鎂合金變截面曲管塑性成形工藝參數(shù)研究

郭俊卿，董朝閣，李金才，周蘭，楊雪梅，曹盛昌

(河南科技大學材料科學與工程學院，河南洛陽471003)

鎂合金的密度小，比強度和比剛度高，具有良好的阻尼減震性、導熱性和電磁屏蔽能力強等特點，還具有鎂資源儲量豐富、鎂合金產(chǎn)品易于回收的優(yōu)點，因而被譽為“21世紀綠色工程材料”。但鎂合金是密排六方結構，滑移系少，常溫下塑性成形性能差，大多數(shù)鎂合金制品多采用鑄造工藝成形，而較少采用擠壓、軋制、鍛造等塑性成形方法[1－3]。利用鎂合金超塑性進行氣脹成形可在特定溫度下成形結構復雜的鎂合金產(chǎn)品[4]。摩托車鋼制手把管傳統(tǒng)工藝是采用直管彎曲而成，存在吸振性差、質(zhì)量大等不足，而采用鎂合金材料制作的摩托車手把管，具有質(zhì)量輕、吸振性好、舒適性高的優(yōu)點，而鎂合金摩托車手把管的尺寸要求是中端外徑大于兩端，在長度方向的壁厚保持一致，即變截面曲管，形狀較為復雜，采用塑性方法進行加工困難。作者在對AZ91D鎂合金超塑性研究的基礎上，根據(jù)變截面曲管超塑性脹形試驗與彎曲試驗，確定了其塑性成形工藝參數(shù)，實現(xiàn)了其精密塑性成形，獲得了尺寸與組織性能優(yōu)異的手把管制件，且該方法的成形設備簡單、成形精度高、操作簡便。

1 AZ91D鎂合金超塑性

根據(jù)拉伸試驗，不同溫度下AZ91D鎂合金拉伸載荷與延伸率的關系曲線如圖1所示。

圖1 不同溫度下的拉伸曲線

隨著溫度的升高，鎂合金的延伸率不斷增加，當變形溫度從280℃升至310℃時，延伸率從82%迅速增到120%，同時流動應力顯著下降至0.6 kN，表明從310℃開始AZ91D鎂合金表現(xiàn)出超塑性;升溫至340℃，其延伸率達到了161%。當溫度繼續(xù)增至370℃和400℃，高溫氧化作用使得該鎂合金的延伸率逐漸下降至115%和105%，這種延伸率隨溫度非單調(diào)性變化表明340℃是AZ91D鎂合金超塑性變形的最佳溫度。

圖2為擠壓態(tài)AZ91D鎂合金在340℃、不同應變速率條件下拉伸的真實應力應變曲線?？梢缘贸?，在340℃、應變速率為1×10－4s－1的變形條件下，擠壓態(tài)AZ91D鎂合金在超塑性變形過程中不會出現(xiàn)明顯的加工硬化和加工軟化現(xiàn)象，也不會出現(xiàn)明顯的應力峰，流動穩(wěn)定性高，并經(jīng)過大變形后失穩(wěn)斷裂;在相同溫度下，隨著應變速率的增加，真實應力峰值也增加，應變硬化和應變軟化現(xiàn)象都變得更加明顯，尤其是當應變速率達到1×10－1s－1時，該鎂合金基本沒有流變階段，真實應力達到最大值后就出現(xiàn)了失穩(wěn)斷裂。

圖2 不同應變速率下的真實應力真實應變曲線

2 鎂合金變截面曲管成形工藝

該鎂合金變截面曲管主要應用于大排量摩托車手把，其塑性成形工藝設計為:由AZ91D鎂合金棒料超塑擠壓為鎂合金直管，尺寸為外徑φ22 mm，內(nèi)徑φ14 mm，然后在脹形裝置的模具中進行超塑脹形(如圖3所示)，實現(xiàn)管坯中間脹粗，獲得壁厚均勻而外徑變化的鎂合金管(如圖4所示)，再利用彎曲模具經(jīng)過兩次彎曲加工出變截面曲管(如圖5所示)。

圖3 管材脹形裝置

圖4 零件脹形部位尺寸

圖5 管材彎曲成形

試驗在YX32-315型液壓機上進行，超塑脹形的操作過程是:模具1、5 加熱到設定溫度，把爐中預熱340～370℃的鎂合金管6 放入模腔中，合模并施加一定的壓力F;在液壓缸3、8 推動下使堵頭2、7前進密封管子兩端并給管子兩端施加一定的壓力;向氣壓缸4 內(nèi)充油，達到一定的壓力并保壓一定的時間，使管子脹形到與模腔充分貼合;最后，卸掉氣壓缸壓力，堵頭后退，取出鎂合金直管。

鎂合金摩托車手把管脹形完成后，進入彎曲成形階段。管材的彎曲按彎曲方式可分為繞彎、推彎、壓彎和滾彎。由于要求彎曲精度和外觀質(zhì)量要求較高，經(jīng)綜合分析后選用壓彎的方法成形。首先把脹形后的直管放入圖3中模具的a 腔彎曲出兩個外弧，再放入模具b 腔彎曲出兩個內(nèi)弧。

