中国有色金属学报 2004,(10),1689-1693 DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2004.10.012

汽车用铝合金板拉深性能评估参数

于忠奇 赵亦希 林忠钦

上海交通大学机械与动力工程学院,上海交通大学机械与动力工程学院,上海交通大学机械与动力工程学院 上海200030 ,上海200030 ,上海200030

摘 要：

为了准确地评估汽车用铝合金板的拉深性能,在单向拉伸试验、平面应变拉伸试验和圆筒件拉深试验获得的样本基础上,采用回归分析方法,全面地分析了汽车用铝合金板各种材料性能参数与其拉深性能之间的对应关系。研究表明:在所给出的材料性能参数中,xb值(平面应变抗拉强度与单向抗拉强度之比)对极限凸模行程的相关性最为显著,其次是硬化指数n及宽度颈缩率ψ等参数,而厚向异性系数r与铝合金的拉深性能并不相关。上述结果表明,在评估汽车用铝合金板的拉深性能时,使用xb值为评价指标最为准确。

关键词：

铝合金板;拉深性能;评价指标;回归分析;

中图分类号： TG389

作者简介：于忠奇(1973),男,博士.,博士;电话:02162932660 111;E mail:yuzhq@sjtu.edu.cn;

收稿日期：2004-02-11

基金：国家杰出青年基金资助项目(50225520);美国通用汽车R＆D资助项目(2003);

Evaluation parameter of drawability of automotive aluminum alloy sheets

Abstract：

In order to exactly evaluate drawability of automotive aluminum alloy sheets, the correlation between material properties and formability of automotive aluminium alloy sheets, based on the sample data obtained from uniaxial tension, plane strain tension and cylindrical deep drawing tests, is analyzed by means of regression analysis method. Investigation shows that correlation of the value x_b, namely the ratio of the tensile strength in plane strain tension and uniaxial tension tests, is the most remarkable among all the given material parameters, and that of the hardening exponent n and the width necking percentage ψ is less than that of the x_b, but the anisotropical coefficient r doesn't have correlation. The results above indicate that it is much more exact to evaluate drawability of automotive aluminium alloy sheets by means of the values of x_b.

Keyword：

aluminium alloy sheet; drawability; evaluation parameter; regression analysis;

Received： 2004-02-11

近20年来, 世界性的能源危机和环境污染问题越来越受到人们关注, 减轻汽车自身质量, 降低油耗, 降低排放成为各大汽车生产厂商提高竞争力的关键。 减小汽车质量的主要途径就是使用轻量化的材料。 与汽车用钢板相比, 铝合金板具有密度小、 强度高、 耐锈蚀等优点, 已成为汽车轻量化技术中替代钢板的主要材料 ^[1,2,3,4] 。 尽管铝合金板在车身上的使用量逐年增加, 为汽车轻量化做出了巨大的贡献, 但在冲压成形方面, 铝合金板的某些特性又不完全与钢板相同, 无法借鉴钢板成形方面的经验, 需要找到适合铝合金自身特点的成形方法和规律。

板材成形性能是指板材对冲压加工的适应能力 ^[5] 。 目前, 人们已经清楚地认识到, 板材成形性能和材料性能参数之间存在着相关性, 而且这种相关性一旦被确定, 一种材料只需通过简单的拉伸试验所得到的结果, 就可以准确地评价板材成形性能。 所以, 各国学者都在努力地寻找二者之间的对应关系。 对传统汽车用钢板来说, 硬化指数n值越大, 胀形性能越好, 厚向异性系数r值越大, 拉深性能越好 ^[6] 。 而铝合金与钢在变形性能上有很大差异, 铝合金成形时, 很多情况下是不能套用钢的变形规律的 ^{[7,8,9,10,11,12,13,14]} 。 Kurosaki认为铝合金板的总延伸率与极限拉深比是相关的 ^[9] ; Hayashi指出, 在n值和r值之间, n值与铝合金极限拉深比的相关性更大 ^[3] 。 李春峰 ^[10] 在研究不同金属板的r值、 x_b值(平面应变抗拉强度与单向抗拉强度之比)与极限拉深比关系时指出, 对有色金属而言, x_b值与极限拉深比是相关的, 但研究材料并没有涉及铝合金板。 Wan等 ^[11] 建立了不同形状的拉伸试样与成形性能的评价系统, 认为带孔拉伸试样的局部延伸率与极限拉深比是相关的。 这些学者从不同的角度研究了材料性能参数与拉深性能之间的对应关系, 但这些研究中涉及铝合金种类较少, 或者材料性能参数不全面。 随着铝合金在车身覆盖件上使用的增加, 系统地研究高强度铝合金板材料性能与其成形性能之间的对应关系, 对汽车覆盖件生产有着重要的意义。

