鎂合金板材的固體顆粒介質(zhì)拉深工藝參數(shù)

趙長財(cái)，曹秒艷，肖 宏，董國疆，郝海濱

(1. 燕山大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，秦皇島 066004；2. 燕山大學(xué) 車輛與能源學(xué)院，秦皇島 066004)

鎂合金板材的固體顆粒介質(zhì)拉深工藝參數(shù)

趙長財(cái)1，曹秒艷1，肖 宏1，董國疆2，郝海濱1

(1. 燕山大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，秦皇島 066004；2. 燕山大學(xué) 車輛與能源學(xué)院，秦皇島 066004)

提出基于固體顆粒介質(zhì)成形(SGMF)工藝的鎂合金板材差溫拉深工藝，并展開試驗(yàn)研究。通過對(duì) AZ31B鎂合金薄板進(jìn)行差溫拉深成形試驗(yàn)，研究了成形溫度、拉深速度、壓邊力、壓邊間隙、凹模圓角和潤滑條件對(duì)拉深性能的影響，確定 AZ31B鎂合金板料最佳成形工藝參數(shù)。結(jié)果表明：該工藝可顯著提高鎂合金板材的成形性能，成形溫度及拉深速度對(duì)板料拉深性能影響較大，板料最佳成形溫度區(qū)間為290～310 ℃，顆粒介質(zhì)與板料理想溫差為110～150 ℃；壓邊力和壓邊間隙對(duì)拉深性能產(chǎn)生聯(lián)合影響；此外，凹模圓角和潤滑條件也對(duì)拉深性能有一定的影響。當(dāng)上述工藝參數(shù)達(dá)到最佳值時(shí)成功拉深出極限拉深比(LDR)為2.41的工件。

AZ31B鎂合金；固體顆粒介質(zhì)成形；差溫；拉深性能

鎂合金密度較低，是實(shí)際應(yīng)用中最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，具有比強(qiáng)度和比剛度高、電磁屏蔽效果好、抗震減震能力強(qiáng)、易于加工成形和易于回收再利用等優(yōu)點(diǎn)，在航空、航天、汽車、3G產(chǎn)品以及軍工等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景和巨大的應(yīng)用潛力[1-3]。目前，大部分鎂合金零件都是通過壓鑄工藝生產(chǎn)，但由于壓鑄件的組織不夠致密并存在一些微觀空洞，因而在使用性能方面難以滿足承力構(gòu)件的強(qiáng)度要求。而與鑄造鎂合金相比，變形鎂合金具有較高的強(qiáng)度、較好的塑性和更多樣化的規(guī)格，因而在許多方面具有一定的競爭力。由于鎂合金的結(jié)構(gòu)為密排六方，在常溫下變形時(shí)，只有基面滑移系參與，從而限制了其塑性變形能力。但在較高溫度(≥200 ℃)時(shí)，鎂合金可以通過動(dòng)態(tài)再結(jié)晶(DRX)來改善其塑性變形性能[4-5]，并在適當(dāng)工藝條件下，變形鎂合金板材具有良好的拉深成形性能，因此，鎂合金板材拉深一般都在熱態(tài)下進(jìn)行。近年來，關(guān)于鎂合金熱拉深成形方面有很多學(xué)者進(jìn)行了有益探索。YOSHIHARA等[6]通過對(duì)板材按溫度劃分3個(gè)區(qū)域設(shè)定相應(yīng)的材料參數(shù)的方法，對(duì)溫?zé)崂映尚芜^程進(jìn)行數(shù)值模擬，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了極限拉深比(LDR)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，采用合適的壓邊力和局部加熱、冷卻技術(shù)可以將鎂合金板材的極限拉深比從 2.1提高到5.0。張凱峰等[7]通過試驗(yàn)研究了鎂合金溫?zé)崂有阅?。萇群峰等[8]采用熱力耦合技術(shù)對(duì)鎂合金板材溫?zé)釠_壓過程中的溫度場進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究沖壓過程中溫度場的分布規(guī)律，并對(duì)差溫拉延工藝進(jìn)行分析，其研究結(jié)果表明：差溫拉延工藝可以提高鎂合金板材的溫?zé)岢尚涡阅?。目前也有一些學(xué)者采用橡膠、液體、氣體等彈性材料來代替剛性凸?；虬寄５能浤３尚喂に噷?duì)鋁鎂合金板材進(jìn)行拉深研究。劉曉晶等[9]對(duì)鋁鎂合金平底筒形件進(jìn)行了雙路徑加載充液拉深成形模擬研究，模擬發(fā)現(xiàn)采用合理的液室加載曲線可以有效提高鋁鎂合金筒形件的成型極限。上述工藝的出現(xiàn)促進(jìn)了板料成形技術(shù)的發(fā)展，但亦存在著模具復(fù)雜、對(duì)設(shè)備要求高、密封困難、難于熱成形等不足。為適應(yīng)板料成形的新發(fā)展，提出了既能克服剛性模成形和軟模成形的缺點(diǎn)，又吸取了各自優(yōu)點(diǎn)的新的成形工藝——固體顆粒介質(zhì)成形(Solid granules medium forming,SGMF)工藝。

