AZ31B鎂合金板料成形性能研究.pdf

1、發(fā)展新型材料，降低能耗，保護(hù)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)人類的可持續(xù)發(fā)展，是解決地球資源日趨貧化和環(huán)境日益惡化的主要渠道之一，已成為人們關(guān)注的主要問(wèn)題。鎂合金作為目前世界上可工程化應(yīng)用最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，具有比強(qiáng)度、比剛度高，導(dǎo)熱導(dǎo)電和電磁屏蔽性能優(yōu)越，與環(huán)境相容性良好等優(yōu)點(diǎn)，在汽車、通訊電子等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。
　　 鎂合金具有密排六方晶體結(jié)構(gòu)，常溫下塑性變形能力差，但隨著成形溫度的升高，其塑性成形性能將發(fā)生根本性改變。利用鎂合金板料溫?zé)?/p>

2、沖壓成形工藝不僅可以充分利用鎂合金材料優(yōu)異的性能、環(huán)保性以及滿足產(chǎn)品薄壁化、輕量化的趨勢(shì)，而且能夠大幅度提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品合格率，因此研究開發(fā)鎂合金板料沖壓成形技術(shù)，已經(jīng)逐漸成為近幾年金屬塑性加工領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。
　　 鎂合金在中高溫下的流變應(yīng)力及其數(shù)學(xué)模型是熱沖壓數(shù)值模擬中不可缺少的信息，它綜合反映了流變應(yīng)力與應(yīng)變、應(yīng)變速率、溫度以及其它因素之間的關(guān)系。針對(duì)目前可用的鎂合金基本性能數(shù)據(jù)仍很缺乏的問(wèn)題，本文開展了AZ31B鎂合金

3、板料在室溫和中高溫下的拉伸試驗(yàn)，獲得了AZ31B鎂合金板料在不同溫度和應(yīng)變速率下的流變規(guī)律。研究表明，AZ31B鎂合金板料在室溫下拉伸時(shí)，其流變曲線對(duì)變形速度不敏感，低溫變形主要受熱效應(yīng)控制；在中高溫拉伸變形中發(fā)生明顯的軟化現(xiàn)象，并且溫度越高，應(yīng)變速率越低，這種軟化效應(yīng)越明顯，表現(xiàn)出明顯的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶特征。本文在對(duì)高溫流變應(yīng)力變化規(guī)律分析的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了兩類流變應(yīng)力數(shù)學(xué)模型，即修正的Fields-Backofen模型和冪為二次函數(shù)的指數(shù)模

4、型。研究表明，在變形的前半段，兩種模型的預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值均能很好地吻合，但Fields-Backofen修正模型不能反映峰值應(yīng)力之后的軟化效應(yīng)。而指數(shù)形式模型可以很好地反映AZ31B鎂合金材料在中高溫變形過(guò)程中的應(yīng)變硬化效應(yīng)和應(yīng)變軟化效應(yīng)，因而本文所提出的新模型一指數(shù)形式模型對(duì)于描述鎂合金高溫下的流變應(yīng)力軟化特征更為適合。
　　 鎂合金板料成形的主要失效控制因素不是應(yīng)力而是極限應(yīng)變。而極限應(yīng)變一般通過(guò)脹形試驗(yàn)確定。本文進(jìn)行了AZ3

5、1B鎂合金板料在三個(gè)成形溫度150℃、200℃、300℃下的半球形剛性凸模脹形試驗(yàn)，建立了對(duì)應(yīng)溫度下的成形極限圖，分析獲得了成形溫度對(duì)成形極限圖的影響規(guī)律。研究表明，AZ31B鎂合金的成形極限圖受溫度影響比較顯著，低于100℃時(shí)成形極限曲線基本匯集于一點(diǎn)，在150℃時(shí)可得到完整的成形極限圖，但位置偏低；進(jìn)一溫度升高溫度直到300℃，成形極限曲線穩(wěn)定上升，脹形性能得到顯著改善。針對(duì)試驗(yàn)制作成形極限圖費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且僅能確定幾個(gè)有限溫度點(diǎn)的成形

6、極限圖的問(wèn)題，本文在對(duì)實(shí)測(cè)成形極限曲線變化規(guī)律分析的基礎(chǔ)上，建立了AZ31B鎂合金在不同溫度下的成形極限數(shù)學(xué)模型，為AZ31B鎂合金板料沖壓成形破裂位置的預(yù)測(cè)及有限元模擬提供了依據(jù)。
　　 極限拱頂高度是反映板料成形性能的一個(gè)重要參數(shù)，本文主要采用試驗(yàn)方法研究并分析了板料厚度、成形溫度、成形速度、潤(rùn)滑條件及預(yù)成形等對(duì)AZ31B鎂合金板料成形性能的影響規(guī)律，獲得了鎂合金板料脹形成形的最優(yōu)條件，厚度為0.6mm的板料在溫度為250℃