本文作者在拉伸试验和圆筒形拉深试验获得的样本基础上, 通过回归分析方法, 较全面地分析了汽车用铝合金板材料性能参数和拉深性能之间的对应关系, 从而建立评估铝合金板拉深性能的评价指标, 为冲压加工中合理选材和预测成形性提供可靠的依据。

1 实验

1.1 材料与试验

车身覆盖件用的铝合金板材料主要是5XXX和6XXX系列, 前者主要用于加工内覆盖件, 后者主要用于外覆盖件。 本研究使用的铝合金板材料是6111-T4、 X611-T4、 5754-O和5052-O, 初始厚度分别为1.25、 1.25、 1.5和1.6 mm。

材料性能从单向拉伸试验中获得, 并取与轧制方向成0°、 45°、 90° 3个方向的试样进行拉伸实验。 单向拉伸试验按照标准GB/T228—2002进行。 表1是单向拉伸试验获得的性能参数, 是上述三个方向上的平均值。 与此同时, 为了计算x_b值, 按图1的尺寸制作了平面应变拉伸试样, 其他与单向拉伸试验的相同。 将平面应变拉伸试验获得的抗拉强度σ_b-p与单向拉伸试验的抗拉强度σ_b-u相除, 则获得x_b值, 即

图1 平面应变拉伸试样尺寸

Fig.1 Plane strain tension specimen size

表1 铝合金单向拉伸性能

Table 1 Uni-axial tension properties of aluminum alloys

Material	σs/MPa	σb/MPa	n	$$\stackrel{?}{r}$$	δ/%
X611-T4	117	218	0.23	0.62	24.2
6111-T4	141	256	0.25	0.65	26.2
5754-O	103	230	0.31	0.71	27.1
5052-O	146	234	0.21	0.63	21.9

x_b=σ_b-p/σ_b-u (1)

拉深性能用圆筒件拉深试验的极限凸模行程来表示。 极限凸模行程定义为拉深过程中成形件出现拉裂时的凸模行程, 即图2中的s值。 每种材料进行3次相同的试验。 对于每种材料, 找出裂纹发生方位相近的试件, 并计算它们极限凸模行程的平均值。 拉深试验模具的几何尺寸为: 凸模直径d100 mm, 凹模腔直径d104 mm, 凸模和凹模的圆角半径分别为R10 mm, 如图2所示。 拉深试验中, 板料初始直径为d200 mm; 恒定压边力取98 kN; 采用专用拉延油进行润滑。 临界凸模行程由液压机上的位移标尺读出。

1.2 评价方法

图2 拉深模具示意图

Fig.2 Schematic diagram of deep drawing tools

1—Punch; 2—Blank; 3—Blank-holder; 4—Die

影响板材成形性能的因素较多。 为在众多的材料性能参数中, 找到与成形性能最为相关的影响因素, 采用数理统计方法, 对获得的样本进行一元线性回归分析。 处理中, 使用公式(2)分别计算各个参数的相关系数r_c, 且当|r_c|≥r_0.01时, 表示线性关系是高度显著的; 当r_0.01>|r_c|≥r_0.05时, 表示线性关系是显著的, 而当|r_c|<r_0.05时, 表示没有明显的线性关系 ^[15] , 即不相关。

$r{}_{\text{c}}=\frac{{\displaystyle \underset{i}{\sum }(}x{}_i-\stackrel{?}{x})(y{}_i-\stackrel{?}{y})}{\sqrt{{\displaystyle \underset{i}{\sum }(}x{}_i-\stackrel{?}{x})}\sqrt{{\displaystyle \underset{i}{\sum }(}y{}_i-\stackrel{?}{y})}}\text{?}\text{?}\text{?}(2)$

式中 x_i为材料性能参数, $\stackrel{?}{x}$ 为所有材料参数的均值; y_i为极限凸模行程, $\stackrel{?}{y}$ 为所有极限凸模行程的均值。