SGMF工藝是采用固體顆粒代替剛性凸模(或彈性體、液體)的作用對(duì)板管料進(jìn)行軟模成形的工藝，該工藝由趙長財(cái)首次提出并成功應(yīng)用于板管材成形，取得了階段性成果[10-11]。本研究工藝與其它軟模成形工藝相比，具有制模簡單、操作簡便、低碳環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，還可以大大提高板料的成形性能及產(chǎn)品尺寸精度；并克服充液成形工藝密封困難及難以適合在高溫下工作的缺點(diǎn)。

由于鎂合金獨(dú)特的密排六方晶體結(jié)構(gòu)，沖壓成形工藝條件復(fù)雜，所以鎂合金薄板成形技術(shù)是薄板塑性成形領(lǐng)域的一個(gè)研究難題。為此，本文作者首次提出將SGMF工藝應(yīng)用于鎂合金板料熱成形，為鎂合金板料的加工制備提供了新的方法和手段，對(duì)提高鎂合金板料成形性能具有重要意義。

本文作者以AZ31B變形鎂合金為例，使用固體顆粒介質(zhì)成形工藝對(duì) AZ31B鎂合金薄板進(jìn)行差溫拉深成形，研究了成形溫度、拉深速度、壓邊力和壓邊間隙、凹模圓角、潤滑條件等對(duì)拉深性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料選用AZ31B鎂合金板材，板料厚度分別為0.6、1.0和1.1 mm，其成分如表1所列。鎂合金板料毛坯直徑為150～180 mm。

表1 AZ31B鎂合金成分分析結(jié)果Table 1 Component analysis results of AZ31B magnesium alloy (mass fraction, %)

1.2 試驗(yàn)裝置及過程

為了研究各工藝參數(shù)對(duì)AZ31鎂合金差溫拉深性能的影響，在 20～350 ℃的溫度范圍內(nèi)，采用固體顆粒介質(zhì)成形工藝對(duì) AZ31B鎂合金薄板進(jìn)行差溫拉深試驗(yàn)。試驗(yàn)在3 150 kN液壓機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)裝置如圖1所示。凹模直徑為d 80 mm，沖頭直徑為d 70 mm，沖頭底部為帶有一定錐度的平面，加強(qiáng)顆粒介質(zhì)的傳力效果；在板料和沖頭之間填充固體顆粒介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)軟凸模拉深成形；試驗(yàn)中采用彈性壓邊，壓邊力可有壓力傳感器測出；試驗(yàn)中的壓邊間隙通過放置于凹模與壓邊圈之間的調(diào)整墊片來調(diào)整。

圖1 AZ31B鎂合金差溫拉深試驗(yàn)裝置Fig. 1 Non-isothermal drawing test device of AZ31B magnesium alloy

