002317027) supported by Beijing Municipal Science and Technology Project, China

2018-12-07;

2019-09-02

FU Lei; Tel: +86-10-66600123; E-mail: fulei41@163.com

1004-0609(2020)-01-0018-08

TG386

A

10.11817/j.ysxb.1004.0609.2020-37474

中鋁明星計劃基金項目(2017MXJH06)；北京市科委基金資助項目(Z171100002317027)

2018-12-07；

2019-09-02

傅 壘，工程師，博士；電話：010-66600123；E-mail：fulei41@163.com

(編輯 王 超)