6xxx 系鋁合金在6 個月時效內(nèi)材料沖壓性能波動預(yù)測

王元寧

（奧德富軟件（上海）有限公司，上海 200001）

1 前言

6xxx 系鋁合金具有密度低、易成形、耐蝕性好等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于汽車及建筑領(lǐng)域。隨著對6xxx 系鋁合金應(yīng)用要求的不斷提高，人們對該系鋁合金的強(qiáng)度及耐熱性提出了更高要求[1]。從目前的發(fā)展趨勢來看，為了保護(hù)環(huán)境、節(jié)約能源和資源，未來汽車研發(fā)將更注重汽車輕量化設(shè)計。在汽車生產(chǎn)制造中采用高強(qiáng)鋼、鋁合金、鎂合金、復(fù)合材料等輕量化材料可以有效實現(xiàn)汽車輕量化。另外采用先進(jìn)制造工藝，如熱成形、激光拼焊、液壓成形等也可以實現(xiàn)汽車輕量化[2]。目前汽車市場競爭激烈，對車身的減重要求日益提高，以轎車的引擎罩為例，引擎罩沖壓工藝難度相對較小，減重效果也最明顯。鋁板引擎罩和傳統(tǒng)的鋼板引擎罩相比有1/2 重量的減輕效果。但是更換材料后，由于鋁板的特點，零件會產(chǎn)生以下缺陷：①滑移線更明顯；②局部圓角更容易開裂；③外觀面回彈較大。以上缺陷主要與鋁板特性有關(guān)，例如屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度較小，各項異性R 值偏小，楊氏模量小等。這些問題通過零件設(shè)計和工藝改進(jìn)可以克服。

關(guān)于鋁板6xxx 系材料性能預(yù)測理論研究比較少，近些年來，越來越多的大型商用軟件可以模擬6xxx 系鋁合金的側(cè)圍外板的成形和回彈問題，下面以AutoForm 軟件解決成形開裂方案為例，進(jìn)行簡單的體系描述。

2 研究現(xiàn)狀

汽車用鋁的發(fā)展大致經(jīng)歷了三個階段：第一階段主要是“四門兩蓋”的車身階段，車企通過在發(fā)動機(jī)罩、行李箱蓋、汽車擋泥板、車門等部件采用鋁合金材料以求降低油耗；第二階段主要是“殼式支撐結(jié)構(gòu)”車身階段，其代表是1990 年生產(chǎn)的豐田NSX；第三階段是“空間框架結(jié)構(gòu)”車身階段，其代表是奧迪A8、捷豹XFL、特斯拉均采用全鋁車身。目前鋁合金在汽車上應(yīng)用的形式有鑄造鋁合金和變形鋁合金。從工藝方式上分為冷沖壓鋁合金和熱成形鋁合金[3]。

2019 年前后，我們對各大車企進(jìn)行調(diào)研，對于鋁合金的使用基本上集中在冷沖壓。從2021 年開始，越來越多的車企開始研究鋁合金熱成形的應(yīng)用，包括6xxx 系鋁合金的熱成形和7 系鋁合金的熱成形。目前進(jìn)行大批量生產(chǎn)的鋁合金熱成形件很少，基本都處于小批量生產(chǎn)或者研究階段。

目前鋁熱成形件的難點在于：①鋁合金熱成形需要時效處理；②保壓時間的控制；③鋁合金熱成形受摩擦力影響很大，等等。

本文主要研究鋁合金的冷沖壓。以變形鋁合金為例，分析案例是某汽車廠正在生產(chǎn)的某車型的側(cè)圍外板，采用材料為6xxx 系鋁合金，厚度0.9mm，材料性能和時效[4]性（材料供應(yīng)商提供）如表1 所示。

表1 6xxx 系鋁合金材料性能參數(shù)（材料供應(yīng)商提供）

從零件生產(chǎn)的要求來看，材料供應(yīng)商建議使用3個月的材料性能，提供的材料卡如圖1 所示。由圖可見，鋁合金的屈服強(qiáng)度為124.8MPa，抗拉強(qiáng)度為236.3MPa，n 值為0.244，Ag 為21.4%。同時建議進(jìn)行鋁合金6 個月時效的驗證，根據(jù)試驗來指導(dǎo)零件的生產(chǎn)。

圖1 材料供應(yīng)商提供的材料卡

為了對比材料性能3 個月時效和6 個月時效的材料卡，按材料供應(yīng)商的建議，對時效6 個月的材料進(jìn)行材料性能測試，如表2 所示，使用的實驗設(shè)備包括拉伸試驗機(jī)（SCL2951 50kN 電子程控式彎折拉壓萬能試驗機(jī)），F(xiàn)LC 實驗機(jī)（Zwick 成型機(jī)+ARAMIS測量系統(tǒng)）。

表2 6xxx 系鋁合金材料測試參數(shù)（YS：屈服強(qiáng)度，UTS：抗拉強(qiáng)度）

通過5 個月中的6000IH 單向性能測試和FLD測試，創(chuàng)建AutoForm 軟件可使用的材料卡，也就是我們當(dāng)時試模使用的材料卡，如圖2 所示，鋁合金的屈服強(qiáng)度為99.02MPa，抗拉強(qiáng)度為217.8MPa，n 值為0.263，Ag 為22.6%。