通常情況下，鎂合金的加熱方式有外部加熱法和內(nèi)部加熱法兩種方式。本研究采用內(nèi)部加熱法，即在壓邊圈和凹模內(nèi)分別均布多根電熱棒進(jìn)行加熱。測溫裝置為便攜式數(shù)字測溫計(jì)，傳感器采用E型熱電偶，對(duì)壓邊圈及凹模表面溫度進(jìn)行精確測量。

試驗(yàn)過程中，先將潤滑劑均勻涂抹于加工坯料的上下表面(中心留有直徑d 60 mm左右的空白圓不涂抹潤滑劑)，再將板料放置于凹模之上，并用壓邊圈壓緊，通過壓力傳感器測出壓邊力并對(duì)壓邊力大小進(jìn)行調(diào)節(jié)。然后在料筒內(nèi)倒入適量顆粒介質(zhì)，以避免加熱過程中加工坯料氧化。將壓邊圈及凹模加熱至所需溫度后倒入定量室溫顆粒介質(zhì)并放入沖頭，然后保溫 5 min，以保證板料接觸的顆粒介質(zhì)、板料以及凹模的溫度場均勻，顆粒介質(zhì)溫度由紅外線測溫儀測得。

試驗(yàn)中選取0.5、1和2 mm/s 3種不同的拉深速度，以考察不同拉深速度對(duì)拉深工藝的影響。試驗(yàn)還通過采用不同潤滑劑及改變凹模圓角大小，研究不同凹模圓角和潤滑條件對(duì)拉深性能影響。工件底部形狀為球形底和平底。

2 結(jié)果與分析

2.1 成形溫度對(duì)拉深成形性能的影響

將固體顆粒介質(zhì)成形工藝應(yīng)用于鎂合金熱拉深最大的優(yōu)點(diǎn)在于，可以通過調(diào)節(jié)顆粒介質(zhì)溫度來實(shí)現(xiàn)被加工板料的差溫控制。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)坯料無溫差拉深時(shí)，容易出現(xiàn)底部中心位置拉裂現(xiàn)象。從破裂部位可以很明顯看出，工件出現(xiàn)桔皮現(xiàn)象，這主要是由于中心部位溫度過高，抗拉強(qiáng)度降低，不能提供足夠承載力將法蘭繼續(xù)拉深。

鑒于上述現(xiàn)象，采用差溫成形工藝，使板料中心局部溫度低于法蘭部位溫度，從而提高其承載力，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，二者溫差在110～150 ℃較為理想。顆粒介質(zhì)總量除了對(duì)板料形成局部溫差有影響外，在加工球形底工件時(shí)對(duì)成形高度和底部形狀有較大影響。通過對(duì)加工過程中添加不同體積介質(zhì)所成形的球形底工件進(jìn)行對(duì)比(工件1與工件2顆粒介質(zhì)加料總量分別為200 mL和320 mL)，板料直徑為160 mm，板厚1 mm，壓邊圈與凹模溫度分別為310 ℃和290 ℃。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，工件2底部為扁球，而工件1底部更趨向于球形且成形高度較高，法蘭邊較工件2更寬，這說明顆?？偭繙p少，使得沖頭在板料中心部位所傳遞的壓力衰減較少，局部應(yīng)力較大，故頂部拉脹效果更為顯著；相反地，隨著顆粒高度的增加，顆粒介質(zhì)對(duì)沖頭所傳遞的壓力衰減效果加強(qiáng)，板料與顆粒接觸部位的應(yīng)力相對(duì)均勻，因此工件底部形狀為扁球。

