隨著全球能源危機(jī)日益加劇，汽車輕量化已經(jīng)成為汽車行業(yè)發(fā)展的共同目標(biāo)和趨勢(shì)。相對(duì)于傳統(tǒng)鋼材而言，鋁合金材料有著質(zhì)輕、比強(qiáng)度高、耐腐蝕等一系列優(yōu)良性能。在兼顧汽車性能、質(zhì)量、強(qiáng)度、安全的同時(shí)，還能有效減輕汽車重量，是目前最佳的汽車輕量化材料，廣泛用于汽車行業(yè)。
沖壓成形工藝是生產(chǎn)鋁合金汽車零部件主要方法之一。由于汽車零部件結(jié)果復(fù)雜，在沖壓成形過(guò)程中，鋁合金板料處于大變形狀態(tài)，相對(duì)變形較大的區(qū)域容易產(chǎn)生拉裂、起皺、回彈等缺陷，造成鋁合金汽車零部件成形性能較差，成形精度難以控制。因此，研究汽車用鋁合金板材的沖壓成形工藝顯得尤為重要。
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及有限元理論的不斷發(fā)展，使用數(shù)值仿真技術(shù)研究鋁合金板材的沖壓成形工藝越來(lái)越廣泛。在沖壓成形過(guò)程的數(shù)值仿真中，摩擦系數(shù)作為鋁合金板料和模具之間的接觸邊界條件，對(duì)板料變形及成形性能有著重要影響。目前，許多學(xué)者采用平均摩擦系數(shù)或經(jīng)驗(yàn)?zāi)Σ料禂?shù)模擬鋁合金板材的沖壓成形過(guò)程。然而有學(xué)者研究指出，在鋁合金沖壓成形過(guò)程中，摩擦系數(shù)隨著成形速度及接觸壓力的變化而變化，不再是簡(jiǎn)單的固定值。基于此，采用變摩擦系數(shù)模擬鋁合金板材的沖壓成形過(guò)程更符合實(shí)際。
近年來(lái)，無(wú)網(wǎng)格理論和技術(shù)日漸成熟，LS_DYNA、ABAQUS等大型商業(yè)軟件均加入無(wú)網(wǎng)格計(jì)算板塊，其計(jì)算精度高于有限元法，在分析材料大變形及斷裂方面有著顯著優(yōu)勢(shì)。因此，以變摩擦系數(shù)作為鋁合金板材和沖壓模具的接觸邊界條件，并選擇無(wú)網(wǎng)格耦合有限元的方法對(duì)鋁合金零部件的沖壓過(guò)程進(jìn)行仿真分析是一個(gè)更為有效的方法和途徑，而此類方法的相關(guān)研究較少見(jiàn)于文獻(xiàn)報(bào)道中。
本文以6016鋁合金作為研究對(duì)象，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)拉伸及高速拉伸試驗(yàn)得到了鋁合金板材的準(zhǔn)靜態(tài)及動(dòng)態(tài)力學(xué)性能；考慮成形速度及接觸壓力對(duì)鋁合金板材摩擦系數(shù)的影響，使用摩擦系數(shù)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試，得到了成形速度和接觸壓力介于0～900mm/s及0～26.2MPa時(shí)的變摩擦系數(shù)�；贚S_DYNA中的MAT_36各向異性材料本構(gòu)模型、有限元及無(wú)網(wǎng)格算法，以變摩擦系數(shù)作為鋁合金板材與模具的接觸邊界條件，對(duì)鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板零件沖壓過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，并對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明：鋁合金板材在主要成形區(qū)域成形性能較好，在邊角部相同位置出現(xiàn)了波紋狀起皺。研究結(jié)果表明使用變摩擦系數(shù)及無(wú)網(wǎng)格法計(jì)算能準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)鋁合金板材的成形性能，本文研究結(jié)果及方法能為提升鋁合金板材沖壓成形性能的預(yù)測(cè)精度提供一定意義的參考。
鋁合金板材力學(xué)性能測(cè)試
鋁合金板在沖壓成形過(guò)程中，應(yīng)變率范圍在0～102s-1之間，需要進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)與動(dòng)態(tài)力學(xué)性能測(cè)試，以準(zhǔn)確表征鋁合金板材在沖壓成形過(guò)程中的力學(xué)響應(yīng)。
準(zhǔn)靜態(tài)單向拉伸試驗(yàn)
按照GB/T 228標(biāo)準(zhǔn)，以軋制方向?yàn)閰⒄眨謩e沿0°、45°和90°方向取拉伸試樣進(jìn)行測(cè)試，得到鋁合金板材在三個(gè)方向上的屈服強(qiáng)度及塑性應(yīng)變比（表1）。從表中可知，在0°、45°和90°方向上的塑性應(yīng)變比分別為0.741、0.609和0.897，說(shuō)明鋁合金板材的力學(xué)性能存在各向異性。
高速拉伸試驗(yàn)
依據(jù)鋁合金板材在沖壓成形中應(yīng)變速率的范圍，在0.1/s、1/s、10/s、100/s、500/s共5個(gè)應(yīng)變速率條件下進(jìn)行高速拉伸試驗(yàn)，得到了不同應(yīng)變速率下的鋁合金板材應(yīng)力應(yīng)變曲線
