1、镁合金板料拉深技术现状摘要:镁合金是目前工程应用中最轻的结构材料,具有铝、钢铁等材料不可替代的优异性能。目前镁合金的主要成形工艺是重力铸造和压铸,而由于塑性加工方法制备的工件具有更加优良的力学性能,因而利用塑性变形方法制备镁合金工件展现出了光明的前景。板料冲压成形是材料加工最完善的加工方法之一,因此对镁合金板料的冲压性能及其工艺的研究具有十分重要的意义。介绍了镁合金的塑性变形特点,冲压工艺中的拉深技术在镁合金板料成形中的应用,研究现状以及发展前景。关健词:镁合金板料;拉深成形;冲压成形1 引言金属镁及其合金是迄今在工程中应用最轻的结构材料,镁合金具有独特的性能和优点,如比强度大、比刚度高、导热
2、性能好、减震性好、高电磁屏蔽性及良好的加工成形性,被誉为“21 世纪绿色工程金属结构材料”,成为汽车、摩托车等交通工具,以及计算机、通讯、仪器仪表、家电、轻工和军事等行业的重要选材。随着人们对能源和环境的日益关注,镁及镁合金的应用正在受到前所未有的关注。板料冲压成形是现代工业中最完善的金属材料加工方法之一,而且采用压力加工方式生产的镁合金零件比用铸造工艺生产的零件机械性能好,并且在薄壁件的生产上占有一定的优势。但纯镁及大部分镁合金均为密排六方晶体结构,常温下塑性较差,因而大大限制了镁合金板料的应用。相关研究表明,变形镁合金在加热条件下塑性明显提高,冲压性能变好。本研究以 AZ31B 镁合金板料
3、为研究对象,分析成形温度对镁合金板料成形性能的影响。2 镁合金变形特点金属镁及其合金是目前工程应用中最轻的结构材料,用镁合金代替传统的材料不仅可以大大减轻结构的重量,而且能显著的增强其散热能力和抗震能力,另外用镁合金做的电器外壳能有效的减轻电器对人体及周围环境的电磁辐射危害。目前,大多数镁合金产品是通过铸造方式获得(包括传统的铸造、压铸工艺和新型的半固态铸造等工艺)。随着镁合金研究热潮的到来,对镁合金成形工艺的研究,尤其是利用塑性变形成形工艺的研究开始得到重视。与铸造工艺相比,经塑性变形(挤压、轧制、锻造等)后的材料组织得到细化,铸造缺陷消除,产品的综合性能大大提高,比铸造产品有更高的力学性能
4、。变形镁合金有望成为本世纪新型的高性能材料AZ31 合金的塑性较好,强度适中,成为目前研究镁合金板料性能的主要材料。Hasn-wilfriedWagener 对 AZ31 的研究显示,在室温条件下,镁合金板料虽然无法进行较大程度的变形,但可以用于制备高质量的浅板形工件。TakudaH 等人发现镁合金的拉深成形能力随着温度的升高而显著提高。当把 AZ31 镁合金板料拉深温度提高到 250左右时,板料具有较好的可拉深性。图 1 是不同温度下进行杯突实验得到的结果,它显示随着温度升高,杯突高度增加,在温度达到 200时,杯突高度的增加幅度最大。当温度达到 400时,杯突的高度与 300时的基本相同。
5、杯突形状显示出当温度高于 300,合金板料的变形不再均匀。板料的性能(如各向异性指数,硬化指数等)对拉深工件的质量有重要影响。研究表明,对于 AZ31 合金板料,在与轧制方向成不同角度(0,45,90)方向上取试样进行拉伸实验,室温条件下得到的拉伸曲线基本一致(如图 2 所示),同时也显示出其延伸性能较差。从图 2 可知,室温下,AZ31 板料的各向性能差别较小。而在不同温度下进行的拉伸实验表明,随着温度升高,材料的强度下降(如图 3 所示),伸长率明显提高。因此采用加热拉深的方法来加工镁合金板料是一个可能的方法。图 1 不同温度时杯突实验结果图 4 给出了 Az31 板料在不同温度下的极限拉
