王耀，郎利輝, 2，孔德帥，張泉達(dá)，高鐵軍

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鋁合金覆層板成形極限圖

王耀1，郎利輝1, 2，孔德帥1，張泉達(dá)1，高鐵軍3

(1. 北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動化學(xué)院，北京，100191；2. 北京航空航天大學(xué)先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)協(xié)同創(chuàng)新中心，北京，100191；3. 沈陽航空航天大學(xué)航空航天工程學(xué)部，吉林沈陽，110136)

提出一種創(chuàng)新的試驗(yàn)方法研究鋁合金覆層板的成形極限圖，即采用單拉試驗(yàn)獲得成形極限圖的左半?yún)^(qū)域，右半?yún)^(qū)域采用不同橢圓度的凹模得到不同應(yīng)力狀態(tài)下覆層板的成形極限應(yīng)變，并且在成形極限圖中引入方板對角拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)，用于預(yù)測板材成形過程中起皺缺陷的產(chǎn)生，使成形極限圖的預(yù)測功能更加完善。同時，進(jìn)一步研究不同覆板材料和厚度對鋁合金目標(biāo)板材成形極限圖的影響。研究結(jié)果表明：在覆層板方式下，目標(biāo)板材成形極限圖中的極限臨界區(qū)向上移動，并向右移動，成形極限增大，并且成形極限圖中起皺區(qū)域面積減小，抗失穩(wěn)能力提高。成形過程選擇強(qiáng)度系數(shù)較高、加工硬化指數(shù)較大及適當(dāng)厚度的覆板有助于成形板材成形性能的提高。

鋁合金；覆層板；厚度法向應(yīng)力；成形極限圖；橢圓脹形；方板對角拉伸試驗(yàn)

在板料成形中，成形極限圖的確定對于評定板料成形性和指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐具有重要的意義，它可以全面反映板料在單向和雙向拉應(yīng)力作用下的局部成形極限[1?2]。廣泛用于確定板料成形極限圖的方法有半球形凸模剛模脹形試驗(yàn)、圓柱形凸模剛模脹形試驗(yàn)和橢圓凹模液壓脹形試驗(yàn)。針對不同的工藝條件，每種試驗(yàn)方法都有其局限性和適用性[3?4]。本文作者所研究的鋁合金覆層板是在目標(biāo)板材一側(cè)覆一層同種或不同材料板材，成形過程中覆板同目標(biāo)板材一起變形，給目標(biāo)板材以約束并施加厚度法向應(yīng)力，提高了目標(biāo)板材的靜水壓應(yīng)力水平，使目標(biāo)板材的應(yīng)力狀態(tài)由無覆板時的雙向等拉平面應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殡p向受拉厚向受壓的三維應(yīng)力狀態(tài)，有效提高了目標(biāo)板材的成形性能[5?6]。對于覆層板成形極限的研究，相關(guān)報(bào)道較少。TSENG等[7]針對Al/Cu覆層板，通過脹形試驗(yàn)研究了不同厚度金屬層條件下覆層板的極限變形能力，得到了覆層板成形極限圖，并利用成形極限圖對頸縮和破裂等缺陷進(jìn)行了預(yù)測。ZHOU等[8]對AZ31鎂合金覆層板進(jìn)行了橢圓脹形試驗(yàn)和FE模擬，研究了覆層板材料塑性流動和局部應(yīng)變，并對AZ31鎂合金板材成形極限進(jìn)行了預(yù)測。王永銘[9]建立了考慮厚向應(yīng)力的M-K失穩(wěn)模型，并進(jìn)行了單層鋁合金板材及帶不銹鋼覆板的鋁合金板材液壓脹形試驗(yàn)。結(jié)果表明，隨著厚度法向應(yīng)力的增大，鋁合金板材成形極限曲線升高，成形性能提高。SEMIATIN等[10]通過試驗(yàn)研究了不銹鋼覆鋁板的成形極限。研究結(jié)果表明：在板間無潤滑作用條件下，失效主要是由分散失穩(wěn)產(chǎn)生的局部頸縮引起，板材的不穩(wěn)定流動隨著次應(yīng)變的增加而增加，最終局部頸縮的發(fā)展決定了覆層板的成形極限。MASANORI等[11]使用剛性沖模對相同材料的純鋁板覆層在一起進(jìn)行脹形試驗(yàn)，通過改變板厚證明了成形極限隨著板厚的增加而增加，通過改變板間接觸條件證明了內(nèi)外層板材脹形過程中受力狀態(tài)的不同引起頸縮位置的不同，兩者相互抑制頸縮的發(fā)展，從而提高了板材的極限變形能力。本文作者提出了一種試驗(yàn)方法去研究鋁合金覆層板的成形極限圖，通過采取逐級遞減目標(biāo)板材試樣寬度的單拉試驗(yàn)獲得成形極限圖的左半?yún)^(qū)域，右半?yún)^(qū)域采用不同橢圓度的凹模得到不同應(yīng)力狀態(tài)下覆層板的成形極限應(yīng)變，從而確定成形極限圖上不同的極限應(yīng)變點(diǎn)位置。同時，在成形極限圖中引入方板對角拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)，用于預(yù)測板材成形過程中起皺缺陷的產(chǎn)生，使成形極限圖的預(yù)測功能更加完善。本文進(jìn)一步研究了不同覆板材料和厚度對目標(biāo)板材成形極限圖的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 材料

