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隨著汽車工業(yè)的高速發(fā)展及人類環(huán)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(fā)展。鋁合金具有比強度高、抗腐蝕性好等優(yōu)點，在保證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(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，對汽車用鋁合金板的圓筒件拉深過程進行數(shù)值模擬，并通過實驗設(shè)計方法，探討溫度分布對鋁合金板拉深性能的影響規(guī)律，為差溫拉深中溫度場設(shè)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(jié)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(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。

2、研究方法

本研究中，工具被劃分為3個溫度區(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)域相互獨立；同時，為設(shè)置板坯的初始溫度，認為其整體為溫度區(qū)域D，溫度場設(shè)置為常溫狀態(tài)（25℃）和加熱狀態(tài)（250℃）2種檔次。

應(yīng)用實驗設(shè)計方法——部分因子分析法進行方案設(shè)計，試驗因子為圖1中的4個溫度區(qū)域A——D，水平為25℃和250℃。表1試驗方案，共需要8組模擬計算。

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(shè)板料厚度減薄率達到30％時，認為失效發(fā)生，此時的凸模行程為臨界凸模行程CPS。

3、結(jié)果與分析

在ABAQUS上運行表1中的試驗No.1—No.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(jīng)過實驗設(shè)計的統(tǒng)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。對拉深性能影響最大的因子是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(jié)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。

從表2分析結(jié)果可以看出，最佳的溫度分布是，只需法蘭處加熱到250℃，其拉深能力最好。在這一條件下，模擬了其拉深過程，計算結(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)過壓縮變形后，再進入凹模型腔，這時由變形區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)閭髁�區(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，板料具有高的抗拉強度，增強側(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，板坯從高溫法蘭區(qū)流出后，經(jīng)凹模圓角時會降低其溫度，進一步增強了側(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最佳工藝方法。

（a）在凸模圓角附近破裂

（b）在凹模圓角附近破裂

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，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觀察是一致的。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(nèi)流出，其處于高溫狀態(tài)，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最弱，致使破裂發(fā)生在此處。

4、結(jié)論

運用熱力耦合有限元方法和試驗設(shè)計方法，實現(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最利于發(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。