7、，采用二硫化鉬潤(rùn)滑，且先進(jìn)行拱頂高度為10mm的預(yù)成形，保溫時(shí)間1.0h時(shí)板料的成形性能最好，其極限拱頂高度達(dá)到42mm，板料發(fā)生完全再結(jié)晶。
　　 在板料成形中摩擦是不可避免的，摩擦系數(shù)的確定是控制成形工藝及數(shù)值模擬計(jì)算的必要信息。本文將有限元模擬和試驗(yàn)研究相結(jié)合，提出了一種確定摩擦系數(shù)的新方法-有限元逆向確定法，分析獲得了不同溫度下半球形剛性凸模脹形試驗(yàn)過(guò)程中鎂合金板料與沖頭之間的摩擦系數(shù)，并結(jié)合成形極限圖對(duì)模擬結(jié)果的合理性

8、進(jìn)行了驗(yàn)證。研究表明，有限元模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果有著很好的一致性，從而為工程上確定材料接觸面間的摩擦系數(shù)提供了一種簡(jiǎn)單、可行的新思路。
　　 拉深成形是一種常見的板料沖壓工藝，本文利用Swift拉深試驗(yàn)裝置對(duì)鎂合金板料進(jìn)行了室溫及加熱狀態(tài)下的拉深試驗(yàn)，獲得了成形溫度、壓邊力、模具間隙等工藝參數(shù)對(duì)AZ31B鎂合金板料成形性能的影響規(guī)律，研究表明，AZ31B鎂合金板料室溫成形性能較差，在升高的溫度下，其成形性能顯著改善。AZ31B鎂合

9、金板料最佳成形溫度范圍在210℃-240℃之間。在較低溫度下，模具間隙可取材料厚度的1.0～1.05倍，但在較高的溫度下，取板料厚度的1.1倍的模具間隙可以得到性能更好的拉深件。利用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的壓邊力并不適用AZ31B鎂合金板料，研究表明，作用于試件上的實(shí)際壓邊力應(yīng)控制在1kN以內(nèi)。
　　 板料成形過(guò)程中的回彈現(xiàn)象是影響成形件精度的主要因素。本文通過(guò)90°V形校正彎曲試驗(yàn)，探討了成形溫度、潤(rùn)滑條件、保壓時(shí)間、最小彎曲半徑等對(duì)A

10、Z31B鎂合金板料彎曲變形及其回彈的影響規(guī)律。研究表明，成形溫度越高，鎂合金的彎曲成形性能越好，其回彈量和最小彎曲半徑越小?；貜椊请S保壓時(shí)間的變化規(guī)律是前期迅速減少，當(dāng)增加到2分鐘左右時(shí)基本不再變化。在加熱狀態(tài)下，潤(rùn)滑劑的涂覆部位和有無(wú)潤(rùn)滑劑對(duì)鎂合金的彎曲回彈影響很小。在常溫下和加熱條件下鎂合金板料最小彎曲半徑應(yīng)大于2.0mm而小于8mm，，在較低的溫度下，凸模圓角半徑宜取的大一些，但溫度較高時(shí)，可以取較小的臨界值。
　　 有限

11、元數(shù)值模擬已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計(jì)中主要的輔助分析手段。本文采用有限元法，研究了AZ31B鎂合金板料的熱成形規(guī)律，主要研究了虛擬沖壓速度對(duì)計(jì)算精度和壓邊力、原始毛坯尺寸、凸模圓角半徑對(duì)AZ31B鎂合金板料拉深性能的影響規(guī)律。研究表明，在5000 mm/s的虛擬沖壓速度下得到系統(tǒng)的動(dòng)能和沙漏能均遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于系統(tǒng)內(nèi)能，能夠保證計(jì)算精度。但考慮到鎂合金板料在實(shí)際成形時(shí)變形速度比較低，虛擬沖壓速度取值不宜太高，建議虛擬沖壓速度不要超過(guò)2000 mm/s

12、。壓邊方式和壓邊力大小的合理選取對(duì)板料成形起著關(guān)鍵性的作用，并且板料尺寸不同對(duì)壓邊力的敏感程度不同。對(duì)于小尺寸試件，由于板料過(guò)早地脫離了壓邊圈的控制，變形后期在徑向壓力作用下失穩(wěn)起皺，并且初始?jí)哼吜υ叫?，起皺越厲害。?duì)于大尺寸試件，壓邊力低于500N時(shí)，試件由于壓邊力不足而在凸緣區(qū)嚴(yán)重起皺，最后在筒形件直臂靠近凹模入口處破裂，壓邊力超過(guò)1000N時(shí)，試件在圓筒直臂區(qū)被拉裂，并且凸緣區(qū)也形成了均勻的折皺。對(duì)于本文研究的拉深條件，在良好壓邊

13、情況下，200℃時(shí)鎂合金可拉深成形的最大毛坯尺寸為70mm。隨著凸模圓角半徑的增大，沖頭行程提高，拉深性能得到顯著改善。在凸模圓角半徑從2mm到4mm變化時(shí)，沖頭行程迅速提高，當(dāng)凸模圓角半徑超過(guò)4mm后沖頭行程的增大幅度變緩，這說(shuō)明AZ31B鎂合金板料在200℃拉深時(shí)凸模圓角半徑取值應(yīng)在4mm-10mm之間。有限元數(shù)值模擬結(jié)果與熱拉深試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，表明了本文中測(cè)定的材料流變曲線、成形極限曲線及運(yùn)用有限元逆向法所估算的摩擦系數(shù)等數(shù)據(jù)是