試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)板材選擇航空制造領(lǐng)域常用的2系鋁合金2B06-O，厚度為1.0 mm，化學(xué)成分如表1所示。覆板材料分別選用鋁合金2B06，2024和不銹鋼SUS321，力學(xué)性能見表2。板坯表面均印制直徑為2.0 mm圓形網(wǎng)格，用于測量試驗(yàn)試件極限應(yīng)變。

表1 鋁合金2B06板材化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

表2 覆板材料力學(xué)性能

1.2 目標(biāo)板材單向拉伸試驗(yàn)及方案

單向拉伸試驗(yàn)?zāi)康氖谦@取板材成形極限圖左半?yún)^(qū)域的成形極限曲線，覆層板主要是通過覆板對目標(biāo)板材的厚度法向應(yīng)力來提高目標(biāo)板材的成形極限。單向拉伸時，覆板對目標(biāo)板材無厚向應(yīng)力，故無需施加覆板，只對目標(biāo)板材單獨(dú)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)即可。通過逐級遞減試樣寬度實(shí)現(xiàn)應(yīng)變路徑的變化，通過控制拉伸速度實(shí)現(xiàn)對應(yīng)變率的控制，獲得目標(biāo)板材極限應(yīng)變。拉伸試樣尺寸如圖1所示，試樣寬度分別取12.5，14.5，16.5，18.5和20.5 mm。

單位：mm

1.3 覆層板橢圓脹形試驗(yàn)及方案

圖2 鋁合金覆層板成形過程示意圖

橢圓度(b/a): (a) 1.0; (b) 0.9; (c) 0.8; (d) 0.6

通過2種類型試驗(yàn)研究覆板參數(shù)對目標(biāo)板材成形極限圖的影響。第1種是不同覆板材料橢圓脹形試驗(yàn)。分別選用相同厚度為1.0 mm的鋁合金2B06，2024和不銹鋼SUS321作為覆板，厚度為1.0 mm鋁合金2B06作為目標(biāo)板材進(jìn)行脹形試驗(yàn)，研究覆板材料對目標(biāo)板材FLD的影響。第2種是不同覆板厚度橢圓脹形試驗(yàn)。采用厚度分別為0.5，1.0和1.5 mm的不銹鋼SUS321板材作為覆板，厚度為1.0 mm的鋁合金2B06作為目標(biāo)板材進(jìn)行脹形試驗(yàn)，進(jìn)一步研究覆板厚度對目標(biāo)板材FLD的影響，試驗(yàn)方案如表3所示。在上述試驗(yàn)中，板坯平面長×寬均為180 mm×180 mm。

