隨著汽車工業(yè)的高速發(fā)展及人類環(huán)保意識(shí)的日益增強(qiáng)，對(duì)汽車安全性和燃油效率的要求越來(lái)越高，使得汽車用板逐步向輕量化材料方向發(fā)展。鋁合金具有比強(qiáng)度高、抗腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，在**不降低汽車原有的安全性能下，明顯地減輕了汽車自重，達(dá)到了節(jié)能和環(huán)保的目的。但鋁合金板在室溫下塑性較低，常溫拉深性能差，更易發(fā)生開裂和起皺現(xiàn)象，尺寸精度難以控制，無(wú)法順利加工出形狀較復(fù)雜的車身覆蓋件。

研究表明，在溫成形條件下（200℃——350℃），鋁合金板塑性被大大提高，并且流動(dòng)應(yīng)力被降低。與常溫拉深相比，溫成形條件下，可明顯改善板料的拉深性能，并且成形件回彈量小，零件表面質(zhì)量好。因此，采用溫成形技術(shù)生產(chǎn)鋁合金覆蓋件，可以大大促進(jìn)其在復(fù)雜車身零件上的應(yīng)用。

本文采用商用有限元軟件ABAQUS，對(duì)汽車用鋁合金板的圓筒件拉深過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，探討溫度分布對(duì)鋁合金板拉深性能的影響規(guī)律，為差溫拉深中溫度場(chǎng)設(shè)置提供參考。

1、有限元建模

由于對(duì)稱性，模具和板料簡(jiǎn)化為2D軸對(duì)稱模型，如圖1所示。使用的有限元軟件為商用有限元軟件ABAQUS/standard，有限單元模型為熱力耦合四節(jié)點(diǎn)雙線性軸對(duì)稱單元CAX4RT，板料厚度方向劃分5層，共劃分360個(gè)單元，且板坯和工具間的熱傳導(dǎo)被包含在熱力耦合有限元分析中，材料密度為2700kg/m3，比熱為920J/（kg•K），導(dǎo)熱系數(shù)為121W/（m•K），板坯與工具間換熱系數(shù)為1400W/（m2•K）。模擬中，鋁合金板5083-O為各向同性材料，溫成形條件下的材料參數(shù)采用Naka的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，厚度為1mm，屈服準(zhǔn)則為vonMises準(zhǔn)則。模擬中，凸模速度為2.5mm/s，恒定壓邊力為2MPa，板料和工具間的摩擦系數(shù)假設(shè)為0.1。

模具溫度對(duì)鋁合金板拉深性能的影響

2、研究方法

本研究中，工具被劃分為3個(gè)溫度區(qū)域，如圖1所示，A區(qū)代表凸模底部，B代表法蘭部分，C代表凹模圓角區(qū)域，且假設(shè)各溫度區(qū)域相互獨(dú)立；同時(shí)，為設(shè)置板坯的初始溫度，認(rèn)為其整體為溫度區(qū)域D，溫度場(chǎng)設(shè)置為常溫狀態(tài)（25℃）和加熱狀態(tài)（250℃）2種檔次。

應(yīng)用實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法——部分因子分析法進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，試驗(yàn)因子為圖1中的4個(gè)溫度區(qū)域A——D，水平為25℃和250℃。表1試驗(yàn)方案，共需要8組模擬計(jì)算。

模具溫度對(duì)鋁合金板拉深性能的影響

拉深性能由臨界凸模行程CPS評(píng)定，其值越大表明拉深能力越好。模擬中，假設(shè)板料厚度減薄率達(dá)到30％時(shí)，認(rèn)為失效發(fā)生，此時(shí)的凸模行程為臨界凸模行程CPS。

