6061铝合金板材冲压成形性能研究
收稿日期 : 2008 - 12 - 28; 修订日期 : 2009 - 02 - 07
基金项目 : 天津市科技支撑计划项目 (07ZCKFGX02400)
作者简介 : 古丽 (1986 - ) , 女 , 天津理工大学材料科学与工程
学院硕士研究生。
6061铝合金板材冲压成形性能研究
古 丽 , 张 建 , 李云涛 , 毕大森 , 彭本栋
(天津理工大学 材料科学与工程学院 , 天津 300384)
摘 要 : 通过杯突试验和拉深试验研究了 6061铝合金板材的基本冲压性能 , 并以某汽车零件为
研究对象 , 通过有限元模拟和实物冲压 , 分析了铝合金板材的冲压成形性能。结果表明 , 6061铝合金
板材具有较小的杯突值 , 明显的凸耳现象 , 6061铝合金板材的冲压成形性能不佳 ; 然后利用有限元
模拟和实物冲压的对比试验 , 为铝合金板材的冲压成形工艺的制定提供参考依据。
关键词 : 铝合金板 ; 冲压成形 ; 有限元模拟 ; 杯突值
中图分类号 : TG386 文献标识码 : A 文章编号 : 1001 - 196X (2009) 02 - 0020 - 05
Research on the property of 6061 a lloy sheet draw ing
GU L i, ZHANG Jian, L I Yun2tao, B IDa2sen, PENG Ben2dong
( School ofMaterials Science and Engineering, Tianjin University of Technology, Tianjin 300384, China)
Abstract: The article investigated the basic stamp ing capability of 6061 alloy sheet concerning cupping test
value ( IE) , drawing capability etc. through cupping test and drawing test. Furthermore the stamp ing capabil2
ity of alloy sheet is analyzed by using finite element simulation and alloy stamping. The results show that 6061
alloy sheet that has obvious lug has less IE, and its form ing capability is poor. Finally, contrast testwas taken
between finite element simulation and alloy stamp ing, which can be used as reference for the stamp ing tech2
nique of alloy sheet.
Key words: alum inum alloy sheet; stamping; finite element simulation; IE
1 引言
世界汽车工业正面临越来越严峻的能源、环
境、安全三大问题。因此 , 减轻汽车自重以降低
能耗、减少污染、提高效率成为各大汽车厂提高
竞争力的重要措施。汽车轻量化已成为汽车发展
产业中的一项关键性研究课题 [ 1 ] 。目前汽车车
身轻量化的主要方法是采用轻型材料取代汽车钢
板 , 与汽车钢板相比 , 铝合金板材具有比重小、
强度高、耐锈蚀等一系列优点 , 能满足汽车轻量
化的要求 , 美国、欧洲和日本的汽车工业已经把
铝合金作为汽车轻量化技术中替代汽车钢板的主
要材料。
尽管铝合金板在车身上的使用量逐年增加 ,
但由于铝合金板材的冲压工艺研究还不成熟 , 缺
乏系统的冲压性能数据 , 严重阻碍了铝合金板材
塑性加工技术的发展及其在汽车车身上的应用。
为此 , 本文在 GBS - 60型数显半自动杯突试验
机上对 6061铝合金板材进行了杯突试验和拉深
试验 , 研究 6061铝合金板材的胀形性能和拉深
性能 , 并通过有限元模拟和实物冲压的对比试验
系统地研究 6061铝合金板材的成形性能 , 为制