6、深图形,从图 4 可以看出,对于AZ31 板料而言,温度的影响极其明显。在室温下,工件的拉深高度只有 13mm,而当拉深温度为 225时拉深件高度为 75。图 5 是 Az31 和 AlMg5Mn 两种材质的材料在不同温度下的拉深极限值分布。从图 5 中可以看出,极限拉深比值与温度之间并非线性关系,AZ31 的拉深极限最大值出现在 225左右,当超过这个温度时,随着温度升高,极限拉深比值下降。从两种材料在不同温度下成形性能的对比可以看出,温度对铝合金的成形性能影响较小,而对于镁合金的成形性能的影响极大。图 2AZ31 板料室温各向异性实验结果图 3A231 板料在不同温度下的拉伸曲线图 4AZ
7、31B-O 板料在不停温度时矩形工件拉深比3 镁合金板料的差温拉深技术虽然 Az31 板料在 225有较好的拉深成形能力,但其极限拉深比只有 2.0左右,仅依靠改变变形温度无法获得更大的拉深比。如想进一步提高镁合金板料的拉深成形能力,需运用其他的相关技术来实现,而这些技术也是目前冲压行业的研究热点,如动态压边力技术、差温拉深技术、液压成形技术、计算机模拟仿真技术等。其中差温拉深技术是一种能显著提高镁合金板料拉深成形能力的工艺。深拉深极限是由收缩凸缘部分的拉应力与成形侧壁部分的抗断裂力之比来决定。因此,为了提高成形极限必须减少收缩凸缘的抗力,增加侧壁部分抗断裂力。差温技术利用温度对材料性能的影响
8、,在板料通过温度的不均匀分布而实现不同部位的强度的非均匀分布,减小断裂倾向。从而提高极限拉深比值。差温拉深技术主要是实现材料内部强度的变化分布。图 5Az31 和赶 M 萝侧加板料拉深性能对比图 6 差温拉深模具示意图差温技术是在其他相关技术的基础上发展起来的,是多项技术的综合产物。如通过退火使加工硬化的坯料其周边部分软化,以减小凸缘抗力的方法(称为常温下拉深的周边退火法)。这种方法的进一步发展是快速加热凸缘部分,称为高温下拉深加工的感应加热方法。还有一边加热凸缘部分,一边充分冷却凸模头部的加热一冷却法等。用此法拉深铝材,极限拉深比提高到 4.0 以上的例子已见报道。用简单的方法冷却凸模,仅仅
9、在凸缘部分和凸模部分产生温度差,也可以提高材料的拉深性能。Shoichiro Yoshihara Hisashi Nishimura。等人将差温技术应用于镁合金板料的拉深成形研究中。采用如图 6 的实验装置,对 0.5mm 厚的 A3Z1 薄板进行拉深,在适当的动态压边力条件下,极限拉深比超过了 5.0。而采用非差温拉深时,无论是否采用动态压边力,极限拉深比最大值为 2.14。哈尔滨工业大学的尹德良等人利用加热模具,控制冲头温度等方法在 AZ31 板料上实现差温拉深。他们的研究表明,在拉深过程中冲头的温度不能过低,即板料温度梯度不能过大。当温度梯度适中时,可以在用恒定压边力的情况下得到 2.6
10、 左右的拉深比。同时他们的工作还显示 AZ31 板料的拉深工艺对变形速度有显著的敏感性,当拉深速度超过 1.2mm/s 时,在凹模人口处发生断裂。由于矩形工件的拉深过程变形更为复杂,与实际生产更加接近。因此对矩形工件的研究工作比圆形工件的更有实际意义。图 7 给出了矩形工件的差温拉深实验方案及结果。可以看出与圆形工件一样,在矩形工件的拉深实验中,温度分布对板料的成形性能影响很大。图 7 矩形工件差温拉深示意圈4 拉深工艺辅助技术的发展由于拉深工艺过程是一个同时包含几何、材料、边界条件和力学等非线性条件于一体的极其复杂的过程,目前对在拉深过程中材料的变形机理还没有完善的模型来解释。随着近年汽车工
