隨著汽車工業的高速發展及人類環保意識的日益增強,對汽車安全性和燃油效率的要求越來越高,使得汽車用板逐步向輕量化材料方向發展。鋁合金具有比強度高、抗腐蝕性好等優點,在**不降低汽車原有的安全性能下,明顯地減輕了汽車自重,達到了節能和環保的目的。但鋁合金板在室溫下塑性較低,常溫拉深性能差,更易發生開裂和起皺現象,尺寸精度難以控制,無法順利加工出形狀較復雜的車身覆蓋件。
研究表明,在溫成形條件下(200℃——350℃),鋁合金板塑性被大大提高,并且流動應力被降低。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,零件表面質量好。因此,采用溫成形技術生產鋁合金覆蓋件,可以大大促進其在復雜車身零件上的應用。
本文采用商用有限元軟件ABAQUS,對汽車用鋁合金板的圓筒件拉深過程進行數值模擬,并通過實驗設計方法,探討溫度分布對鋁合金板拉深性能的影響規律,為差溫拉深中溫度場設置提供參考。
1、有限元建模
由于對稱性,模具和板料簡化為2D軸對稱模型,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點雙線性軸對稱單元CAX4RT,板料厚度方向劃分5層,共劃分360個單元,且板坯和工具間的熱傳導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),導熱系數為121W/(m•K),板坯與工具間換熱系數為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采用Naka的試驗數據,厚度為1mm,屈服準則為vonMises準則。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假設為0.1。
模具溫度對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個溫度區域,如圖1所示,A區代表凸模底部,B代表法蘭部分,C代表凹模圓角區域,且假設各溫度區域相互獨立;同時,為設置板坯的初始溫度,認為其整體為溫度區域D,溫度場設置為常溫狀態(25℃)和加熱狀態(250℃)2種檔次。
應用實驗設計方法——部分因子分析法進行方案設計,試驗因子為圖1中的4個溫度區域A——D,水平為25℃和250℃。表1試驗方案,共需要8組模擬計算。
模具溫度對鋁合金板拉深性能的影響
拉深性能由臨界凸模行程CPS評定,其值越大表明拉深能力越好。模擬中,假設板料厚度減薄率達到30%時,認為失效發生,此時的凸模行程為臨界凸模行程CPS。
3、結果與分析
在ABAQUS上運行表1中的試驗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CPS值有著重要的影響。經過實驗設計的統計分析,各因子的影響力和合理的溫度分配被列于圖2和表2中。對拉深性能影響**的因子是A區域的溫度,其次是法蘭B區的溫度。當凸模保持在一個較低的溫度水平(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,表1中計算結果顯示,凹模圓角處的溫度越低,對拉深能力越有利,但影響程度并不強烈;而板坯的初始溫度對拉深能力的影響是值得注意的,加熱至與法蘭同樣溫度,會使其CPS值降低。
模具溫度對鋁合金板拉深性能的影響
從表2分析結果可以看出,**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,模擬了其拉深過程,計算結果顯示,拉深被順利地完成。
拉深成形中,法蘭處板坯先經過壓縮變形后,再進入凹模型腔,這時由變形區轉變為傳力區。當法蘭處于高的溫度條件下,法蘭變形區內板坯變形抗力被降低,而凸模底部為較低溫度時,板料具有高的抗拉強度,增強側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,板坯從高溫法蘭區流出后,經凹模圓角時會降低其溫度,進一步增強了側壁的承載能力,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,合理的溫度設置是提高拉深能力的關鍵。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
模具溫度對鋁合金板拉深性能的影響
圖3是鋁合金板溫拉深中出現的2種破裂失效形式,其成形時的溫度條件見表3所示。圖3(a)是常溫下拉深經常出現的破裂形式,即破裂發生在凸模圓角附近,而當法蘭被加熱到250℃時,出現圖3(b)的失效形式,即破裂出現在凹模圓角附近,這在常溫拉深中很少出現的缺陷。這些失效形式與前人試驗觀察是的。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,材料抗拉強度高,而凹模圓角附近的板料從法蘭內流出,其處于高溫狀態,材料抗拉強度低,從整體承載能力上看,此時凹模圓角附近的板料**弱,致使破裂發生在此處。
模具溫度對鋁合金板拉深性能的影響
4、結論
運用熱力耦合有限元方法和試驗設計方法,實現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**利于發揮板料拉深能力。
(2)在圓筒件差溫拉深中,破裂即可能出現在凸模圓角區附近,也可能出現在凹模圓角區附近。
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