影响3003铝合金杯突试验数据的因素分析*

肖永通，伍超群，郭 鲤

广东省工业分析检测中心，广东 广州 510650

杯突试验是测定金属板材成形性能的重要试验方法之一，通过杯突值来衡量板料的成形性能，已成为一种公认的标准试验方法[1].一般认为，合金板材的杯突值越高，板材的成形性能越好[2].在杯突值的实际测定中，杯突值的大小与润滑剂、杯突速度、压边力及摩擦条件有很大关系[3-4].本文采用小伺服压力机对厚0.9mm的3003-O态铝合金薄板进行杯突试验，以研究杯突速度、压边力及润滑条件对铝合金薄板杯突值的影响，从而获得最佳的杯突试验参数，用于探讨材料塑性成形的规律.

1 试验部分

试验材料为0.9mm厚的3003-O态铝合金薄板，其化学成分列于表1.根据GB/T4156-2007加工试样，试样尺寸为90mm×90mm，试样表面光滑平整，边缘光滑不扭曲.试验前将试样用汽油清洗并擦干.

表1 3003-O态铝合金薄板的化学成分Table 1 The compositions of 3003-O aluminum alloy

采用GBC-60W型半自动数显杯突试验机测定3003-O态铝合金薄板的杯突值，试验装置示意图如图1所示.试验中选用直径20 mm球头，凸模、凹模等模具尺寸列于表2.

2 试验结果与分析

2.1 润滑条件对杯突试验的影响

在杯突速度为10 mm/min、压边力为10 kN的条件下，分别在无润滑、动物油脂润滑、机油润滑和聚四氟乙烯薄膜润滑的条件下对铝合金薄板进行杯突试验，试验结果列于表3.由表3可知，用聚四氟乙烯薄膜作润滑剂时，3003-O态铝合金薄板的成形效果最好，其杯突值达8.2 mm；在无润滑的条件下，材料的杯突值仅为6.5 mm，铝合金薄板的成形性能最差.这说明使用润滑剂有助于改善铝合金板成形过程中的接触摩擦状态，使铝板的应变分布更趋于合理，从而提高板材的成形性能，其杯突值相应提高.因此，在3003-O态铝合金薄板杯突试验中，选择聚四氟乙烯薄膜作为润滑剂，可获得最佳的杯突值.

图1 杯突试验装置示意图Fig.1 Cupping test device

表2 杯突试验装置模具尺寸Table 2 The mold size of cupping test device

表3不同润滑条件下合金薄板的杯突值
Table3Thecuppingvaluesofalloysheetsunderdifferentlubricatingconditions

润滑条件无润滑机油润滑动物油脂润滑聚四氟乙烯润滑杯突值/mm6.57.37.88.2

2.2 杯突速度对杯突试验的影响

在压边力为10 kN、用聚四氯乙烯润滑的条件下，对厚度相同的薄板试样进行杯突试验，考察杯突速度对杯突值的影响，试验结果如图2所示.由图2可知，杯突速度对杯突值影响较大.随着杯突速度增大，杯突值呈先降后增的趋势.当杯突速度小于10 mm/min时，随着杯突速度的增大，杯突值小幅度降低.这是由于开始时随杯突速度增加变形区域快速变薄，随着杯突过程的继续进行所需的载荷迅速增大，直至超出金属材料的承受能力，造成该处金属过早发生局部流动而失稳断裂.当杯突速度大于15 mm/min时，随着杯突速度增大杯突值增加，但杯突值的稳定性变差.

在杯突速度较低和较高的情况下，试样破裂的形貌如图3所示.从图3可以看出，试样存在明显的颈缩和屈服延伸现象.当杯突速度较低时，图3(a)显示试样变形均匀，破口较小.当杯突速度较大时，图3(b)显示试样的破口较大.这是由于当杯突速度过高时，测试系统存在延缓动作，冲头稍延迟停止，杯突深度偏高，导致破口部分裂缝偏大，杯突值偏高.同时，杯突值也变得不稳定，此时所测的杯突值的准确性偏低.综合考虑杯突试验速度及准确性这两方面因素，杯突速度为10 mm/min时，既能够保证试验的准确性，又能够提高试验效率.因此，选择杯突试验速度为10 mm/min较合适.

图2 杯突值与杯突速度的关系曲线Fig. 2 The relationship between speed and cupping value

图3 试验后试样形貌(a) 杯突速度较低；(b)杯突速度较高Fig.3 The samples after experiment(a)low cup drawing speed;(b)high cup drawing speed

2.3 压边力对杯突试验的影响

在杯突速度为10 mm/min、用聚四氯乙烯润滑的条件下，考察压边力对杯突试验结果的影响，试验结果如图4所示.由图4可知，当压边力小于10 kN时，随着压边力的增大杯突值大幅度降低.主要是因为压边力较小时，材料在杯突试验过程中出现滑动，使试验压头施加给材料的力小于实际的力，进而导致材料杯突值偏大.而随着压边力逐渐增大，材料在杯突过程中滑动的现象逐渐消失，使材料的杯突值降低.当压边力大于10 kN时，随着边缘压力的增加，材料的杯突值趋于平稳.一方面由于压边力大于10 kN后，3003-O态铝合金材料的流动性达到稳定，材料的变形趋于稳定；另一方面压边力与压模及固定模之间的正压力成正比，且试样杯状变形主要限于压模与固定模之间未被挤压部分.当压边力大于10 kN时，压边力、压膜压力及固定膜压力三者之间达到动态平衡，未被挤压部分与被挤压部分达到稳定，这样杯状变形稳定，所得的杯突值较可靠.所以，杯突试验中选择压边力大于10 kN可获得较准确的试验结果.

3 结 论

以聚四氟乙烯薄膜为润滑剂、杯突速度为10 mm/min左右、压边力大于10 kN时， 3003-O态铝合金薄板杯突试验的成形效果最好，杯突试验中可获得准确的杯突值.

图4 杯突值与压边力的关系曲线Fig.4 The relationship between blank holder force and cupping value

参考文献：

[1] 李伟锋,乔明杰.杯突试验测定板料成形极限图的试验研究[J].锻压技术,2010,35(6):63-65.

[2] 于忠奇，杨玉英，王永志，等.基于韧性断裂准则的铝合金板材成形极限预测[J].中国有色金属学报，2003，13(5):1223-1226.

[3] 程令霞,曹阳根,杨尚磊,等.冲压速度对杯突值影响的研究[J].热加工工艺,2014,21:107-109.

[4] 关小军,韩振强,马璟,等.杯突成形过程平均摩擦系数的研究[J].锻压装备与制造技术,2006,41(4):65-67.