3、結(jié)果與分析

在ABAQUS上運(yùn)行表1中的試驗(yàn)1—8。各種溫度條件下圓筒件拉深的臨界凸模行程CPS列于表1中。從表1中可以看出，初始溫度布置對(duì)CPS值有著重要的影響。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的統(tǒng)計(jì)分析，各因子的影響力和合理的溫度分配被列于圖2和表2中。對(duì)拉深性能影響**的因子是A區(qū)域的溫度，其次是法蘭B區(qū)的溫度。當(dāng)凸模保持在一個(gè)較低的溫度水平（如室溫25℃），法蘭被加熱到較高溫度（如250℃），更有助于鋁合金板拉深能力的提高。同時(shí)，表1中計(jì)算結(jié)果顯示，凹模圓角處的溫度越低，對(duì)拉深能力越有利，但影響程度并不強(qiáng)烈；而板坯的初始溫度對(duì)拉深能力的影響是值得注意的，加熱至與法蘭同樣溫度，會(huì)使其CPS值降低。

模具溫度對(duì)鋁合金板拉深性能的影響

從表2分析結(jié)果可以看出，**的溫度分布是，只需法蘭處加熱到250℃，其拉深能力**。在這一條件下，模擬了其拉深過(guò)程，計(jì)算結(jié)果顯示，拉深被順利地完成。

拉深成形中，法蘭處板坯先經(jīng)過(guò)壓縮變形后，再進(jìn)入凹模型腔，這時(shí)由變形區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)閭髁^(qū)。當(dāng)法蘭處于高的溫度條件下，法蘭變形區(qū)內(nèi)板坯變形抗力被降低，而凸模底部為較低溫度時(shí)，板料具有高的抗拉強(qiáng)度，增強(qiáng)側(cè)壁尤其是凸模圓角處的承載能力。如果凹模圓角附近處于較低溫度時(shí)，板坯從高溫法蘭區(qū)流出后，經(jīng)凹模圓角時(shí)會(huì)降低其溫度，進(jìn)一步增強(qiáng)了側(cè)壁的承載能力，更有利于提高鋁合金板拉深能力。可見，在鋁合金板溫拉深中，合理的溫度設(shè)置是提高拉深能力的關(guān)鍵。差溫拉深模式，即在凹模法蘭處加熱而凸模處于較低溫度，是提高鋁合金板拉深性能的**工藝方法。

（a）在凸模圓角附近破裂

（b）在凹模圓角附近破裂

模具溫度對(duì)鋁合金板拉深性能的影響

圖3是鋁合金板溫拉深中出現(xiàn)的2種破裂失效形式，其成形時(shí)的溫度條件見表3所示。圖3（a）是常溫下拉深經(jīng)常出現(xiàn)的破裂形式，即破裂發(fā)生在凸模圓角附近，而當(dāng)法蘭被加熱到250℃時(shí)，出現(xiàn)圖3（b）的失效形式，即破裂出現(xiàn)在凹模圓角附近，這在常溫拉深中很少出現(xiàn)的缺陷。這些失效形式與前人試驗(yàn)觀察是的。在該模式的拉深中，雖然凸模圓角處板料有所變薄，但是它處于低的溫度，材料抗拉強(qiáng)度高，而凹模圓角附近的板料從法蘭內(nèi)流出，其處于高溫狀態(tài)，材料抗拉強(qiáng)度低，從整體承載能力上看，此時(shí)凹模圓角附近的板料**弱，致使破裂發(fā)生在此處。

模具溫度對(duì)鋁合金板拉深性能的影響

4、結(jié)論

運(yùn)用熱力耦合有限元方法和試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了鋁合金板圓筒件溫拉深中初始溫度的合理分配。

（1）凸模底部和凹模法蘭的溫度決定著了鋁合金板拉深能力，當(dāng)凹模法蘭處于較高溫度而凸模底部處于室溫的差溫拉深模式**利于發(fā)揮板料拉深能力。

（2）在圓筒件差溫拉深中，破裂即可能出現(xiàn)在凸模圓角區(qū)附近，也可能出現(xiàn)在凹模圓角區(qū)附近。