鎂合金溫拉深工藝的有限元模擬和實驗研究

李彩霞，于彥東，潘承怡

(1. 哈爾濱理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱，150040；

2. 哈爾濱理工大學(xué) 機械動力工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱，150040)

近年來，作為密度最低的結(jié)構(gòu)材料，鎂合金廣泛應(yīng)用于汽車和電子工業(yè)領(lǐng)域[1?3]。鎂合金板材成形是一種有效的環(huán)保加工工藝。拉深作為一種重要的金屬板材成形過程，可以有效地改善生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量[4?5]。然而，由于鎂合金是密排六方結(jié)構(gòu)，所以，其室溫成形性能很差[6]。溫成形是指在高于室溫和低于再結(jié)晶溫度范圍內(nèi)完成的成形工藝，許多研究結(jié)果[7?18]表明鎂合金在 150～300 ℃表現(xiàn)出優(yōu)良的延展性和成形性能。近幾年，不少學(xué)者針對鎂合金溫拉深過程進行了大量的研究工作。Yoshiohara等[5]設(shè)計了一套加熱和冷卻系統(tǒng)，可以改善鎂合金板材的成形性能。Takuda等[19]利用AZ31為材料，研究了溫度對鎂合金拉深成形性能的影響，發(fā)現(xiàn)鎂合金的拉深成形能力隨著溫度的升高而顯著提高。Chen等[7]通過有限元分析和實驗研究方法研究了鎂合金方形件的溫拉深工藝?？紤]到鎂合金盒形件在電子工業(yè)中的應(yīng)用越來越多，如筆記本電腦殼、手機殼和MD播放器殼等，為了深入研究AZ31鎂合金的成形性能，本文作者通過實驗和有限元分析手段研究溫拉深成形AZ31鎂合金板材(成形的盒形件長×寬為50 mm×35 mm)。

1 有限元模型

應(yīng)用動態(tài)顯式分析軟件ETA/Dynaform5.5模擬溫拉深成形過程。包括模具和坯料的有限元模型如圖 1所示。通過不同溫度(從室溫到250 ℃)和不同應(yīng)變速率(0.001～0.1 s?1)下的單向拉伸試驗和熱模擬壓縮試驗確定鎂合金的機械性能，以此指導(dǎo)有限元模擬。其他模擬參數(shù)如表1所示。

圖1 盒形件有限元計算模型及網(wǎng)格劃分Fig.1 Square parts model and mesh division

表1 模擬中采用的材料性能和過程參數(shù)Table 1 Material properties and process parameters applied in FE simulation

實驗所用為通過熱軋制獲得的AZ31鎂合金商用板材，其金相組織由等軸晶粒組成，如圖2所示，經(jīng)計算其晶粒尺寸為6.1 μm。

圖2 原始板材金相組織Fig.2 Metallurgical structure of original sheets

2 盒形件拉深實驗過程

溫拉深實驗是在 Y32?100四柱萬能液壓機上進行的。模具中壓邊圈和凹模分別插入6個加熱棒作為加熱元件，可以對凹模和壓邊圈同時預(yù)熱，也可以根據(jù)需要采取對板材單面加熱(上表面或下表面)操作，采用3個熱電偶分別測量板材、凹模和壓邊圈的溫度。在實驗過程中，溫度和拉深速度等參數(shù)均是可控的，并通過這些參數(shù)來指導(dǎo)和確認數(shù)值模擬結(jié)果。

不同的成形溫度和拉深速度是影響AZ31鎂合金盒形件溫拉深最重要的過程參數(shù)。實驗溫度從室溫到250 ℃。加熱期間，沖頭遠離加熱系統(tǒng)，拉深前將板材夾緊于壓邊圈和凹模之間一段時間。當板材溫度達到預(yù)期值后停止加熱，拉深實驗開始。將水基潤滑劑PTFE均勻涂抹于和板材接觸的壓邊圈和凹模表面。

3 結(jié)果與討論

3.1 成形溫度優(yōu)化

圖3所示為模擬得出的不同溫度下AZ31鎂合金成形極限圖(速度為18 mm/min)，成形極限圖能全面、直觀地反映不同應(yīng)變狀態(tài)下板料的成形性能，因而可用以判斷復(fù)雜形狀沖壓件工藝設(shè)計的合理性，分析沖壓件的成形質(zhì)量并改進工藝，以保證沖壓生產(chǎn)的順利進行。

圖3中空心圖案代表對應(yīng)溫度下盒形件危險點在成形極限圖上所處的位置，50 ℃時其危險點處于破裂區(qū)，盒形件拉深失?。?00 ℃時其危險點落在臨界區(qū)內(nèi)，則預(yù)示該零件拉深時廢品率會很高；150 ℃時其危險點靠近界限曲線，說明必須對有關(guān)條件進行嚴格控制，否則有可能出現(xiàn)廢品；200 ℃和250 ℃時其危險點處于安全區(qū)，說明在此溫度下板料還有一定的塑性成形潛力。

圖3 模擬得出的不同溫度下AZ31鎂合金成形極限圖Fig.3 Forming limit diagram for AZ31 magnesium alloy at different temperatures