1.4 覆層板YBT試驗(yàn)及方案

YBT試驗(yàn)是對方形板料進(jìn)行對角拉伸，以評估金屬板料在非均勻拉應(yīng)力狀態(tài)下其抵抗壓縮失穩(wěn)起皺的能力的一種試驗(yàn)方法。由于該試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際沖壓成形質(zhì)量具有一定的對應(yīng)關(guān)系，可以用來預(yù)測板料的起皺趨勢，豐富成形極限圖預(yù)測功能[12?15]。試驗(yàn)在自行研制的雙向拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。設(shè)備主要由密封箱體、拉伸裝置、位移傳感器、測量系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集處理裝置等幾部分組成。試驗(yàn)板材外形尺寸(長×寬)為100 mm×100 mm方板，拉伸標(biāo)距為75 mm，沿著試樣的某一指定對角線加載拉伸，至試樣的拉伸標(biāo)距伸長1%時，測量方板中部的應(yīng)變分布，得到相應(yīng)起皺應(yīng)變。通過改變試樣夾持寬度，實(shí)現(xiàn)應(yīng)變路徑的變化，設(shè)備拉伸夾頭寬度分別為50 mm和80 mm各1副，試樣夾持寬度分別取30，40，50，60和70 mm。

表3 橢圓脹形試驗(yàn)/YBT試驗(yàn)方案

對覆層板進(jìn)行對角拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)方案見表3。目標(biāo)板材為1.0 mm的鋁合金2B06，覆板材料分別為鋁合金2B06，2024和不銹鋼SUS321，取不銹鋼SUS321覆板厚度分別為0.5，1.0和1.5 mm，研究不同覆板材料和厚度對目標(biāo)板材起皺趨勢的影響，得到成形極限圖起皺曲線。

2 結(jié)果與討論

2.1 覆板材料對目標(biāo)板材成形極限圖的影響

鋁合金覆層板FLD試驗(yàn)試件如圖4~6所示。不同覆板材料下獲得的目標(biāo)板材2B06鋁合金FLDs如圖7所示。圖7中，成形極限圖左半?yún)^(qū)域的極限應(yīng)變通過目標(biāo)板材單拉試驗(yàn)獲得，由于單拉時覆板對目標(biāo)板材無厚向壓應(yīng)力作用，與目標(biāo)板材單獨(dú)拉伸時獲得的極限應(yīng)變相同，故沒有施加覆板。在右半?yún)^(qū)域，覆板和目標(biāo)板材整體在面內(nèi)雙拉作用下成形，目標(biāo)板材的應(yīng)力狀態(tài)為面內(nèi)雙拉厚向受壓，壓應(yīng)力的作用可以延緩其破裂缺陷的產(chǎn)生，故圖中所獲得的成形極限圖可以較準(zhǔn)確反映覆層板方式下目標(biāo)板材的成形性能。從圖7可以看出：隨著覆板選擇塑性較好的材料，目標(biāo)板材極限應(yīng)變增大，成形極限曲線整體向上移動幅度明顯，并向右移動，表明材料成形極限圖中的極限臨界區(qū)向上移動，成形極限增大；無覆板時，成形極限曲線雙拉區(qū)域最高點(diǎn)的主應(yīng)變?yōu)?.28，當(dāng)覆板材料分別選擇鋁合金2B06，2024和不銹鋼SUS321時，對應(yīng)的成形極限曲線上最高點(diǎn)主應(yīng)變分別為0.3，0.33和0.38，分別增加7.14%，17.86%和35.71%，增幅明顯。同時，不同的覆板材料對目標(biāo)板材起皺區(qū)域的影響也較大，覆板材料塑性越好，成形過程其較大的加工硬化指數(shù)可以有效地改變目標(biāo)板材厚度法向應(yīng)力的分布方式，約束和控制目標(biāo)板材的變形行為，使目標(biāo)板材在覆板的包覆作用下變形規(guī)律同覆板變形過程相同或相近，依靠覆板較好的變形過程提高目標(biāo)板材的變形均勻性，使得目標(biāo)板材成形極限圖中起皺區(qū)域面積減小，抗失穩(wěn)能力提高。綜上所述，試驗(yàn)中，當(dāng)覆板材料為不銹鋼SUS321時，試件成形極限最高，成形性能最好，其次是覆板材料為鋁合金2024的試件；鋁合金2B06的目標(biāo)板材成形性能最差。