定冲压成形工艺提供参考依据 , 具有重要的理论
和工程意义。
2 试验材料
试验材料选用厚度为 110 mm 的 6061铝合
金。6061铝合金属于 A l2Mg2Si2Cu系 , 是一种典
·02· 重 型 机 械 2009 No12
型的可变形热处理铝合金 , 具有良好的加工、焊
接、抗蚀性能 , 中等强度和良好的塑性 , 在热态
和冷态都易于加工成型 , 因而具有很好的综合性
能。常用于制造中等载荷零件、形状复杂锻件和
模锻件 , 在航空、船舶和汽车等领域有广泛的应
用 [ 2 ] 。其化学成分如表 1所示。
表 1 6061铝合金的化学成分 %
材料 Mg Si Cu Cr Fe Mn Zn Ti Al
6061 - T4 018～112 014～018 0115～014 0104～0135 017 0115 0125 0115 其余
3 冲压成形性能实验
311 杯突试验
杯突试验是重要的板材工艺性能试验之一 ,
融合了胀形和拉深的特点 , 试样所受的应力状态
和所产生的变形都与真实的冲压加工工艺相同。
利用杯突试验可以便捷准确的测定其成形质量。
所测量的 IE 值愈大 , 说明板材的冲压性能愈
好 [ 3 ] 。本试验在 GBS - 60型数显半自动杯突试
验机上进行。模具规格、试验条件、数据处理等
均分别按照国家标准 GB415 - 84规定要求进行。
杯突试样尺寸如图 1, 试验得到的试样如图 2所
示。杯突试验的结果如表 2所示。
表 2 杯突试验结果
材料 6061 - T4 冷轧钢板
IE 8112 1119[4 ]
从试验结果可以看出 , 6061铝合金板材的
杯突值比深冲钢板的低 , 说明 6061铝合金板材
的胀形性能比深冲钢板差。因为胀形时 , 变形区
的材料受双向拉应力的作用 , 其平均应力的数值
大 , 使破裂成为胀形的主要破坏方式 , 而且破裂
总是发生在材料厚度减薄最严重的区域。
312 拉深试验
本试验研究金属薄板拉深成形性能。圆形坯
料拉深成圆筒形零件时 , 拉深系数是用圆筒直径
d与板材坯料直径 D0 之比表示 , 即 m = d /D0 。
本试 验 压 边 力 为 5 000 N, 凸 模 直 径 为
32 mm, 凹 模 直 径 为 34 mm, 试 样 厚 度 为
110 mm。根据试验要求制造多组不同直径的坯
料 , 如图 3所示 , 试验条件按照国家标准进行 ,
拉伸试验结果如表 3所示。
图 3 拉深试样
表 3 拉深试验结果
试样直
径序号
试样直径
D /mm
破裂的试
样个数
未破裂的
试样个数
1 63175 6 0
2 6215 1 5
3 61125 0 6
拉深试验后得到的试样如图 4所示。
图 4 拉深试验结果
·12·2009 No12 重 型 机 械
6061铝合金板材的一次拉深的极限拉深比
LDR为 1195, 一次拉深的极限拉深系数为
m = dp / (D0 ) max = 01513
试验数据表明铝合金的拉深性能较差 , 同
时 , 拉深成形件的凸耳明显。对于试验中的破裂
试样 , 从图 4中可以明显看出其破裂发生在凸模
圆角处 , 拉深未完全。铝合金板材在拉深过程
中 , 由于凸模圆角处的材料一直承受筒壁传来的
拉应力 , 并且受到凸模的压力和弯曲作用。在
拉、压应力综合作用下 , 使这部分材料变薄严
重 , 最终产生破裂。
4 实物冲压及成形过程的数值模拟
与钢板相比 , 铝合金有其自身材料特性和成
形性。铝合金板材成形对零件外形设计和模具的
影响体现在铝的低应变率敏感性 , 它不能在那些
轮廓清晰的局部面积上剧烈变形 [ 6 ] 。因此本试
验以某形状简单 , 拉延深度较浅的内板件为研究
对象 , 该产品的形状如图 5所示。该产品用于冲
压成形分析具有良好的代表性。
图 5 冲压件的产品形状
就成形角度而言 , 该冲压件是拉延和反成形
凹槽组合的大型成形件。由于板料厚度小 , 冲压
成形后容易产生起皱 [ 7 ] 和破裂变形 , 造成形状
缺陷。根据模具设计准则 , 要保证充分的塑性变
形 , 通常需提高压边力 , 但压边力过大会使成形
过程中处于模具圆角处的金属不易流动 , 导致该
处冲压件容易被拉裂 , 对于铝合金板材来说 , 这
种状况更加突出。
411 有限元模型的建立
该汽车冲压件是以 UG平台进行建模 , 并以