隨著應(yīng)變速率的增加，鋁合金板材的應(yīng)力-應(yīng)變曲線存在波動(dòng)。當(dāng)應(yīng)變速率達(dá)到500/s時(shí)，波動(dòng)最為明顯，此時(shí)應(yīng)力波峰波谷之間差值為25MPa，其應(yīng)力值波動(dòng)范圍小于10%，完全滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定要求。
變摩擦系數(shù)測(cè)試
沖壓成形速度及接觸壓力范圍的確定
由于現(xiàn)有設(shè)備制約，無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量鋁合金板材在沖壓成形過(guò)程中不同部位的成形速度范圍及與模具之間接觸壓力的范圍。為得到較為準(zhǔn)確的沖壓成形速度及接觸壓力范圍，建立鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板零件沖壓成形有限元數(shù)值模型，采用LS_DYNA作為求解器進(jìn)行計(jì)算。發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板零件沖壓模型，鋁合金板料尺寸為1610mm×1195mm×1.2mm�？紤]鋁合金板材的各向異性及應(yīng)變速率影響，選取LS_DYNA中的MAT_36模型作為鋁合金板料的本構(gòu)模型，模型中輸入材料的各向異性指數(shù)γ（塑性應(yīng)變比）及不同應(yīng)變速率下的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線。模型中假設(shè)鋁合金板材與模具間的摩擦系數(shù)不受成形速度及接觸壓力影響，設(shè)為固定值0.1。成形過(guò)程中，凹模靜止，壓邊圈以1000mm/s速度快速向下運(yùn)動(dòng)，并與凹模將發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板坯料四周壓住，壓邊力為600kN；之后凸模以300mm/s的速度沖擊鋁合金板材直到成形，整個(gè)沖壓過(guò)程為0.205s。
分別提取鋁合金板材在主要成形區(qū)域及邊角部區(qū)域節(jié)點(diǎn)305849和314719的速度變化曲線�？芍�，在整個(gè)沖壓成形過(guò)程中，鋁合金板材主要成形區(qū)域及邊角區(qū)域節(jié)點(diǎn)的速度均是變化的。沖壓前期，模具以較大速度與鋁合金板料接觸，節(jié)點(diǎn)速度波動(dòng)較大，節(jié)點(diǎn)305849的瞬態(tài)速度最大達(dá)7000mm/s，節(jié)點(diǎn)314719的瞬態(tài)速度最大達(dá)6500mm/s，進(jìn)入沖壓中后期后，沖壓速度相對(duì)穩(wěn)定，在0～900mm/s之間波動(dòng)。
沖壓過(guò)程中，鋁合金板材不同位置的接觸壓力如圖4所示。隨著沖壓過(guò)程的進(jìn)行，鋁合金板材不同區(qū)域接觸壓力不同，其中主要變形區(qū)域的接觸壓力較大，最大達(dá)到26.2MPa。在整個(gè)沖壓成形過(guò)程中，鋁合金板材的接觸壓力在0～26.2MPa之間變化。
通過(guò)上述分析，確定了鋁合金板材在沖壓成形中的速度范圍為0～900mm/s（穩(wěn)定成形后），板料和模具之間的接觸壓力范圍為0～26.2MPa。
鋁合金板材摩擦系數(shù)測(cè)試
選取鋁合金板材條狀試樣，使用摩擦系數(shù)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)鋁合金板材的摩擦系數(shù)進(jìn)行測(cè)試。長(zhǎng)條試樣及摩擦系數(shù)測(cè)試系統(tǒng)，試驗(yàn)過(guò)程中，板材以一定的速度通過(guò)測(cè)試機(jī)的壓頭，機(jī)器將讀取壓頭的壓力和板材的拉伸力，通過(guò)庫(kù)倫摩擦力計(jì)算公式計(jì)算出摩擦系數(shù)值。
基于上述有限元計(jì)算中確定的板料成形速度范圍為0～900mm/s（穩(wěn)定成形后）及板料和模具之間的接觸壓力范圍為0～26.2MPa。為了兼顧時(shí)間和試驗(yàn)成本，在成形速度范圍和壓力范圍內(nèi)，摩擦系數(shù)測(cè)試條件分別為不同壓力條件下進(jìn)行摩擦系數(shù)測(cè)試：5MPa、7.5MPa、10MPa、13.5MPa、15MPa； 在 不 同速度條件下進(jìn)行摩擦系數(shù)測(cè)試：10mm/s、30mm/s、50mm/s、70mm/s、90mm/s、110mm/s。
通過(guò)測(cè)試，得到不同速度、不同壓力下的鋁合金板材變摩擦系數(shù)�；谠囼�(yàn)數(shù)據(jù)，采用冪指數(shù)模擬得到成形速度在0～900mm/s變化、接觸壓力在0～26.2 MPa變化時(shí)的摩擦系數(shù)。可知，鋁合金板材沖壓成形過(guò)程中，在成形速度及接觸壓力共同影響下，鋁合金板材與模具間的摩擦系數(shù)是變化值。在各個(gè)接觸壓力下，隨著成形速度的增加，變摩擦系數(shù)整體有下降趨勢(shì)，最終趨于穩(wěn)定。變形速度達(dá)到900mm/s時(shí)，2.5MPa接觸壓力時(shí)對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定摩擦系數(shù)最小，為0.029；35MPa接觸壓力對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定摩擦系數(shù)最大，為0.135。
