汽车用5182铝合金的温拉深成形性能

王孟君^{1, 2}，周威 ¹，任杰¹，李彩文¹，黄电源¹，李光耀²

 (1. 中南大学 有色金属材料科学与工程教育部重点实验室，湖南 长沙 410083；

2. 湖南大学 汽车车身先进设计制造国家重点实验室，湖南 长沙，410082)

摘  要：在变形温度为303~573K，拉深速度为0.1~1.5 mm/s，压边力为2.0~3.5 N/mm²的条件下，采用差温拉深试验，对汽车用5182铝合金板拉深成形性能进行研究。研究结果表明：5182铝合金的极限拉深比L_DR并不随着变形温度的升高而单调增加，在523 K时达到最大值2.5，之后随着温度的继续升高，极限拉深比反而下降；当压边力小于3.0 N/mm²时，随着压边力的增加，L_DR逐渐增大，但当压边力超过3.0 N/mm²时，L_DR迅速减小；5182铝合金板低速拉深时的成形性能(小于0.5 mm/s)比快速拉深的成形性能好。

关键词：5182铝合金；温拉深；成形性能；极限拉深比

中图分类号：TG146.21          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2010)03-0936-04

Forming properties of 5182 aluminum alloy for automotive body sheet during warm deep drawing processes

WANG Meng-jun^{1, 2}, ZHOU Wei¹, REN Jie¹, LI Cai-wen¹, HUANG Dian-yuan¹, LI Guang-yao²

 (1. Key Laboratory of Nonferrous Metal Materials Science and Engineering of Ministry of Education,
Central South University, Changsha 410083, China;

2. State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacture for Vehicle Body,
Hunan University, Changsha 410082, China)

Abstract: The forming properties of 5182 aluminium alloy sheet for automotive body were studied by warm deep drawing experiment with the drawing speed ranging from 0.1 mm/s to 1.5 mm/s, forming temperature from 303 K to  573 K, blank holder force from 2.0 N/mm² to 3.5 N/mm². The results show that the limiting drawing ratio (L_DR) does not increase with the forming temperature monotonously and L_DR decreases while the forming temperature increases after it gets to the maximum value 2.5 at 523 K. L_DR increases with the increase of blank holder force when the blank holder force is below 3.0 N/mm² and the L_DR value decreases rapidly when the blank holder force is higher than 3.0 N/mm². The forming properties of 5182 aluminium alloy sheet are better when the drawing speed is lower than 0.5 mm/s.

Key words: 5182 aluminum alloy; warm deep drawing; forming property; limiting drawing ratio

随着汽车产业的迅速发展，环境污染和能源短缺两大社会问题日益突出，各国政府均要求汽车制造厂商降低其产品的能耗，提高燃料的经济性，减少污   染^[1-2]。当前，使用轻量化材料无疑是改善汽车性能的最佳途径。在众多的汽车轻量化材料中，铝合金由于其密度低、强度高及良好的回收再生性等一系列的优点而受到关注^[3-4]。当前，国内外对5182铝合金板在汽车车身覆盖件中的应用研究仍处于起步阶段^[5-6]。汽车用铝合金板的成形性能与传统的汽车用钢板相比有很大的差别，主要表现在铝合金板在室温条件下其成形性能较差，总伸长率小，且弹性系数仅为钢板的1/3，成形时易于产生金属流动不均，从而引发裂纹和起皱等缺陷^[7]。有关研究表明^[8-9]：5182铝合金板在温变形条件下其塑性会有较大提高，这就为工业化生产5000系铝合金车身覆盖件内板创造了条件。为此，本文作者采用差温拉深试验，研究不同变形条件下5182铝合金板的力学特性及成形性能，确定获得最佳成形性能的工艺条件，以期为开发汽车用5000系铝合金板的成形技术提供理论参考。

1  试验材料和方法

1.1  试验材料

本试验采用厚度为1.4 mm的5182铝合金冷轧板，合金化学成分(质量分数)见表1。板材的生产工艺流程为：熔炼→铸造→锯切→铣面→均匀化→热轧→冷轧(板厚1.4 mm)。

表1  5182铝合金化学成分

Table 1  Chemical compositions of 5182 aluminium alloy      %                                          

1.2  试验方法

研究表明^[10]：温成形时，冲头温度低于板料及凹模温度，进行差温成形，有利于提高成形的变形程度。差温拉深成形实验以Swift杯形件拉深试验^[11]为基础。图1所示为拉深试验装置简图。该试验是一种以求极限拉深比L_DR作为评定板材拉深性能的试验方法。试验时，采用不同直径的平板毛坯，测算出不发生破裂所能拉深成杯形件的最大毛坯直径D_max与凸模直径d_p之比，此比值称为极限拉深比。

在实验过程中，将板料涂抹好润滑剂后放置于凹模之上，并用压边圈压紧；板料的加热温度分别为303，373，448，523和573 K；以0.1，0.5和1.5 mm/s 3种不同的拉深速度进行拉深试验^[9]，并在试验过程中保持拉深速度不变，实验过程的拉深载荷-冲头行程曲线由实验机的绘图机构自动绘制。