由 AZ31B鎂合金在不同溫度下的單向拉伸特征[12]可知，隨著溫度的升高，由于鎂合金的非基滑移系被激活，塑性變形能力顯著增強(qiáng)，拉深性能明顯提高；但與此同時(shí)，AZ31B鎂合金的抗拉強(qiáng)度卻隨著溫度的升高明顯降低。若板料溫度過高則將導(dǎo)致凹模入口板料的抗拉強(qiáng)度嚴(yán)重下降，就會(huì)降低鎂合金的拉深性能。因此，應(yīng)存在一最佳成形溫度范圍，AZ31B鎂合金板材在此溫度下具有良好的拉深性能。為了找出最佳成形溫度范圍，在150～350 ℃的范圍內(nèi)，拉深速度為1 mm/s時(shí)，得到1 mm板厚在不同溫度下的極限拉深比LDR曲線(見圖2(a))。由圖2(a)可見，最佳成形溫度為290～310 ℃，在300 ℃時(shí)，LDR達(dá)到最大值2.4。同時(shí)，測定直徑為180 mm，板厚1 mm的板料在不同溫度下拉深成形工件的高徑比(h/d)曲線(見圖2(b))，其成形工件實(shí)物如圖2(c)所示，成形溫度為300℃時(shí)，工件的成形高度達(dá)到101.6 mm。由以上試驗(yàn)結(jié)果可以看出，一方面，隨著成形溫度的升高，鎂合金的塑性能力增強(qiáng)，拉深性能會(huì)得到一定的改善。另一方面，隨著溫度的上升，板料的屈服應(yīng)力降低而且應(yīng)變硬化能力明顯減弱，這使得板料的屈強(qiáng)比(屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度的比值，σs/σb)和均勻變形能力下降，極易使危險(xiǎn)截面處金屬發(fā)生局部流動(dòng)，從而使拉深極限降低。因此，成形溫度對(duì)成形極限的影響取決于以上兩方面相互作用的結(jié)果。溫度對(duì)鎂合金變形能力施加影響的原因也能通過觀察熱拉伸實(shí)驗(yàn)后的試樣斷口形貌來得到解釋。將 AZ31B鎂合金板料試樣在Gleeble-3500熱模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)上以相同應(yīng)變速率(1.0×10-3s-1)不同溫度下進(jìn)行熱拉伸試驗(yàn)后，進(jìn)而運(yùn)用KYKY-2800型掃描電子顯微鏡對(duì)拉伸試樣的斷口進(jìn)行掃描，得到溫度分別為100、200、300、350 ℃時(shí)的形貌，如圖3所示。

由圖3中可以看出，在變形溫度100 ℃(圖3(a))時(shí)，出現(xiàn)少量較淺的韌窩；當(dāng)溫度升至200 ℃(圖3(b))時(shí)，出現(xiàn)等軸韌窩數(shù)量和深度明顯增加，表現(xiàn)出典型韌窩聚合型延性斷裂的特征，此時(shí)的斷裂是由于位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)在晶界處塞積造成應(yīng)力集中的結(jié)果；當(dāng)溫度為300 ℃(圖3(c))時(shí)，韌窩邊緣出現(xiàn)明顯的細(xì)小晶粒，說明開始出現(xiàn)沿晶斷裂；溫度達(dá)到350 ℃時(shí)，沿晶斷裂現(xiàn)象更加明顯，且晶界滑移引起的晶間微小空洞連接成較大的空洞而導(dǎo)致斷裂的發(fā)生。由此可見，鎂合金在溫度較低時(shí)的變形主要受位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)控制，當(dāng)溫度升高至300 ℃時(shí)，原子擴(kuò)散能力增強(qiáng)，受擴(kuò)散控制的晶界滑移逐漸取代了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，使鎂合金塑性明顯改善，表現(xiàn)出良好的拉深性能[13]。

圖2 不同溫度下鎂合金差溫拉深LDR曲線、成形工件高徑比和成形工件圖Fig. 2 LDR curve(a), ratio of height to diameter of work-pieces(b) and work-pieces(c) in non-isothermal drawing experiment of magnesium alloy at different temperatures

