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摘要：借助商用有限元仿真软件ABAQUS，采用热力耦合有限元法对汽车用铝合金板5083-O的圆筒件温拉深过程进行数值模拟。在此基础上，利用试验设计方法，分析初始温度布置对拉深能力的影响，并给出拉深件破裂失效形式。研究结果表明：凸模底部和凹模法兰的温度决定着铝合金板拉深能力，在凹模法兰处于较高温度250℃而凸模底部处于室温的拉深模式中，临界凸模行程最大；而拉深件的破裂失效即可能出现在凸模圆角区附近，也可能出现在凹模圆角区附近。可见，差温拉深中温度布置对发挥板料成形能力十分重要。
关键词：铝合金板；差温拉深；温度布置；有限元模拟
1 前 言
随着汽车工业的高速发展及人类环保意识的日益增强，对汽车安全性和燃油效率的要求越来越高，使得汽车用板逐步向轻量化材料方向发展。铝合金具有比强度高、抗腐蚀性好等优点，在保证不降低汽车原有的安全性能下，明显地减轻了汽车自重，达到了节能和环保的目的。但铝合金板在室温下塑性较低，常温拉深性能差，更易发生开裂和起皱现象，尺寸精度难以控制，无法顺利加工出形状较复杂的车身覆盖件。研究表明[1,2]，在温成形条件下（200～350℃），铝合金板塑性被大大提高，并且流动应力被降低。与常温拉深相比，温成形条件下，可明显改善板料的拉深性能，并且成形件回弹量小，零件表面质量好。因此，采用温成形技术生产铝合金覆盖件，可以大大促进其在复杂车身零件上的应用。
在温拉深中，初始温度场的设置对成形性能产生着重要的影响。Ayres等人[3]在考虑温度梯度的基础上，实验研究了铝合金板温拉深过程，结果显示，温度对于颈缩现象的产生具有重要的作用。Naka等人[2]利用圆筒件拉深试验，实验研究凹模法兰温度对5182-O拉深比的影响，研究发现，随着法兰温度升高，拉深比增大。Li等人[4]也做了类似的实验研究，并发现拉深高度随着凹模法兰温度升高而增大，而随着凸模温度的升高而减小。为了提高复杂形状零件的可成形性和工艺的鲁棒性，很有必要合理确定温拉深中初始温度分布。通过有限元模拟和实验设计方法确定拉深中初始温度分布，是一种高效率的方法[5]。
本文采用商用有限元软件ABAQUS，对汽车用铝合金板的圆筒件拉深过程进行数值模拟，并通过实验设计方法，探讨温度分布对铝合金板拉深性能的影响规律，为差温拉深中温度场设置提供参考。
2 有限元建模
试验为圆筒件拉深试验，模具参数参见Naka试验[2]。由于对称性，模具和板料简化为2D轴对称模型，如图1所示。使用的有限元软件为商用有限元软件ABAQUS/standard，有限单元模型为热力耦合四节点双线性轴对称单元CAX4RT，板料厚度方向划分5层，共划分360个单元，且板坯和工具间的热传导被包含在热力耦合有限元分析中，材料密度为2700kg/m3，比热为920J/kg·K，导热系数为121W/m·K，板坯与工具间换热系数为1400W/m2·K。模拟中，铝合金板5083-O为各向同性材料，温成形条件下的材料参数采用Naka的试验数据[2]，厚度为1mm，屈服准则为von Mises准则。模拟中，凸模速度为2.5mm/s，恒定压边力为2MPa，板料和工具间的摩擦系数假设为0.1。 （图片）
图1 模拟中温度区划分 3 研究方法
本研究中，工具被划分为3个温度区域，如图1所示，A区代表凸模底部，B代表法兰部分，C代表凹模圆角区域，且假设各温度区域相互独立；同时，为设置板坯的初始温度，认为其整体为温度区域D。温度场设置为常温状态（25℃）和加热状态（250℃）2种档次。
应用实验设计方法——部分因子分析法进行方案设计，试验因子为图1中的4个温度区域A－D，水平为25℃和250℃。表1试验方案，共需要8组模拟计算。
拉深性能由临界凸模行程CPS评定，其值越大表明拉深能力越好。模拟中，假设板料厚度减薄率达到30％时，认为失效发生，此时的凸模行程为临界凸模行程CPS。（图片） 4 结果与分析
在ABAQUS上运行表1中的试验No.1—No.8。各种温度条件下圆筒件拉深的临界凸模行程CPS列于表1中。从表1中可以看出，初始温度布置对CPS值有着重要的影响。经过实验设计的统计分析，各因子的影响力和合理的温度分配被列于图2和表2中。对拉深性能影响最大的因子是A区域的温度，其次是法兰B区的温度。当凸模保持在一个较低的温度水平（如室温25℃），法兰被加热到较高温度（如250℃），更有助于铝合金板拉深能力的提高。同时，表1中计算结果显示，凹模圆角处的温度越低，对拉深能力越有利，但影响程度并不强烈；而板坯的初始温度对拉深能力的影响是值得注意的，加热至与法兰同样温度，会使其CPS值降低。（图片） （图片）