图1  拉深试验装置示意图

Fig.1  Schematic diagram of drawing experiment equipment

2  结果与分析

2.1  温度对成形性能的影响

图2和图3所示分别为在拉深速率0.1 mm/s、压边力为3.0 N/mm²的条件下，加热温度为303，373，448，523和573 K时的极限拉深比(L_DR)曲线及其对应的拉深杯形件。从图2和图3可知：当加热温度为303~523 K时，随着温度升高，L_DR增大，在523 K时L_DR达到了最大值，为2.5；随着温度的继续升高，L_DR开始下降，当温度为543 K时，L_DR为2.45；温度为573 K时L_DR则下降到2.3。这说明在不同温度下，5182铝合金板的拉深特征为：极限拉深比并非随着成形温度的上升而单调增大；随着温度的升高，塑性变形能力增强，拉深性能明显改善，但合金的抗拉强度却逐渐降低。若板料的温度过高(超过523 K时)，由于凹模圆角处的危险截面抗拉强度降低，而且降低程度超过

图2  5182铝合金极限拉深比随着变形温度的变化

Fig.2  Variations of limiting drawing ratio of 5182 aluminium alloy with forming temperatures

变形温度/K: (a) 303; (b) 373; (c) 448; (d) 523; (e) 543; (f) 573

图3  不同变形温度下5182铝合金拉深杯形件

Fig.3  Drawing cup of 5182 aluminium alloy at various forming temperatures

2.2  压边力对成形性能的影响

压边力是板料成形中的重要工艺参数。若压边力过小，则无法有效地控制材料的流动，板料容易起  皱；若压边力过大，虽可避免起皱，但会导致拉裂趋势明显增加，同时模具和材料表面受损的可能性也相应增大，这会降低模具的寿命和拉深成形制品的质  量^[14-16]。本实验中采用恒定压边力的设置方式(将压边力设置为抑制板料起皱的临界值并在拉深过程中保持不变)对5182铝合金板材进行拉深。实验中，压边力分别设定为2.0，2.3，2.5，2.8，3.0，3.3和3.5 N/mm²，成形温度为523 K，拉深速度为0.1 mm/s。

5182铝合金的极限拉伸比L_DR随着压边力的变化曲线如图4所示。由图4可以看出：随着压边力的增大，5182铝合金的极限拉深比逐渐增大，这主要是由于压边力的增大可以加大拉深件的减薄率；当压边力达到3.0 N/mm²左右时，材料的极限拉深比最大；继续增加压边力，则极限拉深比下降。这是由于压边力过大造成5182铝合金拉深件危险断面发生过度减薄，等效应力超过抗拉强度而发生拉裂缺陷。

图4  523 K时5182铝合金极限拉深比随着
压边力的变化

Fig.4  Variations of limiting drawing ratio of 5182 aluminium alloy on different blank holder forces at 523 K

2.3  拉深速度对成形性能的影响

为了确定较佳的拉深速度，在板料温度为523 K、压边力为3.0 N/mm²的条件下，分别采用3种拉深速度0.1，0.5和1.5 mm/s对5182铝合金板料进行拉深试验。不同拉深速度下的拉深载荷-冲头行程曲线如图5所示。从图5可以看出：拉深速度从0.1 mm/s增加到0.5 mm/s时，拉深载荷略有增大；当拉深速度增至1.5 mm/s时，拉深载荷迅速增大，导致板料拉深很浅时就在凸模圆角处被拉断，如图6所示。这是因为拉深速度增加使凸缘的增厚加快，拉深过程继续进行所需的拉深力迅速增大，直至超出凸模圆角处金属材料的承受能力，造成该处金属过早发生局部流动而失稳断裂；另外，在加热条件下拉深成形时，增加变形速度将使5182铝合金的动态回复和动态再结晶受到限制^[17]，应变硬化得不到充分松弛，使得合金塑性明显下降，拉深变形抗力显著增加，造成材料在凸模圆角处断裂。

拉深速度/(mm?s^-1)：1—1.5; 2—0.5; 3—0.1

图5  523 K时不同拉深速度下的拉深载荷-冲头行程曲线

Fig.5  Punch stroke-punch load curves at different drawing speeds at 523 K

图6  温度为523 K、拉深速度为1.5 mm/s时的断裂形貌

Fig.6  Fracture morphology at drawing speed of 1.5 mm/s and at 523 K

3  结论

(1) 5182铝合金的极限拉深比L_DR并不会随着板料温度的升高而单调增加，在523 K时达到最大值2.5，之后随着温度的继续升高，极限拉深比反而下降。

(2) 当压边力由2.0 N/mm²增加到3.0 N/mm²时，5182铝合金的极限拉深比L_DR逐渐增大，并在压边力为3.0 N/mm²时达到最大值2.5；但当压边力超过3.0 N/mm²时，L_DR迅速减小。

(3) 当拉深速度低于0.5 mm/s时，可以进行良好的拉深，获得较高的L_DR；当拉深速度达到1.5 mm/s，板料在凸模圆角处被拉断。

参考文献：

[1] Miller W S, Zhuang L, Bottema J. Recent development in aluminium alloys for the automotive industry[J]. Materials Science and Engineering A, 2000, 280(1): 37-49.