圖3 應(yīng)變速率1.0×10-3 s-1時(shí)不同溫度下工件斷口形貌Fig. 3 Fracture morphologies of work-pieces at strain rate of 1.0×10-3 s-1 and different temperatures: (a) 100 ℃; (b) 200 ℃;(c) 300 ℃; (d) 350 ℃

圖4 不同壓邊力下AZ31B鎂合金拉深成形工件Fig. 4 AZ31B drawing work-pieces under different blank holder forces: (a) 5.6 kN; (b) 8.4 kN; (c) 11.3 kN; (d) 15 kN

2.2 壓邊力對(duì)拉深性能的影響

壓邊力控制對(duì)于鎂合金板材的拉深成形性能具有重要影響[14-15]。壓邊力太大使坯料法蘭處所受摩擦力增加從而導(dǎo)致危險(xiǎn)斷面的拉應(yīng)力變大，致使坯料拉裂或者底部變薄嚴(yán)重；壓邊力太小則法蘭起皺嚴(yán)重。為研究壓邊力對(duì)鎂合金板料拉深性能的影響，以直徑為d 175 mm，厚度1 mm的鎂合金板料為研究對(duì)象，在間隙為1.3 mm、成形溫度為300 ℃的條件下，壓邊力分別設(shè)為5.6、8.4、11.3、15 kN，得到的成形工件分別如圖 4(a)～(d)所示。壓邊力偏小時(shí)工件法蘭起皺嚴(yán)重(圖4(a))，阻礙法蘭處板料繼續(xù)向直筒部流動(dòng)，造成工件底部和直壁過渡部分壁厚減薄嚴(yán)重、最終破裂；圖 4(b)中壓邊力較圖 4(a)中的有所增加，工件順利成形，法蘭處略微起皺；圖 4(c)中所示法蘭平整，看不出明顯褶皺現(xiàn)象，表面光滑，成形質(zhì)量較好；圖4(d)中壓邊力過大，工件法蘭處平整，無任何起皺現(xiàn)象，但由于太大壓應(yīng)力造成法蘭處所受摩擦力較大，從而導(dǎo)致拉應(yīng)力急劇增大，工件在危險(xiǎn)截面處壁厚減薄，最后被拉裂。

壓邊力的大小可根據(jù)下式進(jìn)行計(jì)算[16]：

式中：Fp為壓邊力；D為毛坯外徑；d為拉深件直徑；rd為凹模圓角半徑；p為單位壓邊力。

p由福開-吉田經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算

式中：σs為屈服極限；σb為抗拉強(qiáng)度；R0為毛坯半徑；r2為拉深圓筒半徑；t為板厚。

將式(1)和(2)代入具體數(shù)值見表 2，最后得到Fp=12.4 kN，該計(jì)算值比實(shí)驗(yàn)值11.3 kN稍大，這主要是由于在拉深過程中，沖頭與壓邊圈之間的摩擦力 F充當(dāng)了壓邊力的功能，對(duì)壓邊力起到加強(qiáng)作用，故作用于板料上的壓邊力實(shí)際應(yīng)為外部施加壓邊力與摩擦力F之和。