圖2 某主機(jī)廠創(chuàng)建的材料卡

如圖3 所示為材料供應(yīng)商提供的材料卡與某主機(jī)廠測試材料性能創(chuàng)建的材料卡的對比，得到如下結(jié)論：

圖3 材料供應(yīng)商提供的材料卡和某主機(jī)廠的材料卡對比

（1）根據(jù)材料供應(yīng)商提供的材料參數(shù)，6 個月時效的材料性能和3 個月時效的材料性能相比，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度明顯變大，但是某主機(jī)廠測試的材料數(shù)據(jù)和客戶提供的材料參數(shù)相比，5 個月時效的材料參數(shù)的抗拉強(qiáng)度和屈服明顯偏低。

（2）理論上n 值隨時效變小，但是某主機(jī)廠測試的n 值比客戶提供的n 值大。

（3）某主機(jī)廠測試的0°，45°，90°方向上的屈服強(qiáng)度跟材料供應(yīng)商提供的數(shù)值相比，0°和90°方向的屈服強(qiáng)度偏大，45°方向的屈服強(qiáng)度偏小。

（4）某主機(jī)廠測試的FLC[5]最低點跟材料供應(yīng)商提供的參數(shù)相比，明顯偏小。

3 試模驗證

模具設(shè)計和投鑄時，材料的測試還沒有開始，零件工藝開發(fā)和數(shù)值模擬使用的是材料供應(yīng)商提供6000-IH 的材料性能參數(shù)。材料性能是否能夠達(dá)到材料卡的要求，是對材料、工藝、設(shè)備、模具提出的很大的挑戰(zhàn)。從第一次試模的情況看，模具的間隙、筋和壓機(jī)力量的調(diào)整沒有到達(dá)最佳值的情況下，我們基本可以使用自制的6000-IH 的材料卡和供應(yīng)商提供6000IH 的材料卡對比。

如圖4 所示，試模時，模具、壓機(jī)、筋的優(yōu)化未達(dá)到完全狀態(tài)時，會出現(xiàn)：①滑移線；②開裂；③開裂；④開裂；⑤開裂；⑥開裂；⑦開裂；⑧面凹；⑨開裂；⑩開裂；?開裂；?面凹；?開裂；?開裂；?開裂；?開裂；?開裂；?滑移線；?滑移線；?開裂；?開裂。

圖4 試模時的零件

選3 個有代表性的開裂缺陷進(jìn)行驗證，分別用三個材料卡進(jìn)行模擬驗證。A 為3 個月的材料卡（材料供應(yīng)商給出），B 為3 個月的材料卡（某主機(jī)廠自制），C 為6 個月內(nèi)的材料卡（某主機(jī)廠自制）。其他參數(shù)條件一致，計算后將結(jié)果進(jìn)行對比，得到以下結(jié)論。

如圖4 中④區(qū)存在開裂風(fēng)險（超過某主機(jī)廠標(biāo)準(zhǔn)0.8），后續(xù)在補(bǔ)充面進(jìn)行放大圓角處理，基本能解決開裂問題，三種情況對比如圖5 所示最大失效A:0.859，B:0.8889，C:0.924。

圖4 中⑧區(qū)沒有開裂的風(fēng)險（超過某主機(jī)廠標(biāo)準(zhǔn)0.8），解決間隙和模具局部硬點等問題。后續(xù)不存在開裂。如圖6 所示。最大失效A:0.736，B:0.753，C:0.743。

圖4 中⑨區(qū)沒有開裂的風(fēng)險（超過某主機(jī)廠標(biāo)準(zhǔn)0.8），解決間隙和模具局部硬點等問題。后續(xù)不存在開裂。如圖7 最大失效A:0.729，B:0.752，C:0.7 16。

4 總結(jié)

從以上實例可見，材料供應(yīng)商給出的材料性能值與某主機(jī)廠測試的材料性能相比有一定的差別，從得到的數(shù)值模擬結(jié)果來看，材料供應(yīng)商給的材料卡存在更小的開裂風(fēng)險，但是用主機(jī)廠自己測試的材料性能的材料卡，有的區(qū)域存在一定的開裂風(fēng)險。

在后面的試模中，明顯缺陷問題大部分可以解決。如果遇到模具供應(yīng)商解決不了的開裂問題，把問題推卸給材料供應(yīng)商的時候，我們可以自己測試板料的材料性能進(jìn)行驗證。一方面我們對材料性有了更細(xì)致的理解并可以擬合出自己的材料卡，另一方面，也可以利用自己的材料卡說服模具供應(yīng)商提出另外的解決方案，提高效率和降低試模成本。同時也為以后面對其他項目的風(fēng)險預(yù)測提供保障。

在測試和數(shù)值模擬對比中，材料時效性的影響明顯存在，材料隨著存放時間的變長，強(qiáng)度會增加，成形性會下降。建議零件沖壓在3月內(nèi)或6月前使用完成。