圖4 2B06板材單向拉伸試件

橢圓度(b/a): (a) 1.0; (b) 0.9; (c) 0.8; (d) 0.6

夾持寬度/mm: (a) 30; (b) 40; (c) 50; (d) 60; (e) 70

圖7 不同覆板材料下2B06目標(biāo)板材成形極限圖

目標(biāo)板材成形性能的改善與覆板對目標(biāo)板材的厚度法向應(yīng)力有關(guān)，而這又與覆板材料本身力學(xué)性能參數(shù)密切相關(guān)。覆層板成形時，覆板任意一點(diǎn)對目標(biāo)板材的反向壓力與該點(diǎn)覆板和目標(biāo)板材所處的變形階段有關(guān)，由于覆板和目標(biāo)板材厚度較小，假設(shè)任意一點(diǎn)的變形相似，那么覆板和目標(biāo)板材變形的難易程度就可通過其變形抗力來反映。假設(shè)覆板和目標(biāo)板材均滿足Hollomon本構(gòu)模型，對其求導(dǎo)可得：

(2)

假設(shè)覆板與目標(biāo)板材加工硬化指數(shù)相同(1=2)、變形規(guī)律相似，覆板材料選擇強(qiáng)度系數(shù)大于目標(biāo)板材時的強(qiáng)度系數(shù)(1＞2)，成形過程中由于覆板強(qiáng)度較大，在一定作用力下覆板變形比目標(biāo)板材困難，可以為目標(biāo)板材提供較大的反向壓應(yīng)力，使目標(biāo)板材的成形性能提高。同時覆板1越大，目標(biāo)板材受到覆板的反向壓應(yīng)力越大，成形性能也越好；反之，若覆板材料的強(qiáng)度小目標(biāo)板材強(qiáng)度大(1＜2)，那么覆板變形更加容易，故提供的反向壓力較小，對提高目標(biāo)板材成形性能幫助較小。覆板加工硬化指數(shù)決定了目標(biāo)板材變形的均勻性，假設(shè)覆板與目標(biāo)板材強(qiáng)度系數(shù)相同(1=2)，當(dāng)覆板材料選擇加工硬化指數(shù)大于目標(biāo)板材時的加工硬化指數(shù)(1＞2)，覆板材料的應(yīng)變強(qiáng)化效應(yīng)較目標(biāo)板材的強(qiáng)，抵抗變形的能力更強(qiáng)，變形均勻性也更好，對目標(biāo)板材的變形起到抑制作用，使目標(biāo)板材變形均勻性提高。覆板1越大，上述抑制效果越明顯，目標(biāo)板材成形性能也越好。反之，當(dāng)覆板加工硬化指數(shù)小于目標(biāo)板材時(1＜2)，覆板的應(yīng)變強(qiáng)化效應(yīng)和變形均勻性較差，對于提高目標(biāo)板材的成形性能幫助較小。因此，成形過程中選擇強(qiáng)度系數(shù)高、加工硬化指數(shù)大的覆板材料，可以有效改善目標(biāo)板材成形性能，提高其成形極限。

2.2 覆板厚度對目標(biāo)板材成形極限圖的影響

不同覆板厚度下獲得的目標(biāo)板材2B06鋁合金FLDs如圖8所示。由圖8可以看出：與覆板材料對目標(biāo)板材成形極限的影響規(guī)律相同，隨著覆板厚度的增大，目標(biāo)板材成形極限圖中的極限臨界區(qū)向上移動，并向右移動，成形極限增大。同時，成形極限圖中起皺區(qū)域面積減小，抗失穩(wěn)能力提高。由于覆板厚度越大，成形過程覆板向目標(biāo)板材提供的反向壓力就越大，越有利于目標(biāo)板材抗失穩(wěn)能力和極限變形能力的提高。但考慮到成本和成形難度，成形過程覆板厚度盡量選擇與目標(biāo)板材厚度相接近。