在相关系数的显著性水平基础上, 获得最佳的材料性能参数与成形性能之间的对应关系, 从而确定铝合金板拉深性能的评价指标。

2 结果与讨论

图3所示是材料性能与极限凸模行程之间的散点图。 本研究中, 只有6111板在拉深时破裂发生的方位出现在2个不同的方向上。 在图3中, 横坐标是极限凸模行程, 而纵坐标分别是与裂纹方位相近方向上的材料性能: 屈服强度、 抗拉强度、 屈强比、 n值、 r值、 板平面内方向性Δr、 总延伸率δ、 宽度缩颈率ψ及x_b值。 其中ψ值为

$\psi =\frac{b{}_0-b}{b{}_0}\times 100\%\text{?}\text{?}\text{?}(3)$

式中 b₀为单向拉伸试样原始宽度; b为试样拉断后, 断裂处的最小宽度。

上述参数比较全面地考察了材料性能与极限胀形高度之间的关系。 从图3中不难看出, 屈强比值、 n值, δ值, ψ值及x_b值与极限凸模行程有着较好的线性关系。

为准确地描述材料性能与极限凸模行程之间线性关系的密切程度, 使用式(2)计算了材料性能的r_c值, 并给出了显著性水平, 其结果如表2所示。 从表2中可以看出, 在这9个参数中, x_b值对极限凸模行程具有高度显著的线性关系, 其次为ψ值, n值, δ值和屈强比; 而r值对拉深性能却无相关性。 这与r值对钢板的拉深性能是相关的结论是不一致的。

在圆筒件拉深时, 其成形能力主要取决于凸模圆角处危险断面的承载能力。 因此, 提高此危险处的抗拉强度, 或者降低法兰变形区的变形抗力, 都可以改善其拉深性能。 x_b值反映了不同应力状态下抗拉强度之比, 式(1)中σ_b-p值对应的应力状态与危险断面处的应力状态是相同的。 x_b值越大, 说明拉深成形时工件侧壁的承载能力越大, 极限凸模行程也就越大。 所以说, x_b值客观地反映了拉深成形的变形能力。 这也是表2中x_b值与极限凸模行程高度相关的原因。 除此以外, 单向拉伸性能参数n值、 ψ值、 δ值和屈强比也都与极限凸模行程有相关性。 ψ值与δ值都是材料的塑性指标, 前者主要用于评价压缩变形方式的成形性能, 而后者主要用于拉伸变形方式中。 从表2中可以看出, ψ值与拉深性能有更好的相关性; 同时也可以进一步证实, 对于铝合金板, n值比r值更能真实地反映其拉深性能。

表2 材料性能的相关系数

Table 2 Correlation coefficient of material properties

Material parameter	|rc|	Degree of correlation
σs	0.844	-
σb	0.166	-
σs/σb	0.967	+
n	0.981	+
r	0.871	-
Δr	0.713	-
δ	0.978	+
ψ	0.983	+
xb	0.995	++

++—Most remarkable correlation;+—Remarkable correlation; -—No correlation

由于计算x_b值时, 需要2种应力状态下的试验才能获得。 而实际中, 材料性能参数一般是从单向拉伸试验中获得的。 若用x_b值来评价拉深性能时, 需要附加平面应变拉伸试验。 为此, 只从单向拉伸试验角度出发, 可以使用ψ值或n值评价铝合金板拉深性能的好坏,而用r值评价其性能是不合适的。

3 结论

在有效的试验样本基础上, 采用一元线性回归分析方法, 确定了汽车用铝合金板拉深性能的评价指标, 即可以使用x_b值准确地评价铝合金板拉深性能; 在简单的单向拉伸性能参数中, 可以使用ψ值或n值对汽车用铝合金板拉深性能进行评价, 而用r值是不合适的。 这为汽车用铝合金板冲压加工的合理选材和预测成形性提供可靠的依据。

图3 材料性能与极限凸模行程的关系图

Fig.3 Correlation between materials properties and limit punch stroke

(a)—σ_s;(b)—σ_b;(c)—σ_s/σ_b;(d)—n;(e)—r;(f)—Δr;(g)—δ;(h)—ψ;(i)—x_b(●—6111-T4; ■, ▲—X611-T4, in direction of 90° and 0°, respectively;◆—5754-O; ▼—5052-O)

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