3 成形工藝參數(shù)確定

鎂合金變截面曲管塑性成形的關鍵在于其脹形階段，既要實現(xiàn)中部內(nèi)外直徑的變大，還要保證壁厚保持一致。鎂合金直管壁僅在內(nèi)壓脹形力作用下，徑向尺寸變大壁厚減薄，為保證制件壁厚保持一致，必須在軸向施加一定壓力進行補縮。脹形壓力 (內(nèi)壓)過大時，脹形后管件中部的壁厚就會小于兩端部分，甚至脹裂脹破;如果軸向壓力過大時，又易在管件中部發(fā)生扭曲。因此，軸向壓力與脹形壓力之間的匹配是否恰當、加載路徑是否合理對鎂合金直管脹形質(zhì)量具有重要影響。

3.1 軸向壓力選擇

鎂合金直管脹形時，在變形區(qū)及過渡區(qū)的壁厚發(fā)生減薄現(xiàn)象，在變形程度最大部位，即外徑最大處容易發(fā)生脹裂。在工藝計算時，既要考慮最小厚度滿足成形要求和使用要求，也要考慮平均厚度和最終成形的幾何尺寸。

利用有限元數(shù)值模擬技術，對鎂合金直管脹形時的軸向壓力進行優(yōu)化設計。管坯壁厚為4 mm，根據(jù)計算，鎂合金直管脹形壓力為6.5 MPa。將軸向壓力分別設為0、1、2 MPa，對不同軸向壓力時脹形后管壁厚度及減薄率進行數(shù)值模擬，計算結果如表1所示?？梢钥闯?，在內(nèi)壓為0～2 MPa時，隨著軸壓的增加，成形區(qū)的最大厚度也相應地增厚，在1～2 MPa時壁厚接近，軸向壓力取1.5 MPa。

表1 不同軸向壓力對應的管壁厚度

3.2 脹形壓力選擇

管材脹形時，脹形力與時間可以是正比例關系，即脹形力加載路徑為線性加載。脹形力加載也可以是階梯型，即脹形壓力升至2 MPa 后保壓一段時間后躍升至4.5 MPa，保壓后分別躍升至7、10 MPa，以實現(xiàn)對變形速率更有效地控制。不同加載方式下最大變形處的管壁厚度變化如圖6所示。

圖6 加載方式對最小壁厚的影響

采用線性加載時，脹形壓力從0分別升至2、4、6、8、10 MPa，隨著脹形壓力梯度增大，成形件最小壁厚也逐漸增大，減薄率減小。即脹形壓力變化率大，可使管坯在較高壓力下成形，成形速度快，減薄區(qū)來不及過度減薄[5]。

采用階梯型加載時，當脹形壓力增大時，成形最小厚度變大，減薄率變小;但壓力超過一定值后，隨變形壓力增大而成形最小厚度又變小。脹形壓力在5～7 MPa時，成形結果最理想，原因是隨變形壓力增大變形時間縮短截面增大處的局部減薄得到緩解;但是壓力過大時，由于變形過快，變形過渡區(qū)金屬向變形區(qū)的流動相對減緩，導致變形區(qū)減薄顯著。

3.3 彎曲工藝參數(shù)

由于鎂合金在室溫下塑性較差，彎曲時易出現(xiàn)裂紋或折斷現(xiàn)象，故彎曲前應對鎂合金管先進行加熱，加熱溫度選為180～250℃。

4 塑性成形試驗

根據(jù)AZ91D鎂合金超塑性及脹形試驗研究結果，對變截面曲管超塑脹形及彎曲工藝進行試驗。鎂合金直管超塑脹形溫度選為340～370℃，脹形初始壓力2.0 MPa，軸向壓力設為1.0～1.5 MPa，隨著脹形的進行，脹形壓力分階段加載到10 MPa。經(jīng)加工試制，鎂合金管脹形后的壁厚均勻、無減薄現(xiàn)象，貼模比較充分，外形尺寸精確，成品率比較高。經(jīng)脹形的鎂合金管在180～250℃溫度條件下，在壓彎模上經(jīng)二次彎曲，得到了合格的變截面曲管，壁厚均勻，過渡均勻光滑，彎曲處沒有裂紋或折斷現(xiàn)象，如圖7所示。

圖7 變截面曲管塑性成形制品

5 結論

鎂合金低溫下塑性成形困難，可以通過提高溫度，在超塑性狀態(tài)進行塑性成形，獲得復雜形狀的零件。

對鎂合金直管進行超塑脹形成形時，控制好合理的溫度，軸向壓力、脹形壓力的大小及相互匹配關系是能否實現(xiàn)超塑脹形的關鍵。

鎂合金直管超塑脹形溫度選為340～370℃，脹形、軸向壓力可取1.5 MPa，脹形初始壓力為2.0 MPa，并分階段加載到10 MPa，彎曲階段的成形溫度選為180～250℃，獲得了壁厚均勻、組織致密、表面光滑、尺寸符合要求鎂合金變截面曲管。

【1】黎文獻.鎂及鎂合金[M].長沙:中南大學出版社，2005.

【2】葉久新，陳明安.鎂合金及其成型技術在工業(yè)中的應用[J].湖南大學學報，2002，29(3):112－116.

【3】張土宏，王忠堂.鎂合金的塑性加工技術[J].金屬成形工藝，2002，21(5):1－4.

【4】吳立鴻，王盼，關紹康.鎂合金超塑性及其成形技術進展[J].合金加工技術，2009，37(2):10－12.

【5】袁安營，王忠堂，張士宏.管材液壓脹形有限元模擬[J].計算機輔助工程，2006，15:370－372.