表2 拉深工件實(shí)際參數(shù)Table 2 Actual parameters of deep drawing workpiece

2.3 壓邊間隙和壓邊力聯(lián)合控制對(duì)拉深性能的影響

在本研究中，壓邊間隙和壓邊力聯(lián)合控制對(duì)板料成形施加影響，在拉深初期，由于變形小，板料法蘭部位增厚不明顯，此時(shí)由于壓邊間隙的存在，施加的壓邊力大部分由調(diào)整墊片承受，作用于板料上的壓邊力非常小，故壓邊圈和凹模對(duì)板料摩擦阻力也小，板料能夠順利繼續(xù)拉深變形，此時(shí)由壓邊間隙起主要作用保證板料進(jìn)一步拉深。由沖壓原理可知，當(dāng)拉深工件法蘭外徑Dw減至0.85倍左右坯料直徑D時(shí)，板料處于拉深變形的一個(gè)關(guān)鍵階段，此時(shí)拉深力將出現(xiàn)峰值，若板料法蘭邊緣部位失穩(wěn)起皺而使整體板厚大于壓邊間隙時(shí)，就需要依靠壓邊力來控制板料法蘭部位的過度起皺變形。由此可見，在整個(gè)板料拉深過程中，壓邊間隙和壓邊力分別在前后兩個(gè)階段起主導(dǎo)作用。但是，壓邊間隙太小時(shí)，間隙將失去意義，僅有壓邊力起作用；相反地，間隙過大時(shí)，板料起皺嚴(yán)重，壓邊力不能起到應(yīng)有的作用。因此，這兩個(gè)因素的組合存在一個(gè)最佳范圍需要通過試驗(yàn)來確定。為測定二者的最佳值，以板厚為1 mm、直徑為175 mm的板料為研究對(duì)象，在300 ℃溫度下，分別測試壓邊間隙為1.1、1.2、1.3、1.4、1.5 mm，壓邊力為5.6、8.4、11.3、15 kN共計(jì)20種工況的板料拉深性能。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，間隙為1.1 mm時(shí)，壓邊力不論大小，工件法蘭處平整光滑，在拉深開始不久即被拉裂，見圖 5(a)，這是由于在拉深過程中，法蘭厚度會(huì)增加，間隙變小，摩擦力增加，阻礙板料向凹模內(nèi)進(jìn)一步流動(dòng)；壓邊間隙為1.2 mm時(shí)，法蘭質(zhì)量較好，壓邊力為5.6 kN時(shí)可以成形，但極限成形高度只有68.3 mm(見圖5(b))，壓邊力大于5.6 kN時(shí)，工件拉裂(見圖5(c))。間隙為1.3 mm、壓邊力為11.3 kN時(shí)，成形性能及成形質(zhì)量最好，如圖5(d)所示；間隙為1.4～1.5 mm時(shí)，即便調(diào)大壓邊力也避免不了法蘭處的起皺，部分工件可以成形(見圖5(e))，但多數(shù)工件極易被拉裂(見圖5(f))。因此，合理壓邊間隙為板厚的1.2～1.3倍。

2.4 拉深速度對(duì)拉深成形性能的影響

為確定拉深速度對(duì) AZ31B鎂合金差溫拉深工藝的影響，在板料溫度為300 ℃，壓邊間隙1.3 mm，壓邊力為11.3 kN時(shí)，分別采用3種恒定的拉深速度0.5、1和2 mm/s對(duì)直徑為175 mm的AZ31鎂合金坯料進(jìn)行了拉深試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，以2 mm/s的速度拉深時(shí)，板料很快便在底部、直筒與底部過渡區(qū)發(fā)生斷裂，見圖 6(a)和圖 6(b)；在 1 mm/s的速度時(shí)可成功拉深LDR為 2.4的工件，見圖 6(c)；而以較低的速度如(0.5 mm/s)速度拉深時(shí)，坯料能完全成形，見圖 6(d)和圖6(e)。

圖5 不同間隙下AZ31B鎂合金拉深成形工件Fig. 5 AZ31B drawing work-pieces under different blank holder gaps: (a) 1.1 mm; (b) 1.2 mm, 5.6 kN; (c) 1.2 mm, ＞5.6 kN; (d)1.3 mm, 11.3 kN; (e), (f) 1.4～1.5 mm

圖6 不同拉深速度AZ31B鎂合金拉深成形工件Fig. 6 AZ31B drawing workpieces under different drawing speeds: (a), (b) 2 mm; (c), (d) 1 mm;(e) 0.5 mm