成形極限圖的分析說明其他工藝參數(shù)一定的條件下，200 ℃和250 ℃下板材成形質(zhì)量較好。

圖4所示為各溫度下拉深件對角線上不同節(jié)點厚度分布，雖然溫度不同，但是厚度的變化趨勢是相同的，最薄的地方位于和凸模拐角緊挨著的側(cè)壁處，如圖4中節(jié)點14所示；而最厚的地方位于凸緣中間位置，如圖4中節(jié)點5所示。從以上分析可以預(yù)測出盒形件拉深過程中，破裂發(fā)生在凸模拐角附近的側(cè)壁部位，從厚度減薄率可看出在200 ℃時板材的成形性能比其他溫度的好。

200 ℃時拉深件對角線上數(shù)值模擬和實驗厚度對比如圖5所示，各位置實驗結(jié)果普遍高于模擬結(jié)果。雖然模擬和實驗結(jié)果稍有偏差，但是，模擬可以預(yù)測最大減薄發(fā)生位置，估計實際拉深件上較難測量區(qū)域的厚度分布。通過模擬，優(yōu)化了工藝參數(shù)，使得成形件厚度分布更加均勻，進而提高了成形件的質(zhì)量和力學(xué)性能。

3.2 拉深速度優(yōu)化

圖6所示為模擬中不同速度不同溫度下最大沖頭力曲線。從圖6可見：隨著溫度的升高，最大沖頭力降低，說明溫度越高，所需成形力越小，而速度的變化對沖頭力的影響不是很大。

圖4 拉深速度為18 mm/min時各溫度下拉深件對角線上不同節(jié)點厚度分布Fig.4 Thickness along diagonal of square drawn at different temperatures with punch speed of 18 mm/min

圖5 拉深速度為18 mm/min和200 ℃下拉深件對角線上數(shù)值模擬和實驗厚度對比Fig.5 Thickness from numerical simulation and experiment along diagonal of square drawn at 200 ℃ with punch speed of 18 mm/min

實驗中不同拉深速度下拉深的盒形件如圖 7所示。從圖7可見：拉深速度為18 mm/min時沒有發(fā)生斷裂缺陷；當拉深速度達到66 mm/min和180 mm/min時在凸模拐角處發(fā)生斷裂。相對低的拉深速度(66 mm/min)下斷裂區(qū)域比較小，變形后期發(fā)生初始斷裂，而180 mm/min時發(fā)生的初始斷裂更早一些。此結(jié)果與模擬結(jié)果相一致，如圖8所示。這是因為：一方面隨著變形速度的增加，材料的流動性也隨之增加，而材料的斷裂抗力受變形速度的影響很小，這使得板料較早的達到了斷裂階段；另一方面，在加熱條件下進行拉深成形，增加變形速度將使鎂合金沒有足夠的時間進行恢復(fù)，造成鎂合金軟化不充分因而塑性明顯下降。

圖6 模擬中不同速度不同溫度下最大沖頭力曲線Fig.6 Maximum punch stroke with different speeds and temperatures in simulation

圖7 實驗中200 ℃時不同拉深速度下拉深的盒形件Fig.7 Square parts with different speeds at 200 ℃ of experiments

圖8 模擬中200 ℃時不同拉深速度下拉深的盒形件Fig.8 Square parts with different speeds at 200 ℃ in simulation

3.3 組織分析

200 ℃時通過拉深得到的盒形件成形質(zhì)量良好(拉深速度180 mm/min)，根據(jù)不同變形行為，選擇5個不同區(qū)域?qū)M織進行觀察，研究溫度場對變形機制的影響，這5個區(qū)域分別為凸緣、凹模拐角、側(cè)壁、凸模拐角和底面，其金相組織如圖9所示。

從圖9可以看出：法蘭、凸模拐角和底面均是等軸晶粒，凹模拐角和側(cè)壁是典型的“項鏈”組織，即發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶。從圖圖9(a)，(d)和(e)可見：在成形過程中塑性變形量很小，沒有發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，所以，在加熱過程中晶粒稍長大。圖9(b)和(c)中，在成形過程中發(fā)生大塑性變形，產(chǎn)生動態(tài)激活能，引起動態(tài)再結(jié)晶，細化了晶粒，如圖10所示。

圖9 200 ℃時盒形件不同區(qū)域的金相顯微組織Fig.9 Metallurgical structures of different areas at 200 ℃

圖10 原始板材與拉深后不同區(qū)域平均晶粒尺寸對比Fig.10 Average grain size of different areas and original sheet

4 結(jié)論

(1) 溫度和拉深速度是影響鎂合金板材溫拉深性能的重要因素。

(2) 在溫度不斷升高時，AZ31板材的成形性能顯著提高。

(3) 在200 ℃和250 ℃ AZ31鎂合金的危險點處于安全區(qū)，說明在此溫度下板料有一定的塑性成形潛力。

(4) 在200 ℃時厚度分布更均勻。

(5) 拉深速度為 18 mm/min時沒有發(fā)生斷裂缺陷；當速度達到66 mm/min和180 mm/min時在凸模拐角處發(fā)生斷裂。

(6) 實驗結(jié)果與有限元數(shù)值模擬結(jié)果匹配，說明可以通過有限元分析來指導(dǎo)實驗。

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