材料加工技术杂志(2007)147-151 185

镁合金板料热拉深成形工艺（热拉深是否合理）

　　中国科学院金属材料研究院，沈阳110016 72文华路

　　机械工程研究所硕士论文，国立台湾海洋大学河海岐阜（是否要标点）

摘要

近年来，随着在电气设备和汽车面板覆盖件方面的应用潜力，镁合金板料产品越来越引起人们的注意。然而，由于镁合金板料在室温条件下塑性较差，通常在250~400℃条件下成形，从而导致机加工工序较为复杂及产品成本较高。

在镁合金板料拉深成形过程中，一个合理的成形温度范围决定着压边力对工件质量的影响程度，因此,选择合适的工艺参数可以有效地避免成形缺陷的产生。本文提出了用一种刚性的压边装置来调整压边力，用一种特殊的液体润滑剂聚四氟乙烯(PTFE)涂于工具表面，对在这种情况下产生的缺陷，如起皱、破裂进行实验分析，其结论与计算机仿真结果相符合。通过对缺陷产生的原因进行分析，进一步优化工艺参数, 从而达到提高镁合金工件的极限拉深比的目的。在实际的实验之前，通过计算机仿真模拟和有限元分析的方法来优化工艺参数，发现镁合金板料在成形温度范围为105-170℃时有良好的拉深成形性能，同时极限拉深比达到2.6。但是，过度持续地对金属板料进行加热，其成形性能将会受到严重的影响，所以需要对金属板料的加热时间进行必要的控制。

2006年发表于（有问题）

关键词：镁合金　温拉深　成形温度　液体润滑油　极限拉深比（是否要标点）

1、 简介

镁合金日材料由于重量轻和可回收再使用，日益成为近代工业产品的理想材料。由于较低密度，较好的碰撞安全性能及屏蔽电磁干扰能力，镁合金可用于制造一些结构件，例如：移动手机、笔记本电脑和微型磁盘等外壳(MD)。在过去，人们对这种合金作为结构材料的需求并不高，因为它在商业上的用处较少以及它的制造方法也很有限。近年来，压铸镁合金制造零部件在汽车工业中是一直流行的方法。但是，这个过程在生产薄壁镁合金结构件时是不理想的，因为在该过程中有过多的废料和铸造缺陷产生，所以板料成形工艺（如热拉深制造工艺[1]，等温气体成形工艺）已经被开发用来制造具有良好机械性能和表面质量的薄壁零件来避免缺陷的产生。

在金属板成形过种程中，拉深成形是一种非常重要的受欢迎的制造工艺。因为镁是致密的六方晶格的晶体结构，使其在室温下的成形性能很差，必须通过提高成形温度来有效地提升镁合金的成形性能[3]。通常，镁合金板料成形温度范围在250~400℃，模具的生产体系较为复杂从而导致镁合金板料的加工成本较高。镁合金板料成形工艺在工业化国家的日本、德国、新加坡和台湾地区已相当发达，我国还有待继续提升[4-6]。

    有限元分析是一种用于对加工过程进行模拟与准确预测工件变形过程非常有效的方法。有限元分析方法不仅可用于分析而且可以在设计过程中估计{zj0}的成形工艺条件。这种方法用在生产一种工业零部件之前，并对如何经济并成功生产该零件的{zj0}路径作出评估。（不是太懂）

　　近年来，研究小组已对镁合金板料成形过程进行了深入的研究[7-10]。在本文中，将利用轧制镁合金板料拉深成形实验，来探索尽可能低的镁合金成形温度范围，并对影响工件质量的主要因素作出讨论。同时，结合有限元分析来数值模拟板料成形的技术缺陷。

2、 实验及数字模拟

在镁合金板料温拉深成形实验中，采用的是一百吨四柱液压机，一个刚性的压边装置来调节压边力从而避免板料起皱。板料温度的加热方法采用外部加热或内部加热均可。当采用外部加热时，板料首先在加热炉中被加热到成形温度，之后在加热的模具中成形。当采用内部加热时，板料的加热和成形都是在预先加热到特定温度的模具中进行的。本文中选用的是内热法，电加热元件均匀分布在模具内。模具和板料的温度通过便携式数码温度传感器进行测量，该传感器有一个电阻感应器，它是一个对温度敏感测量开关。（不是很懂）

图1给出了热拉深工艺的安装图。主要工具尺寸如下：冲孔凸模直径为65.6毫米/ 66.6毫米、凸模圆角半径为5毫米，冲孔凹模直径为68毫米，凹模圆角半径为10毫米。同时，运用有限元分析的方法来预测压边力等工艺参数对工件成形质量的影响。有限元模型在图2中给出。