IGES格式输出 , 在 Dynaform中以 IGES格式输
入 , 在 Dynaform 中对零件模型进行一定简化 ,
将模型的型面作为冲压模拟中的凹模 , 划分网
格 , 然后通过网格偏移生成凸模和压边圈的网格
模型。
在显式的板料成形有限元分析时 , 要采用虚
拟冲压速度。本例分析中的冲压速度为 5 m / s,
毛坯与模具各部件间的静摩擦因数为 01125, 接
触方式选用 FORM ING_ ONE_ WAY_ SURFACE
_ TO _ SURFACE。本例采用的是真实拉延筋。
模具为单动结构 , 成形过程分两个阶段 , 即合拢
阶段和冲压阶段。板料网格采用自适应网格 (A2
daptive Mesh)的网格划分方法 , 完成 CAE前处
理后的冲压件的有限元分析模型如图 6所示。从
上至下依次为凹模、板料、压边圈、凸模。冲压
方向垂直向下。凸模、凹模、压边圈及坯料划分
的单元、节点数目如表 4所示。
图 6 冲压件的有限元模型
11凹模 21坯料 31压边圈 41凸模
表 4 仿真分析的单元和节点划分情况
部件 节点数
单元数
四边形 三边形
凸模 17 187 14 866 4 417
凹模 23 414 20 170 5 746
压边圈 6 228 5 252 1 347
坯料 307 270 0
412 材料参数
仿真分析所用的材料为 6061 铝合金板材 ,
通过单向拉伸试验获得其基本力学性能参数 , 具
体参数见表 5。
表 5 6061铝合金性能参数
材料 料厚 /mm 屈服强度 σ012 /MPa 抗拉强度 σb /MPa δ/% 硬化指数 /n 厚向异性指数 r
6061 - T4 110 170 204 25 0122 015
·22· 重 型 机 械 2009 No12
413 模拟结果
计算机模拟的压边力为 MN。图 7为铝合金
冲压件的成形极限圈 , 图 7a为拉延到底的成形
极限图 , 图 7b为到底前 5 mm的成形极限图。
图 7 铝合金冲压件的成形极限图
( a) 拉延到底 ( b) 拉延到底前 5 mm
从图 7中可以看出 , 材料在凸模圆角和反成
形凹槽的圆角处出现了破裂。由于冲压件的真实
拉延筋和工艺型面是按照传统的钢板的成形理论
和工艺方法设计的 , 当将冲压件的材料更换为铝
合金板材后 , 由于铝合金材料本身的延展性比较
差 , 在拉压应力状态下变形区的材料减薄严重 ,
最终导致冲压过程中有破裂现象。
414 冲压件实物验证
如图 8所示该冲压件的模具由天津汽车模具
公司 提 供。这 套 模 具 成 形 所 用 的 材 料 是 钢
板 H340。
图 8 冲压模具
当压边力为 1MN 时得到的铝合金板材实物
如图 9所示 , 其中图 9a为拉延到底的实物图 ,
图 9b为拉延到底前 5 mm的实物图。
图 9 冲压件
( a) 拉延到底 ( b) 拉延到底前 5 mm
通过模拟结果与试验结果比较 , 可以发现传
统钢板的成形工艺不能直接用到铝合金板上 , 因
为铝合金板材成形对零件外形设计和模具的影响
体现在铝的低应变率敏感性 , 它在金属开始流动
时会引起高的应力 , 在深拉延时尤为突出 , 且铝
合金板材的最小弯曲半径大约是钢的 3倍 , 所以
铝合金的冲压工艺所需的模具的倒角半径应更
大 ; 同时要保证充分的塑性变形 , 通常也需适当
提高压边力 ; 而且我们还需要完善汽车用铝合金
板本身的冲压成形理论和技术。
5 结论
(1) 本文按照相关的国家标准进行试验 , 对
6061铝合金板材的冲压成形性能进行了比较全
面的测定 , 其杯突值比冷轧钢板小 , 拉深过程中
凸耳明显。总体而言 , 这些指标值的大小说明 ,
6061铝合金板的冲压成形性能差 , 难以完成复
杂形状产品成形。
(2) 6061铝合金板的冲压成形性能差 , 在
冲压成形中 , 特别是在拉深成形中需要对传统的
成形工艺进行改进来成形零件 , 如增大凹模的倒
角半径、增大压边力等。
参考文献 :
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·32·2009 No12 重 型 机 械
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北工业大学出版社 , 1995.