通過試驗(yàn)獲得的鎂合金板料不同拉深速度下的拉深力-沖頭行程曲線可知，拉深速度從0.5 mm/s增加至 1 mm/s，拉深力的增加不大；當(dāng)拉深速度增至 2 mm/s時(shí)，拉深力迅速增大，致使板料直壁或者底部被拉斷。這是因?yàn)橐环矫骐S著變形速度的增加，鎂合金的流動(dòng)應(yīng)力隨之增大，而材料的斷裂抗力受變形速度的影響很小，這使得板料較早到達(dá)斷裂階段[17]；另一方面，在加熱條件下拉深成形，增加變形速度將使鎂合金沒有足夠的時(shí)間進(jìn)行回復(fù)，造成鎂合金軟化不充分因而塑性明顯下降。拉深速度對(duì)成形性能影響的原因也可通過觀察不同應(yīng)變速率下的拉伸試樣組織變化來揭示。圖7所示為300 ℃下不同應(yīng)變速率下的試樣斷口顯微組織。從圖7中可以看出，應(yīng)變速率較低時(shí)，在晶界處產(chǎn)生了大量的細(xì)小再結(jié)晶顆粒；而速率較大時(shí)，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶來不及充分進(jìn)行即被破壞，晶界周圍主要是晶界滑移和破碎的細(xì)晶組織。動(dòng)態(tài)再結(jié)晶進(jìn)行的越不充分，變形中的應(yīng)力集中越難以松弛，大大降低了材料的變形協(xié)調(diào)能力，從而會(huì)使伸長率降低。這是因?yàn)閯?dòng)態(tài)再結(jié)晶是通過晶界擴(kuò)散控制的晶界遷移進(jìn)行的，是一個(gè)速率控制的過程，提高應(yīng)變速率抑制了擴(kuò)散過程的進(jìn)行，從而限制了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的發(fā)展。上述試驗(yàn)結(jié)果表明，鎂合金板材與鋁合金和鋼板等非密排六方晶格金屬相比，其差溫拉深成形對(duì)變形速度有很大的敏感性，因此，鎂合金的差溫拉深成形宜在工作速度較低的液壓機(jī)上進(jìn)行。

2.5 凹模圓角半徑對(duì)拉深成形性能的影響

試驗(yàn)測試了厚度0.6 mm和1 mm的AZ31B鎂合金板材在凹模圓角半徑分別為2、3.5、5、6.5、8 mm的條件下極限成形高度曲線(見圖8)。隨著凹模圓角半徑的增大，不同板厚的板料拉深高度均有所增加，且1 mm厚度的板材增加的趨勢更為明顯。

2.6 潤滑條件對(duì)拉深成形性能的影響

圖7 不同應(yīng)變速率下的AZ31B斷口組織形貌(橫向拉伸)Fig. 7 Fracture morphologies of AZ31B magnesium alloy under different strain rates (lateral tension): (a) 10-1 s-1;(b) 10-3 s-1

圖8 不同凹模圓角半徑下極限成形高度曲線Fig. 8 Limit forming height curves under different female die radii

為選擇合適的潤滑劑，在300 ℃成形溫度下，采用厚度1 mm的AZ31B鎂合金板料在無潤滑、肥皂潤滑、油基石墨潤滑、水基石墨潤滑和水基二硫化鉬潤滑的條件下分別進(jìn)行拉深試驗(yàn)，研究潤滑條件對(duì)拉深成形性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，無潤滑劑的條件下，工件很快被拉裂；用肥皂潤滑時(shí)，工件易被拉裂，但成形直壁高度較前者高，同時(shí)工件表面結(jié)有膠狀物清洗比較困難；油基石墨潤滑劑是由機(jī)油和石墨粉按照一定比例配置而成，該潤滑劑可以在一定程度上提高拉深高度，但是加工過程中由于加熱溫度較高，出現(xiàn)較濃煙霧，并有刺激氣味，作業(yè)環(huán)境較差，同時(shí)機(jī)油經(jīng)高溫后結(jié)成膠狀物附著在工件表面，從而加大了法蘭處的摩擦力，對(duì)工件拉深成形不利，同時(shí)工件清洗困難；水基石墨避免了油基石墨潤滑劑出現(xiàn)煙霧和刺激氣味的問題，水在高溫下蒸發(fā)，剩下石墨粉末進(jìn)行潤滑，能有效提高了拉深高度，但是石墨清洗困難，并且對(duì)鎂合金有腐蝕作用，一段時(shí)間后殘留的石墨會(huì)在工件表面留下黑色腐蝕印跡；相對(duì)而言，水基二硫化鉬是較為理想的潤滑劑，克服了前述幾種潤滑劑的缺點(diǎn)，加工完畢后潤滑劑會(huì)在工件表面形成光亮的二硫化鉬粉末薄層，非常容易清洗，最終可以得到極限拉伸比為2.4的工件。因此，水基二硫化鉬可以作為鎂合金板材溫?zé)崂畛尚蔚囊环N較理想的潤滑劑。

