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，保護環(huán)境，實現(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，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。利用鎂合金板料溫熱

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，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。
　　 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。針對目前可用的鎂合金基本性能數(shù)據(jù)仍很缺乏的問題，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，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，其流變曲線對變形速度不敏感，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)出明顯的動態(tài)再結(jié)晶特征。本文在對高溫流變應(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)測值與試驗值均能很好地吻合，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)變一般通過脹形試驗確定。本文進行了AZ3

5、1B鎂合金板料在三個成形溫度150℃、200℃、300℃下的半球形剛性凸模脹形試驗，建立了對應(yīng)溫度下的成形極限圖，分析獲得了成形溫度對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℃時成形極限曲線基本匯集于一點，在150℃時可得到完整的成形極限圖，但位置偏低；進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。針對試驗制作成形極限圖費時費力，且僅能確定幾個有限溫度點的成形

6、極限圖的問題，本文在對實測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重要參數(shù)，本文主要采用試驗方法研究并分析了板料厚度、成形溫度、成形速度、潤滑條件及預(yù)成形等對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、，采用二硫化鉬潤滑，且先進行拱頂高度為10mm的預(yù)成形，保溫時間1.0h時板料的成形性能最好，其極限拱頂高度達到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)值模擬計算的必要信息。本文將有限元模擬和試驗研究相結(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過程中鎂合金板料與沖頭之間的摩擦系數(shù)，并結(jié)合成形極限圖對模擬結(jié)果的合理性

8、進行了驗證。研究表明，有限元模擬結(jié)果與試驗結(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拉深試驗裝置對鎂合金板料進行了室溫及加熱狀態(tài)下的拉深試驗，獲得了成形溫度、壓邊力、模具間隙等工藝參數(shù)對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)驗公式計算的壓邊力并不適用AZ31B鎂合金板料，研究表明，作用于試件上的實際壓邊力應(yīng)控制在1kN以內(nèi)。
　　 板料成形過程中的回彈現(xiàn)象是影響成形件精度的主要因素。本文通過90°V形校正彎曲試驗，探討了成形溫度、潤滑條件、保壓時間、最小彎曲半徑等對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保壓時間的變化規(guī)律是前期迅速減少，當增加到2分鐘左右時基本不再變化。在加熱狀態(tài)下，潤滑劑的涂覆部位和有無潤滑劑對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，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計算精度和壓邊力、原始毛坯尺寸、凸模圓角半徑對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)的動能和沙漏能均遠遠低于系統(tǒng)內(nèi)能，能夠保證計算精度。但考慮到鎂合金板料在實際成形時變形速度比較低，虛擬沖壓速度取值不宜太高，建議虛擬沖壓速度不要超過2000 mm/s

12、。壓邊方式和壓邊力大小的合理選取對板料成形起著關(guān)鍵性的作用，并且板料尺寸不同對壓邊力的敏感程度不同。對于小尺寸試件，由于板料過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，并且初始壓邊力越小，起皺越厲害。對于大尺寸試件，壓邊力低于500N時，試件由于壓邊力不足而在凸緣區(qū)嚴重起皺，最后在筒形件直臂靠近凹模入口處破裂，壓邊力超過1000N時，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。對于本文研究的拉深條件，在良好壓邊

13、情況下，200℃時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，沖頭行程迅速提高，當凸模圓角半徑超過4mm后沖頭行程的增大幅度變緩，這說明AZ31B鎂合金板料在200℃拉深時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)果與熱拉深試驗結(jié)果基本吻合，表明了本文中測定的材料流變曲線、成形極限曲線及運用有限元逆向法所估算的摩擦系數(shù)等數(shù)據(jù)是