AZ31B鎂合金板材旋壓成形工藝研究

范有發(fā) 李東南 陳文哲

福建工程學(xué)院，福州，350108

0 引言

因旋壓成形具有局部塑性變形逐步擴(kuò)展的變形特點(diǎn)，所以采用旋壓成形技術(shù)加工零件可以減小因材料變形過大造成板料壓力成形失敗的幾率。近年來，眾多學(xué)者在旋壓成形工藝參數(shù)、旋壓方法和數(shù)值模擬等方面的研究取得了較大的進(jìn)展［1－5］。旋壓成形已被用于薄壁筒形件、三維非軸對稱偏心管件、帶環(huán)向內(nèi)加強(qiáng)筋的異形件、杯形薄壁內(nèi)齒件、薄壁軸向微溝槽管件等復(fù)雜零件的旋壓成形中［6－10］。旋壓成形不僅可廣泛應(yīng)用于塑性變形性能好的有色金屬與合金零件的成形加工，還可用于鈦合金等難變形材料的回轉(zhuǎn)類零件的成形加工［11］。鎂合金在力學(xué)、電磁屏蔽、導(dǎo)熱、鑄造成形等方面具有優(yōu)良的性能，已被廣泛用于汽車、計算機(jī)、電子通信、航空、航天等領(lǐng)域［12－14］。由于變形鎂合金板材在250～450℃的較高溫度下具有較好的塑性變形性能，所以目前多采用溫?zé)崂畛尚畏椒ㄉa(chǎn)3C產(chǎn)品（信息家電）的外殼件［15－18］，該方法對鎂合金板材成形過程的工藝控制，特別是溫度控制的要求較高，難度較大，而且生產(chǎn)過程能耗大，這使得其應(yīng)用受到較大限制。日本學(xué)者有采用對加熱后的鎂合金板材進(jìn)行薄壁筒形件的旋壓成形的研究［19］，但將鎂合金板材直接進(jìn)行旋壓成形的研究報道還較為少見。本文選用商業(yè)化的變形鎂合金AZ31B擠壓板材，進(jìn)行旋壓成形工藝的實(shí)驗研究，探索鎂合金室溫旋壓成形工藝的可行性和工藝參數(shù)的控制，為鎂合金板材的塑性加工提供實(shí)驗依據(jù)。

1 實(shí)驗材料準(zhǔn)備

實(shí)驗選用北京某公司生產(chǎn)的AZ31B擠壓板材，板材規(guī)格為120mm×1.2mm（寬×厚），抗拉強(qiáng)度σb≥262MPa，延伸率δ≥14%，其化學(xué)成分如表1所示。旋壓實(shí)驗用的圓片試樣直接從供應(yīng)態(tài)板材上切取，直徑為64mm。

表1 AZ31B鎂合金板材的化學(xué)成分 %

2 旋壓成形裝置與潤滑劑選用

2.1 旋壓成形裝置

摩擦旋壓成形在CK6140型數(shù)控車床上進(jìn)行，旋壓實(shí)驗裝置如圖1所示。旋壓模具裝夾在車床三爪卡盤上隨機(jī)床主軸轉(zhuǎn)動；壓塊機(jī)構(gòu)裝夾在車床尾座上，可壓緊坯料并隨機(jī)床主軸旋轉(zhuǎn)；旋輪和摩擦片固定于車床刀架上，摩擦片頭部采用硬質(zhì)合金制造，旋壓時與坯料表面始終接觸摩擦；MSPro型紅外線測溫儀（測溫范圍－32～760℃）固定于車床后側(cè)，可做少量擺動以方便測量坯料旋壓成形區(qū)的溫度。實(shí)驗用旋壓模具、旋輪結(jié)構(gòu)尺寸如圖2所示。

圖1 AZ31B鎂合金板材旋壓實(shí)驗裝置

圖2 旋壓實(shí)驗裝置零部件的結(jié)構(gòu)尺寸

2.2 潤滑劑選用

AZ31B鎂合金板材旋壓實(shí)驗未對旋壓模具、旋輪及坯料進(jìn)行加熱，而是利用旋壓過程中材料的變形功和摩擦熱將坯料溫度迅速提升到較高溫度再進(jìn)行旋壓，實(shí)驗分別選用了醫(yī)用凡士林、3號通用鋰基脂和MoS2鈣基脂作為潤滑劑。旋壓實(shí)驗表明，醫(yī)用凡士林和3號通用鋰基脂無法承受坯料摩擦產(chǎn)生的高溫，很快失去了潤滑效果，旋壓獲得的制品表面質(zhì)量差，磨損減薄嚴(yán)重，而MoS2鈣基脂的潤滑效果較好，較高溫度下仍有一定的潤滑作用。圖3所示為使用不同潤滑劑進(jìn)行旋壓獲得的制品。實(shí)驗最終選用MoS2鈣基脂作為摩擦旋壓的潤滑劑。

