基于杯突试验的铝合金板材温成形性能分析 sup ① _sup _陈丰杨.pdf

基于杯突试验的铝合金板材温成形性能分析 ① 陈丰杨， 王孟君， 缪 骁 （中南大学 材料科学与工程学院，湖南 长沙 410083） 摘 要 采用杯突胀形试验，对 5754 铝合金板材进行了温成形试验，研究了成形温度、冲头速度和压边力对板材温成形性能的影 响，并通过扫描电子显微镜观察了不同成形温度下的断口形貌。 试验结果表明，随着成形温度升高，板材的成形质量越好；冲头速 度越高，板材所受的最大载荷力越大，成形质量越差；压边力在 10～20 kN 范围内对板材的成形影响较小。 关键词 5754 铝合金； 杯突试验； 温成形； 断口形貌 中图分类号 TG386.3文献标识码 Adoi10.3969/ j.issn.0253-6099.2019.01.031 文章编号 0253-6099（2019）01-0122-03 Analysis of Warm ing of Aluminum Alloy Sheets Based on Cupping Test CHEN Feng-yang， WANG Meng-jun， MIAO Xiao （School of Materials Science and Engineering， Central South University， Changsha 410083， Hunan， China） Abstract A cupping test was adopted to investigate effects of ing temperature， punch speed and blank holder force on the warm ing properties of 5754 aluminum alloy sheet. And fracture morphology at different ing temperatures was analyzed with scanning electron microscopy. The results showed that the ing quality was improved with an increase in ing temperatures. The higher the punching speed， the greater the max load force rted on the plates and the worse the ing quality. And the blank holder force within a range of 10～20 kN brought less influence on the ing of the plate. Key words 5754 aluminum alloy； cupping test； warm ing； fracture morphology 近年来，随着国内外汽车工业的发展，对节能减排 的要求也在不断提高［1］。 目前，实现汽车轻量化是节 约能源和保护环境的主要手段之一，而铝合金因具有 质量轻、刚强比高、加工性能优良以及抗冲击能力强等 优点，正逐渐受到汽车厂商青睐［2-3］。 然而在室温下 铝合金冲压成形性能不佳，表面容易出现起皱、开裂等 缺陷，限制了其在实际生产中的应用［4-5］。 为了提高 铝合金成形性能，国内外开始研究铝合金的温成形技 术，并且取得了较大进展。 研究表明，在温热条件下， 铝合金的成形性能较好，延伸率有所提升，材料的塑性 得到改善［6-7］。 本文以汽车轻量化覆盖件材料 5754 铝合金板材 为研究对象，通过杯突胀形试验，研究了不同成形温度 下板材的成形性能、冲头速度及压边力对其成形高度 的影响，以期对未来铝合金板材的温成形研究提供理 论参考。 1 试 验 1.1 试验材料 试验所用材料为 5754 铝合金板材，厚度 0.8 mm， 其化学成分如表 1 所示。 表 1 5754 铝合金板材化学成分分析结果（质量分数） / SiCuMnFeZn 0.400.100.200.400.20 NiTiCrMgAl 0.030.030.302.60～3.60余量 1.2 试验方法及设备 试验模具按照国标 GB/ T41562007［8］制造，图 1 为模具 示 意 简 图。 