11、业的快速发展,板料的需求也越来越大,对于新的板材开发及其相应的工艺的需求也越来越大。因而对于板料拉深成形机理及相关技术的研究越来越重要。尤其是新型拉深设备、拉深工艺的研究更为突出。4.1 动态压边力的研究深工艺以高的生产率来生产形状复杂的工件,但这是以高昂的模具制作费用和周期作为代价的,其中一个主要的限制因素就是压边力的确定。压边力能够在板内产生极向拉伸力而防止折皱缺陷的产生。但是压边力的设计是十分复杂的,不仅是由于等压力线的测试困难,而且与材料在双向应力下的稳定性有关,压边力设计不当会造成拉裂和起皱等缺陷。在差温拉深过程中,压边力的施加方式明显的影响了极限拉深系数。1975 年,Havarn
12、ek 首先提出了确定起皱临界曲线(WLC)的方法,通过锥形杯的成形试验得出了起皱断裂临界曲线图。随后 Hadrt和 Lee 提出了两种闭环控制压边力的方法:一是在整个拉深过程中,压边力恒定不变且保持在既不起皱又不至于拉裂的最小水平上;二是通过控制毛坯流进模腔的体积来控制压边力。实验结果表明,上述方法虽然没有增加极限拉深深度,但明显地降低了极限拉深深度对压边力变化的敏感性。20 世纪 90 年代初 Hardt等人继续用闭环控制方法来寻求压边力的最优行程曲线,掀起了变压边力研究的热潮。各种实验变压边力的装置、方法被提出。图 8 给出了用液压法产生适当压边力时力的变化规律,其他的研究也表明在拉深过程
13、中,压边力变化有类似规律。4.2 软模技术软模技术即利用液体或气体进行单模成形,图 9 是两种典型的软模结构装置示意图。图中所示分别是用液体做凹模,气体做凸模的板料拉深装置。软模技术主要是利用流体内部各处相同的原理,使工件在拉深过程中板料的各部分受力均匀,从而解决用硬质模具材料而造成的拉深件质量不均问题。由于只采用一半的模具,降低了模具成本,提高了模具的制造精度。同时由于工件整体受力均匀,工件质量分布均匀,成形性能更好,可以进行更复杂的工件的加工。图 8 液压压边力变化规律图 9 软模成形设备示意图另外,近年来随着市场需求的多样化,出现了多点成形设备浏。可根据拉深工件的要求自行改变模具的大小及
14、尺寸。适用于单件或小批量工件,不仅效率高,而且成本大大下降。目前研究的另一热点是关于如何建立拉深过程中众多影响因素的模型。科研工作者希望通过模型,用理论计算来预测板料的成形性能以及进行拉深工艺参数的优化设计。目前已经出现根据理论模型开发的许多商品化应用程序,通过这些软件可对拉深过程进行模拟仿真。其中较为著名的有法国的 E.S.I 公司的 M-Stamp,加拿大 F.T.I.公司的 FAST-FORM3D 和美国的 E.T.A 公司的 DynaForm 等,吉林大学也开发出了 KMAS 板料成形仿真软件并提供免费试用。利用 CAE、CAD技术进行板料成形工艺的研究,板料及模具优化已成为一个重要的
15、研究手段,通过实验与模拟对比验证了这种方法的可行性。5 结束语由于目前受到镁合金板料的生产及性能稳定性等方面因素的限制,对于镁合金板料的研究还未见大量的报道,随着镁合金板料制备工艺的成熟,针对镁合金板料的成形性能及优化方案的研究将成为新的材料研究热点。与拉深相关的技术的发展为镁合金的板料成形提供了更多更可靠的加工手段,差温拉深技术在镁合金板料拉深成形中展现出了巨大的潜力。而 CAD、CAE 技术的运用为镁合金板料的研究提供了强有力的辅助工具。可以预见,随着研究的不断深人,镁合金板料将成为一种新型轻质的高性能板材之一。参考文献1S N，G MProcess design for hydrofor
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