圖3 不同潤滑劑旋壓成形制品

3 旋壓工藝實(shí)驗

3.1 旋輪的運(yùn)動軌跡

旋壓成形時，旋輪的運(yùn)動軌跡曲線常用的有直線、圓弧、漸開線、雙曲線等，為簡化軌跡控制和減小旋壓變形速度，本實(shí)驗選用的運(yùn)動軌跡曲線為梳形曲線（圖4），a為旋輪的單次軸向進(jìn)給量。旋輪在軸向進(jìn)給之前，摩擦片先與坯料表面接觸摩擦一段時間（約幾秒），此時旋輪做徑向往復(fù)直線運(yùn)動，當(dāng)摩擦區(qū)溫度升高到較高溫度時（由紅外測量儀監(jiān)測）開始軸向進(jìn)給，軸向每進(jìn)給一次，旋輪沿徑向直線往復(fù)運(yùn)動一次。

由于鎂合金導(dǎo)熱性好，摩擦熱向空氣擴(kuò)散速度也快，旋輪和摩擦片做徑向往復(fù)運(yùn)動有利于維持旋壓成形區(qū)坯料的成形溫度；旋壓時旋輪的軸向進(jìn)給量a為間歇式進(jìn)給，以降低鎂合金板料的變形速度，減少坯料的磨損減薄。

圖4 旋輪的運(yùn)動軌跡

3.2 坯料的轉(zhuǎn)速

旋壓時坯料跟隨車床主軸同步轉(zhuǎn)動，旋輪、摩擦片與坯料接觸摩擦，會使坯料溫度升高，實(shí)驗初選低、中、高三種轉(zhuǎn)速，即300r/min、460r/min、900r/min，軸向單次進(jìn)給量a分別取0.10mm、0.16mm、0.22mm。測得 AZ31B坯料溫度的變化曲線如圖5所示。隨著坯料回轉(zhuǎn)速度的提高，坯料的溫度發(fā)生很大變化，坯料轉(zhuǎn)速由300r/min升高到900r/min，坯料溫度升高了200℃以上。

圖5 轉(zhuǎn)速對坯料成形溫度的影響

3.3 旋壓成形實(shí)驗結(jié)果

坯料轉(zhuǎn)速的變化不僅對坯料的溫度產(chǎn)生影響，對旋壓成形件高度也有影響。如圖6所示，旋壓件的高度h1＜h2＜h3，即坯料轉(zhuǎn)速越快，獲得的旋壓件高度越大，表明AZ31B鎂合金板材的塑性變形能力越強(qiáng)。

圖6 不同轉(zhuǎn)速旋壓成形的制品

工件的旋壓成形高度還受坯料旋壓變形程度的影響，坯料外徑尺寸越大，旋壓成形時外緣材料向中心收縮變形越困難，所獲得的旋壓件高度相對較小。如圖7所示，在較高的主軸轉(zhuǎn)速（ω＝900r/min）條件下，坯料直徑越大，獲得的旋壓件高度越小。

圖7 轉(zhuǎn)速與旋壓件高度的關(guān)系

4 旋壓變形程度與缺陷分析

4.1 旋壓變形程度

旋壓變形程度通常以旋壓變形系數(shù)m表示：

式中，d為工件直徑（工件為錐形件時，則d為圓錐最小直徑）。

由式（1）可求得實(shí)驗所用坯料的旋壓變形系數(shù)為0.492。

圓錐形件極限旋壓系數(shù)的經(jīng)驗值取值范圍為0.2～0.3，而實(shí)驗所用坯料尺寸的旋壓變形系數(shù)大于極限旋壓變形系數(shù)值，即坯料的旋壓變形程度在許可范圍內(nèi)，旋壓成形不至于因變形程度過大而失控。

4.2 旋壓成形缺陷

在AZ31B鎂合金板材旋壓過程中，容易出現(xiàn)凸緣起皺、過渡圓角處斷裂、工件壁厚磨損變薄嚴(yán)重等缺陷，如圖8所示。圖8中A處有明顯的起皺失穩(wěn)現(xiàn)象，實(shí)驗發(fā)現(xiàn)當(dāng)旋輪的軸向單次進(jìn)給量a超過0.22mm時，凸緣的起皺極易發(fā)生，使旋壓成形難以進(jìn)行。圖8中B處出現(xiàn)斷裂主要是由于鎂合金坯料在較低溫度時塑性變形能力差造成的，當(dāng)旋壓坯料依靠摩擦升溫到較高的溫度時，塑性變形能力提高，旋壓成形件可避免在B處出現(xiàn)斷裂。圖8中C處是壁厚磨損變薄的主要區(qū)域，當(dāng)采用MoS2鈣基脂潤滑，并適當(dāng)減小旋輪軸向單次進(jìn)給量時，壁厚磨損減薄情況可獲得改善。

圖8 旋壓件成形缺陷

5 結(jié)論

（1）采用摩擦旋壓成形方法可以快速將坯料溫度提高至200～450℃，從而改善AZ31B鎂合金板材的旋壓塑性變形能力，可在室溫條件下直接旋壓成形碟形件。

（2）旋壓軸向進(jìn)給量、旋輪運(yùn)動軌跡、坯料旋轉(zhuǎn)速度和潤滑劑等因素對鎂合金板材的旋壓成形有較大的影響。當(dāng)旋輪采用梳形運(yùn)動軌跡，軸向進(jìn)給量為0.22mm，ω＝900r/min時，采用 MoS2鈣基脂潤滑，可取得較好的旋壓成形效果。

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