将 板 材 按 照 国 标 GB/ T4156 2007［8］加工成直径 90 mm 的圆片，洗净表面油污并用 ①收稿日期 2018-08-23 基金项目 中南大学中央高校基本科研业务费专项资助（2282016zzts262）；国家自然科学基金（51474240） 作者简介 陈丰杨（1995-），男，江西景德镇人，硕士研究生，主要研究方向为铝合金材料加工。 第 39 卷第 1 期 2019 年 02 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.39 №1 February 2019 ChaoXing 砂纸打磨光亮，将二硫化钼高温润滑剂均匀涂抹在试 样表面，再放入试验机进行成形。 试验前先将板材准 确对中，用压边圈压紧，将凸模涂抹少量润滑剂，调节 成形温度、冲头速度、压边力，系统自动将样品加热至 指定温度，保温至温度稳定后开始成形，成形过程中， 计算机会自动记录冲头进程与载荷力曲线，当冲头与 板材未接触时，载荷力为 0，随着冲头开始接触板材， 载荷力不断增大，当板材破裂的一瞬间，载荷瞬间降 低。 通过采集载荷力变化所对应的冲头位移，可得出 试验的杯突值。 凹模 板料 压边圈 冲头 2020 Φ 27 Φ55 R10 图 1 杯突装置模具示意 试验所用设备为北京航空航天大学自主研发的 BCS-50AR 通用板材热成形试验机，是检测金属板材 高温下塑性成形性能的专业设备，能够在封闭炉腔内 实现板材和模具的一体式加热，温度准确，避免了热量 的损失。 同时采取抽真空保护措施，避免金属表面发 生氧化。 2 试验结果及讨论 2.1 温度对成形性能的影响 成形温度对板材的性能影响较大，常温下 5754 铝 合金板材的塑性较差。 冲压速度 10 mm/ min、成形压 边力 15 kN，不同温度下板材成形性能和成形试样图 分别见图 2 和图 3。 由图 2 和图 3 可以看出，成形温度 为室温时，铝合金成形性能较差，成形高度为 5.32 mm， 温度/℃ ■ ■ ■ ■ 10 9 8 7 6 5 4 500100150200250 成形高度/mm 图 2 不同温度下板材的成形性能 图 3 不同温度下的板料成形图 （a） 25 ℃； （b） 100 ℃； （c） 175 ℃； （d） 250 ℃ 随着温度不断升高，铝合金板料的杯突高度逐步提高， 250 ℃时，杯突高度为 8.63 mm。 将板材裂纹处切开，通过扫描电镜观察断口形貌， 结果见图 4。 从图 4 可以看出，25 ℃时，试样断口上存 在较多凹坑，韧窝数量较少，深度较浅，说明材料的塑 性较差，变形不够充分，断裂方式多为沿晶断裂。 而且 韧窝附近存在大量因位错剧烈运动而形成的小孔洞， 使得材料塑性进一步降低，容易发生失稳而断裂。 随 着温度上升，100 ℃ 和 175 ℃ 时，韧窝的开口变大，数 量和深度都有所提升，孔洞等微观缺陷减少。 这是由 于在温成形过程中，存在动态再结晶，晶界的移动以及 晶粒的变形有效遏制了裂纹和孔洞的生长，因而材料 图 4 变形温度对 5754 铝合金断口形貌的影响 （a） 25 ℃； （b） 100 ℃； （c） 175 ℃； （d） 250 ℃ 321第 1 期陈丰杨等 基于杯突试验的铝合金板材温成形性能分析 ChaoXing 的成形性能得以提升［9］。 当温度上升到 250 ℃时，试 样断口分布着大量韧窝，且数量更多，深度更深，可以 看出试样在断裂前发生了较大程度的塑性变形，此时 断裂方式多为穿晶断裂。 由此可见，随着温度上升， 5754 铝合金板材的塑性成形性能不断提升。 2.2 冲头速度对成形性能的影响 压边力 15 kN、成形温度 175 ℃时，不同冲头速度 下的成形结果见图 5。 从图 5 可以看出，当冲头速度为 5 mm/ min 时，板材成形高度最大为 7.55 mm，所受的最 大载荷力最小，为 6.42 kN；随着冲头速度增加，试样的 成形高度不断降低，受到的最大载荷力却不断增大。 当 冲头速度为 20 mm/ min 时，成形高度为 5.78 mm，而最 大载荷力达到了 9.13 kN。 冲头速度/（mm min-1） ■ 10 9 8 7 6 5 4 10 9 8 7 6 5 4 5101520 成形高度/mm 载荷力/kN ● ■ ● ■ ● ■ ● 图 5 不同冲头速度下的成形结果 不同成形速度下的板料成形件如图 6 所示。 