SBB: 中国占据全球 10大钢企半壁江山
据钢铁咨讯机构 SBB称 , 并购重组推动中国钢铁企业的钢产量排名不断攀升。宝钢收购广东钢
铁集团 , 钢产量因此增长近 24% , 世界排名从 2007年的第 5位上升至 2008年的第 3位 , 并且在生产
规模上有能力挑战世界排名第 2的日本新日铁公司。河北钢铁集团由邯钢和唐钢合并组建 , 总计钢产
量达到世界第 4位 ; 山东钢铁集团前身是济钢和莱钢 , 目前产量达到世界第 12位 ; 武钢收购柳钢 ,
世界排名从第 11位上升到第 7位。
虽然 2008年安赛乐米塔尔集团钢产量减少 11% , 但仍位居世界第 1位。日本 JFE钢铁公司钢产
量下降 217% , 排名也从第 3位滑落至第 6位 ; 韩国浦项钢铁公司排名与宝钢互换 , 下滑两位 , 降至
第 5位 ; 塔塔钢铁公司 (含康力斯公司 )排名从第 6位降至第 8位。
2008年进入全球 20大钢企业排行榜的其他钢铁公司排名基本没有变化。美国钢铁公司仍位居第
10, 盖尔道集团位居第 13。去年 4季度纽柯钢铁公司大幅度减产 , 导致排名下滑 3位 ; 意大利里瓦集
团和德国蒂森克虏伯钢铁公司各自排名均出现下滑 ; 俄罗斯谢维尔钢铁公司和耶弗拉兹集团排名均上
升 1位。印度钢铁管理局 2007年排名第 19位 , 但 2008年钢产量只有 1 370万 t, 已经跌出前 20位。
2008年全球 20大钢铁企业排名
公司 2007
排名 产量 /百万 t
2008
排名 产量 /百万 t
增减率 /%
安赛乐米塔尔 1 11614 1 10313 - 1113
新日铁 2 3513 2 3516 + 017
宝钢 5 2816 3 3514 + 2318
河北钢铁集团 - - 4 3313 -
浦项钢铁公司 4 3111 5 3311 + 614
JFE钢铁公司 3 3319 6 3310 - 217
武钢 11 2012 7 2717 + 37
塔塔钢铁公司 6 2615 8 2414 - 719
鞍本集团 7 2316 9 2314 - 1
沙钢 8 2219 10 2313 + 2
美国钢铁公司 10 2115 10 2313 + 813
山东钢铁集团 - - 12 2118 -
盖尔道集团 13 1719 13 1916 + 914
谢维尔钢铁公司 15 1713 14 1912 + 10
纽柯钢铁公司 12 2010 15 1815 - 714
耶弗拉兹集团 17 1615 16 1717 + 711
里瓦集团 14 1719 17 1712 - 319
蒂森克虏伯钢铁公司 16 1710 18 1610 - 519
马钢 18 1412 19 1510 + 6
住友金属工业公司 20 1315 20 1319 + 219
·42· 重 型 机 械 2009 No12
6061铝合金板材冲压成形性能研究.pdf