图2 各因子对拉深性能的影响 从表2分析结果可以看出，最佳的温度分布是，只需法兰处加热到250℃，其拉深能力最好。在这一条件下，模拟了其拉深过程，计算结果显示，拉深被顺利地完成。
拉深成形中，法兰处板坯先经过压缩变形后，再进入凹模型腔，这时由变形区转变为传力区。当法兰处于高的温度条件下，法兰变形区内板坯变形抗力被降低，而凸模底部为较低温度时，板料具有高的抗拉强度，增强侧壁尤其是凸模圆角处的承载能力。如果凹模圆角附近处于较低温度时，板坯从高温法兰区流出后，经凹模圆角时会降低其温度，进一步增强了侧壁的承载能力，更有利于提高铝合金板拉深能力。可见，在铝合金板温拉深中，合理的温度设置是提高拉深能力的关键。差温拉深模式，即在凹模法兰处加热而凸模处于较低温度，是提高铝合金板拉深性能的最佳工艺方法。
图3是铝合金板温拉深中出现的2种破裂失效形式，其成形时的温度条件见表3所示。图3（a）是常温下拉深经常出现的破裂形式，即破裂发生在凸模圆角附近，而当法兰被加热到250℃时，出现图3（b）的失效形式，即破裂出现在凹模圆角附近，这在常温拉深中很少出现的缺陷。这些失效形式与前人试验观察是一致的[6]。在该模式的拉深中，虽然凸模圆角处板料有所变薄，但是它处于低的温度，材料抗拉强度高，而凹模圆角附近的板料从法兰内流出，其处于高温状态，材料抗拉强度低，从整体承载能力上看，此时凹模圆角附近的板料最弱，致使破裂发生在此处。（图片） （图片）
（a）在凸模圆角附近破裂 （b）在凹模圆角附近破裂
图3 失效模式 （图片） 5 结论
运用热力耦合有限元方法和试验设计方法，实现了铝合金板圆筒件温拉深中初始温度的合理分配。
（1） 凸模底部和凹模法兰的温度决定着了铝合金板拉深能力，当凹模法兰处于较高温度而凸模底部处于室温的差温拉深模式最利于发挥板料拉深能力。
（2） 在圆筒件差温拉深中，破裂即可能出现在凸模圆角区附近，也可能出现在凹模圆角区附近。
参考文献：
[1] D. Li, A. Ghosh. Tensile deformation behavior of aluminum alloys at warm forming temperatures. Materials Science and Engineering, 2003, A352:279-286
[2] T. Naka, F. Yoshida. Deep drawability of type 5083 aluminium-magnesium alloy sheet under various conditions of temperature and forming speed. Journal of Materials Processing Technology. 1999, 89-90:19-23
[3] S. L. Semiatin, R. A. Ayres and J. J. Jonas. An analysis of the nonisothermal tensile test. Metall. Trans. 1986, 16A: 2299-230
[4] D. Li, A.K. Ghosh. Biaxial warm forming behavior of aluminum alloys. Journal of Materials Processing Technology, 2004, 145:281-293
[5] H.S. Kim, M. Koc. Design of Optimal Temperature Distribution using FEA for Warm Forming of Lightweight Materials. Proc. NUMIFORM Conference, The Ohio State University at Columbus, June 13-17, 2004
[6] H. Takuda, K. Mori, I. Masuda. Finite element simulation of warm deep drawing of aluminium alloy sheet when accounting for heat conduction. Journal of Materials Processing Technology, 2002, 120:412-418
8/31/2005
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