2.7 板厚對(duì)極限拉深比的影響

在最佳成形條件下，分別對(duì)厚度0.6、1和1.1 mm的AZ31B鎂合金板材進(jìn)行拉深試驗(yàn)，得到其極限拉深比LDR分別為2.12、2.4和2.41?？梢?，對(duì)于AZ31B鎂合金薄板而言，隨著板厚增加，極限拉深比 LDR也能增加。

3 結(jié)論

1) 提出基于固體顆粒介質(zhì)成形工藝的 AZ31B鎂合金板差溫拉深工藝，該工藝可顯著提高鎂合金板的拉深性能。

2) 鎂合金的差溫拉深極限拉深比并非隨板料溫度單調(diào)增加而是在300 ℃左右達(dá)到最大值，溫度繼續(xù)升高，極限拉深比反而下降。

3) 壓邊間隙和壓邊力聯(lián)合影響鎂合金板的拉深性能。

4) AZ31B鎂合金差溫拉深工藝對(duì)變形速度有顯著的敏感性，因此，拉深過程應(yīng)在工作速度較慢的液壓機(jī)上進(jìn)行，并需嚴(yán)格控制拉深速度。

5) 適當(dāng)增加凹模圓角可以提高拉深性能。

6) 在鎂合金的差溫拉深工藝中，選用合適的潤滑劑是保證拉深成功的重要環(huán)節(jié)。

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Solid granular medium drawing process parameters of magnesium alloy sheet

ZHAO Chang-cai1, CAO Miao-yan1, XIAO Hong1, DONG Guo-jiang2, HAO Hai-bin1
(1. College of Mechanical Engineering, Yanshan University, Qinhuangdao 066004, China;2. College of Vehicles and Energy, Yanshan University, Qinhuangdao 066004, China)

The non-isothermal drawing of the magnesium alloy sheet in solid granular medium forming (SGMF)technology was put forward. The non-isothermal drawing experiment of the AZ31B magnesium alloy sheet was conducted, through which, the impacts of the forming temperature, the drawing speed, the blank holder force and the blank holder gap as well as the female die fillet and lubrication condition on the drawing performance were studied, then the optimal process parameters were determined for AZ31B magnesium alloy sheet. The results show that this process is beneficial to significantly enhance the formability of the magnesium alloy sheet, the forming temperature and the drawing speed have great impact on the drawing performance of the sheet metal, whose optimal forming temperature is 290-310 ℃,and the ideal temperature difference between the granular medium and the sheet metal is supposed to be 110-150 ℃. The blank holder force and the blank holder gap combine to make effects on the drawing performance. Besides, the female die fillet and lubrication condition also have certain impact on the drawing performance. The workpiece with limit drawing ratio (LDR) of 2.41 is successfully obtained when the previous parameters achieve the corresponding optimal values.

AZ31B magnesium alloy; solid granules medium forming; non-isothermal; drawing performance

TG146.2

A

1004-0609(2012)04-0991-09

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50775197)

2011-06-02；

2011-11-28

趙長財(cái)，教授，博士；電話：0335-8057270；E-mail: jacmy@ysu.edu.cn

(編輯 李艷紅)