[2] 王孟君, 黄电源, 姜海涛. 汽车用铝合金的研究进展[J]. 金属热处理, 2006, 31(9): 34-38.
WANG Meng-jun, HUANG Dian-yuan, JIANG Hai-tao. Research progress of aluminium alloys for the automotive industry[J]. Heat Treatment of Metals, 2006, 31(9): 34-38.

[3] Nargess S. Lightening the material[J]. Automotive Engineering, 2003, 31(9): 70.

[4] 肖永清. 铝合金是现代汽车轻量化的首选材料[J]. 铝加工, 2005(5): 36-39.
XIAO Yong-qing. Aluminum alloy-the optimum material for modern light weight automobile[J]. Aluminium Fabrication, 2005(5): 36-39.

[5] Lord J. A materials odyssey[J]. Automotive Industries, 2001, 28(10): 83-89.

[6] 鲁晓楠, 郑德荣. 现代汽车车身冲压成形新技术[J]. 锻压装备与制造技术, 2008(4): 11-13.
LU Xiao-nan, ZHENG De-rong. New stamping techniques for auto body[J]. China Metal Forming Equipment & Manufacturing Technology, 2008(4): 11-13.

[7] 张宝红, 张治民. 温成形杯形件组织性能研究[J]. 材料科学与工艺, 2007, 15(1): 118-120.
ZHANG Bao-hong, ZHANG Zhi-min. Microstructure and property of warm formed cup[J]. Materials Science and Technology, 2007, 15(1): 118-120.

[8] Palumbo G, Tricarico L. Numerical and experimental investigations on the warm deep drawing process of circular aluminum alloy specimens[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2007, 184(1/3): 115-123.

[9] 王孟君, 任杰. 汽车用5182铝合金板材的温拉伸流变行为[J]. 中国有色金属学报, 2008, 18(11): 1958-1963.
WANG Meng-jun, REN Jie. Flow behavior of 5182 aluminum alloy for automotive body sheet during warn tensile deformation[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2008, 18(11): 1958-1963.

[10] 李秀华, 张凌云. LY6板材成形性能的试验形究[J]. 沈阳航空工业学院学报, 2002, 19(3): 15-16.
LI Xiu-hua, ZHANG Ling-yun. Experimental investigation of metal sheet forming properties[J]. Journal of Shenyang Institute of Aeronautical Engineering, 2002, 19(3): 15-16.

[11] Naka T, Yoshida F. Deep drawability of type 5083 aluminium- magnesium alloy sheet under various conditions of temperature and forming speed[J]. Journal of Materials Processing Technology, 1999, 89/90: 19-23.

[12] Keigler M, Herbert B. Enhancing the formability of aluminium components via temperature controlled hydroforming[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2005, 167(2/3): 363-370.

[13] Naka T, Torikai G. The effects of temperature and forming speed on the forming limit diagram for type 5083 aluminum- magnesium alloy sheet[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2001, 113(1/3): 648-653.

[14] Demirci H I, Esner C, Yasar M. Effect of the blank holder force on drawing of aluminum alloy square cup: Theoretical and experimental investigation[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2008, 206(1/3): 152-160.

[15] 孙成智, 罗思东. 变压边力对铝合金板冲压成形的影响研究[J]. 塑性工程学报, 2005, 12(3): 41-45.
SUN Cheng-zhi, LUO Si-dong. Mechanism investigation of variable blank-holder forces improving the formability of aluminum alloy sheets during sheet metal forming[J]. Journal of Plasticity Engineering, 2005, 12(3): 41-45.

[16] 刘念聪, 方方. 板料拉深成形中的压边力控制技术分析[J]. 煤矿机械, 2008, 29(10): 87-89.
LIU Nian-cong, FANG Fang. Analysis on blank holding force control technology in drawing of sheet metal[J]. Coal Mine Machinery, 2008, 29(10): 87-89.

[17] 林均品, 程荆卫. Al-2Mg合金的动态再结晶[J]. 中国有色金属学报, 1999, 9(3): 510-514.
LIN Jun-pin, CHENG Jing-wei. Dynamic recrystallization during hot torsion of Al-2Mg alloy[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 1999, 9(3): 510-514.

收稿日期：2009-05-06；修回日期：2009-07-04

基金项目：汽车车身先进设计制造国家重点实验室开放基金资助项目(30815009)；中南大学2009年度米塔尔学生创新项目资助(09MX22)

通信作者：王孟君(1965-)，男，湖南长沙人，博士，教授，从事有色金属材料成形及模具研究；电话：0731-88836408；E-mail: wmj1965@yahoo.com.cn

(编辑 陈爱华)