在实验中所用的金属板料是轧制镁合金AZ31，其初始厚度分别是0.4毫米和0.8毫米两种不同的板料。轧板被加热到250℃，保温25分钟[11]，其微观结构和拉伸后板料的拉伸面在图3和图4中给出，平均晶粒度大约5微米。（微米单位不会）

图1 温拉深原理图                       图2 有限元模型

1）压装置　2）凸模　3）板料         1）压边装置　2）凸模　3）板料　4）凹模

4）凹模　　5）加热元件

图3 轧制镁合金板料退火后微观组织    图4 轧制镁合金板料退火后拉伸平面

成形工艺条件包括：凸模的表面温度、成形速度、冲压成形的压边力和润滑油。成形温度在温度在105-170℃范围内选择，冲孔凸模的表面温度在80~100℃，成形速度为0.7至1毫米/ 秒 。液态聚四氟乙烯(PTFE)用作润滑剂，不仅可方便地清理，其形成的润滑层较为均匀，与传统润滑剂相比，在此种成形温度下，不易挥发。

3、结果与讨论

3.1  壁厚分布

在实验开始前，对镁合金零件的壁厚分布通过有限元进行模拟，可以对冲压破裂进行有效的预测。图5给出了厚度为0.8毫米的板料不同区域的图像。曲线的{zd1}点显示了冲孔凸模端部板料的厚度，这个区域是板料最容易破裂的。一般来说,当变薄率超过25%时，工件被认为成形失败。一些参数比原来的大，表面增厚的部位是材料的边缘。

图5 不同区域工件的厚度（纵横坐标是否要翻译）

3.2  成形温度对极限拉深比的影响

　  极限拉深比 (LDR)是一项评价板料拉深成形性能的重要指标。在镁合金板料热拉深成形实验中，成形温度和加热时间对极限拉深比有显著的影响。

这个实验的特点在于在尽可能低的温度条件下进行的。选择的成形温度范围在105-170℃。零件的极限拉深比在140℃时可以超过2.0，当温度为170℃时，可以达到2.6，它可能xx符合便携式电子设备外壳在变形量上的要求。

这个实验发现了镁合金板料在特定的温度范围良好的成形性能。在图6中给出了不同成形温度条件下的极限拉深比。

图6 不同成形温度下的极限拉深比

因为有较好的导热性能，镁合金板料不能在预热的模具内加热到成形温度超过10分钟。较长的加热时间，会使金属晶粒组织粗大，在凸模端部板料变脆，使拉深成形性能严重下降。

3.3  压边力对极限拉深比的影响

　  对于镁合金板料拉深成形，压边力是一个重要的工艺参数。当压边力较低时，使边缘起皱导致工件破裂，此时金属板料是很难成形的，但是边缘起皱是可以通过调整模具间隙进行阻止的；当压边力较高时，会导致凸模端部的拉应力增加，当超过板料的承受能力时，将会使工件破裂。通过有限元模拟分析的方法得出，起皱和破裂缺陷是由于压边力不当导致的，这与实验结果吻合较好。

通过表1表明：.在本文中，通过压边装置与模具表面参数不同的方法来调节压边力就能成形满意的拉深件。

表1 不合理压边力的实验结果与模拟结果对比

3.4  模具结构对工件质量的影响

　  合理的模具间隙对于制得较好质量的工件是非常重要的，特别是薄板料。较小的间隙易由于阻止材料的流动，易导致工件破裂。例如：对于厚度0.4毫米的板料，当两边模具间隙为0.7毫米时，可以获得良好的制件，如图7所示。当两边模具间隙为1.2毫米时，侧壁就产生起皱，如图8所示。（小数的书写格式如：间距）

图７　合理模具间隙的制件（０．４毫米板料）（小数的书写格式如：间距）

图8 不合理模具间隙制件（0．4毫米板料）（小数的书写格式如：间距）

研究还发现凸模圆半径减小，也会导致镁合金板料拉深成形性能的下降。这是因为在冲压时，材料在不同的拉伸方向被同时限制，并且随着模具的工作，这种限制也在迅速的增长，在冲裁的早期，易导致制件破裂。在本实验中采用了较为合理的5毫米的凸模圆角半径。

3.4  其它工艺参数

镁合金板料热拉深成形工艺过程中，成形温度、压边力、成形速度和润滑油等都是重要的工艺参数，分析这些工艺参数对拉深成形性能的影响，合理地选择工艺参数，避免成形缺陷的产生，以提高工件的极限拉深比。

