汽车车身6000系铝合金板材温成形技术研究

摘要

安全、节能、环保已成为当前汽车制造业发展的主题。轻量化成为了现代结构设计的主流趋势，车身轻量化对减轻汽车整车自重、提高整车燃油经济性和节能环保至关重要。随着欧盟行人保护法规Directive2003/102/EC的不断修订和执行，行人保护法规对各国汽车制造业产生了重要影响，提出了对车身关键覆盖件（发动机罩盖、行李箱盖板、车顶盖、车门等）需采用非钢铁材料制备的新要求。因此，采用铝镁合金等轻质金属替代传统钢铁材料进行车身覆盖件设计、应用和制造研究，对汽车工业的可持续发展和人身的安全保障都具有重要意义。
　　铝合金板材作为轻量化金属材料的代表，具有典型的密度低，比强度高的特点，然而其因其常温状态下塑性低，延展性较差而未能获得广泛应用。铝合金板材温成形技术就是采用将板材加热到一定高温条件再进行冲压成形，从而实现其成形性提升的一项新技术，该技术利用金属板材在高温下流动性变好的特点，基于合理的工艺过程控制提升合金板材的成形特性，可实现汽车复杂车身零部件的精密成形及性能提升。其中，铝合金板材的强度刚度特性、高温下的材料流变特性及其高温成形性和成形工艺等，都是铝合金板材温成形技术研究的关键。本文基于具有高强度、烘烤硬化特性的车身6000系铝合金板材开展了基于试验和数值模拟仿真的温成形技术研究，建立了适用于6000系铝合金板材的高温材料本构方程，基于该本构模型开展了包括成形温度、压边力及高温润滑摩擦的温成形工艺探索，以为铝合金板材温成形技术工业化应用提供了重要理论和实际指导。
　　本文首先针对车身常用的可热处理强化6000系铝合金烘烤硬化机理进行了材料基本性能实验研究，研究了不同预变形量的影响，进而分析了烘烤硬化的产生机理和微观金相组织特点。然后论述了铝合金板材高温本构的建模方法及建模手段，并根据车用6000系合金板材的高温特点，分析了适用于铝合金板材本构方程及屈服准则的适用性;并结合不同温度和不同应变速率条件下的高温热力拉伸试验获得的铝合金板材在25℃～400℃温度区间下的流变应力特性，分析了6000系铝合金板材在不同温度下呈现的“强化”“软化”流变性能特点，进而引入Field-Backofen模型和修正的Field-Backofen模型建立了适用于6000系铝合金的高温材料本构方程。
　　其次，通过分析铝合金高温成形极限试验和常温FLC试验的异同点和难点，介绍了实验室自主开发研制的高温成形极限测试TFLD设备，并基于该设备对车身用6000系列铝合金的板材开展了常温、150℃、200℃和250℃四种温度条件下的Nakajima测试试验，得到了四高温条件下的高温成形极限图，为铝合金温成形技术研究的成形工艺仿真打下基础。
　　最后，采用基于试验数据构建的高温材料本构方程，以实验得到的高温成形极限曲线为破裂判断标准，在Dynaform有限元数值仿真软件中开展了6000系铝合金温成形数值仿真研究。基于凸模胀形模型的仿真结果与试验结果吻合良好，验证了材料本构模型和成形极限曲线的有效性;基于具有反拉延特征模型的数值仿真对成形温度、压边力、高温润滑及摩擦等工艺因素的影响进行了研究，为6000系铝合金温成形进一步的拓展研究的提供了技术储备。