从图 6 可看出，板材破裂的位置随着冲头速度变化而变化。 当冲头速度为 5 mm/ min 时，板材破裂的位置接近顶 图 6 不同冲头速度下的板料成形件 （a） 5 mm/ min； （b） 10 mm/ min； （c） 15 mm/ min； （d） 20 mm/ min 部，随着冲头速度增大，破裂位置不断下移，当冲头速 度为 20 mm/ min 时，破裂位置为板材侧壁，同时成形 高度也不断降低。 随着冲头速度增大，最大载荷力也 随之增加。 因为材料的变形速度较大时，单位时间内 参加变形的晶粒数目增多，变形力因此增大，另外较大 的变形速度使温成形过程中动态再结晶和动态恢复不 能完全进行，材料的内应力不能及时释放，因而变形抗 力增加［10］。 2.3 压边力对成形性能的影响 压边力在板材成形过程中有着重要作用，它能够 控制金属的流动。 冲头速度 10 mm/ min、成形温度 175 ℃，压边力对成形性能的影响如图 7 所示。 结果 表明，在 10～20 kN 范围内，板材的成形高度没有很大 的变化，金属几乎没有发生流动，说明压边力对板材的 成形性能影响较小。 压边力/kN ■ ■■■ ■■ 10 8 6 4 5 0 101214161820 成形高度/mm 图 7 不同压边力下的成形高度 3 结 论 1） 温度对 5754 铝合金板材成形性能影响较大， 当成形温度为 25 ℃ 时，试样成形高度仅为 5.32 mm， 当温度上升到 250 ℃时，成形高度变为 8.63 mm，可见 随着温度升高，板材的成形质量越好。 2） 冲头速度对成形性能也有较大影响，当冲头速 度为 5 mm/ min 时，试样成形高度为 7.55 mm，最大载 荷力为6.42 kN，当冲头速度为20 mm/ min 时，成形高度 为 5.78 mm，最大载荷力达到了9.13 kN。 可见冲头速度 越高，板材所受的最大载荷力越大，成形质量越差。 3） 在 10～20 kN 范围内，压边力对板材的成形影 响较小。 参考文献 ［1］ 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. ［2］ 罗兵辉，柏振海，周 华，等. 几种铸造铝合金的铸造性能、力学性 能及耐蚀性［J］. 矿冶工程， 2001，21（2）67-68. （下转第 131 页） 421矿 冶 工 程第 39 卷 ChaoXing 3 结 论 1） 首次提出了利用淬火分离正极粉末和铝集流 体的方法。 通过试验论证，最优试验验条件下铝集流 体中残余镍、钴含量分别为 0.91％和0.43％，铝直收率 为 98.23％。 2） 此工艺方法流程短、成本低，很好地解决了废 旧锂电池正极片中正极粉末和铝集流体分离不彻底的 问题，具有很大的工业应用前景。 参考文献 ［1］ 卢毅屏，夏自发，冯其明，等. 废锂离子电池中集流体与活性物质 的分离［J］. 中国有色金属学报， 2007，17（6）997-1001. ［2］ 吕小三，雷立旭，余小文，等. 一种废旧锂离子电池成分分离的方 法［J］. 电池， 2007，37（1）79-80. ［3］ 孙中仁，李长林，丁 雪，等. 大型铸、锻钢件的间歇水冷淬火［J］. 金属热处理， 2004，29（6）62-64. ［4］ 张德恩，卢锦德，张晓燕. 热处理工艺对新型高强度铸造铝合金力 学性能的影响［J］. 热加工工艺， 2009，38（4）93-94. ［5］ 熊银宝，李成学，吴云坤，等. 冰铜淬火系统的生产实践［J］. 中国 有色冶金， 2016，45（2）17-20. ［6］ 宋述稳，陈 勇. 利用热胀冷缩修复铝合金零件［J］. 机械制造， 2003，41（10）54-55. ［7］ 黄树海，赵祖德，肖远伦，等. 冷热循环对铝合金锥形件淬火残余应 力和加工变形的影响［J］. 机械工程学报， 2010，46（14）73-78. 引用本文 李 强，陈若葵，唐红辉，等. 淬火法分离正极粉末和铝集流 体的研究［J］. 矿冶工程， 2019，39（1）128-131. （上接第 124 页） ［3］ Heinz A， Haszler A， Keidel C， et al. 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