通过比较发现，成形速度为1毫米/秒的工件比成形速度为0.7毫米/秒的工件更容易引起成形各向异性，这是因为成形速度越快，应力松弛的时间就越短。如图所示成形速度在1毫米/秒时的工件图。

图9 成形速度在1毫米/秒时的工件

对于液体聚四氟乙烯(PTFE)这种润滑剂被均匀涂在凹模和压边装置上，特别是在凹模的肩部，不仅保证了的拉深成形性能，而且还可以避免工件在拉深过程中表面产生划痕。

表2所示的是在不同工艺条件下的拉深质量，并对其成形质量进行分析。

表2 不同加工工艺参数下的工件

采用适当的工艺参数，镁合金可以达到2.6的极限拉学比，如图10所示。

图10 适当工艺参数下极限拉深比达到2．6的工件

3、结论

研制了一种镁合金板料在热拉深条件的实验装置，确定了低的较为合理的成形温度范围，分析了压边力对工件质量的影响。因此，选择合理的成形工艺参数可以有效地避免成形缺陷的产生。从本实验得出以下结论：

1、在热拉深实验中，轧制镁合金成形温度在105-170℃范围内具有良好的拉深成形性能，可以成功地对杯状零件进行成形。

2、成形温度在140℃时，工件的极限拉深比可以达到2.6，它可以满足便携式电器设备外壳在成形变量方面的要求，并适用于商业应用。成形温度在170℃时，极限拉深比达到2.6。在这个温度下，厚度为0.4毫米的杯件也能被成形。

3、镁合金板料不易在预热的模具中持续地加热到成形温度超过10分钟，因为这将严重影响板料的成形性能。-

4、通过分析成形缺陷产生的原因，来优化工艺参数，从而达到提升镁合金工件极限拉深比的目的。

感谢（是否正确）

作者感谢国家高技术研究发展计划(863)、中国(863计划)，等重点工程为其提供财务支持(批准No.2003AA331120工作)。

参考文献（文献资料是否要翻译）

[1]M.Somekawa,S.Kohzu,Tanabe,The press formability in magnesium

alloy AZ31,Mater.Sci.Forum 350/351(2000)177–182.

[2]Y.H.Chen,S.Y.Lee,J.Y.Wang,Isothermal gas forming of Mg alloy AZ31

sheet,J.Mater.Sci.Technol.18(2002)227–230.

[3]E.B.Konopleva,H.J.McQueen,Scrip.Mater.37(1997)1789.

[4]N.Ogawa,M.Shiomi,K.Osakada,Forming limit of magnesium alloy at

elevated temperature for precision forging,Int.J.Machine Tools Manufac.

42(2002)607–614.

[5]El-Morsy,K.Manabe,FE analysis on temperature and deformation of

magnesium alloy sheet in warm deep-drawing process,in:Proceedings of

Numisheet’02,2002,pp.171–176.

[6]E.Doege,K.Droder,Sheet metal forming of magnesium wrought alloys-

formability and process technology,J.Mater.Proc.Technol.115(2001)

14–19.

[7]S.H.Zhang,Z.T.Wang,Y.Xu,W.L.Zhou,Plastic forming technology of

magnesium alloy products,Met.Form.Technol.20(2002)1–4(in Chi-

nese).

[8]S.H.Zhang,Y.Xu,Z.T.Wang,W.L.Zhou,Forming technology of Mg

alloys,in:World SCI-TECH R&D,vol.23,2001,pp.18–21(in Chinese).

[9]K.Zhang,Z.T.Wang,S.H.Zhang,C.F.Yu,Research on magnesium alloy

(AZ31B)sheets with thermal deep-drawing process,Light Alloy Fabric.

Technol.31(2003)14–17(in Chinese).

[10]S.H.Zhang,Q.L.Jin,Z.T.Wang,Development of plasticity process-

ing of magnesium alloys,Mater.Sci.Forum 426–432(2003)545–

550.

[11]Q.L.Zhang,C.Lu,W.J.Ding,Process and microstructure of magnesium

alloy tube manufactured by divided flow extrusion,Light Alloy Fabric.

Technol.31(2003)28–30(in Chinese).

[12]F.K.Chen,T.B.Huang,C.K.Chang,Deep drawing of squre cups with

magnesium alloy AZ31 sheets,Int.J.Machine Tools Manufac.43(2003)

1553–1559.