圖8 不同覆板厚度下2B06目標(biāo)板材成形極限圖

3 結(jié)論

1) 對鋁合金覆層板成形極限圖進(jìn)行試驗(yàn)研究，通過單拉試驗(yàn)和橢圓液壓脹形試驗(yàn)準(zhǔn)確獲得目標(biāo)板材成形極限曲線，并通過方板對角拉伸試驗(yàn)，得到目標(biāo)板材起皺極限曲線，將兩者結(jié)合在一起，完整描繪目標(biāo)板材的FLD，使其預(yù)測功能更加完善。

2) 覆板材料對目標(biāo)板材成形極限圖的影響很大。覆層板成形時，覆板提供的反向壓力與覆板強(qiáng)度系數(shù)和加工硬化指數(shù)有關(guān)，成形過程選擇強(qiáng)度系數(shù)和加工硬化指數(shù)較大的覆板材料有助于提高目標(biāo)板材厚度法向應(yīng)力水平，使目標(biāo)板材成形極限圖中的極限臨界區(qū)向上移動，并向右移動，成形極限增大，并且成形極限圖中起皺區(qū)域面積減小，抗失穩(wěn)能力提高，這種規(guī)律隨著覆板厚度的增加而增強(qiáng)。

3) 在實(shí)際生產(chǎn)中，可以采用覆層板方式提高低塑性板材的成形性能，但必須考慮到成本和成形工藝條件，同時成形過程覆板厚度應(yīng)盡量與目標(biāo)板材厚度相接近。

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(編輯 陳愛華)

FLDs of aluminum alloy by overlapping sheet metal

WANG Yao1, LANG Lihui1, 2, KONG Deshuai1, ZHANG Quanda1, GAO Tiejun3

(1. School of Mechanical Engineering and Automation, Beihang University, Beijing 100191, China;2. Collaborative Innovation Center of Advanced Aero-Engine, Beihang University, Beijing 100191, China;3. Faculty of Aerospace Engineering, Shenyang Aerospace University, Shenyang 110136, China)

A novel experimental approach to research the forming limit diagrams (FLDs) of aluminum alloy by overlapping sheet metal was presented, namely, the tension-compression side of the FLD was obtained by the uniaxial tension test. The limit strains of tension-tension side for the aluminum alloy by overlapping sheet metal were obtained by elliptical bulging test with different aspect ratios. In addition, the experimental data of YBT test were introduced into the FLD to predict the wrinkling defect in the sheet forming, in which the predictive features of FLDs were more improved. Meanwhile, the influence of the material performance and thickness of the overlapping sheet on the FLD of the target sheet were further investigated. The results show that, in the overlapping mode, the limit critical zone of FLD of the target sheet moves up and to the right, the forming limit increases and the area of wrinkling region decreases, and the anti-instability of the target sheet is improved correspondingly. Meanwhile, the formability of the target sheet can be improved by choosing higher strength coefficient, larger work hardening exponentand proper thickness of the overlapping sheet.

aluminum alloy; overlapping sheet; thickness normal stress; forming limit diagram (FLD); elliptical bulge; Yoshida bucking test

10.11817/j.issn.1672-7207.2017.05.004

TG394

A

1672?7207(2017)05?1149?06

2016?07?14；

2016?09?19

國家科技重大專項(xiàng)(2014ZX04002041)；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51175024) (Project(2014ZX04002041) supported by the National Science and Technology Major Project; Project(51175024) supported by the National Natural Science Foundation of China)

郎利輝，教授，博士生導(dǎo)師，從事液壓柔性成形技術(shù)及裝備研究；E-mail: lang@buaa.edu.cn