內(nèi)壓對(duì)鎂合金差溫內(nèi)壓成形起皺行為的影響

張文達(dá)，劉 鋼，魏文庭

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)金屬精密熱加工國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150001)

隨著航空航天以及汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展，結(jié)構(gòu)件的減重成為降低成本、提高整體性能的重要途徑。內(nèi)高壓成形具有構(gòu)件完整性好、質(zhì)量輕、疲勞強(qiáng)度高、材料利用率高等特點(diǎn)［1-2］。鎂合金作為典型高比強(qiáng)度輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，采用鎂合金管材內(nèi)高壓成形技術(shù)制造空心輕體結(jié)構(gòu)件，綜合實(shí)現(xiàn)了材料減重和結(jié)構(gòu)減重兩種途徑的優(yōu)勢(shì)，具有很好的應(yīng)用前景。

由于鎂合金室溫塑性低、成形困難［3］，近年發(fā)展起來(lái)一種熱態(tài)內(nèi)壓成形方法，即:在一定加熱溫度下，利用管材塑性提高和屈服強(qiáng)度降低實(shí)現(xiàn)室溫難成形材料管件的內(nèi)壓成形。但是目前熱態(tài)內(nèi)壓成形存在二方面主要問(wèn)題:一是管材在均勻溫度下成形，管端在沖頭的軸向推力下易變形增厚，同時(shí)不受模具約束的脹形區(qū)易優(yōu)先膨脹減薄;二是高溫下摩擦系數(shù)增大，管材軸向流動(dòng)阻力大，難以補(bǔ)充到型腔中，在壓力作用下管材端部增厚。因此傳統(tǒng)熱態(tài)內(nèi)壓成形構(gòu)件壁厚不均勻性較嚴(yán)重，且可獲得的膨脹率較低［4-5］。因此提出鎂合金差溫?zé)釕B(tài)內(nèi)壓成形方法，研究鎂合金管材在非均勻溫度場(chǎng)和復(fù)合載荷作用下的塑性行為，探索提高最大膨脹率的方法和改善內(nèi)高壓成形件組織性能的途徑，為鎂合金熱態(tài)內(nèi)壓成形的應(yīng)用奠定理論和技術(shù)基礎(chǔ)。

起皺行為是管材內(nèi)高壓成形過(guò)程的主要缺陷之一，成形過(guò)程中軸向補(bǔ)料過(guò)大，壓力較低，則會(huì)出現(xiàn)起皺缺陷。但文獻(xiàn)［6］中提出有益皺紋的概念，認(rèn)為某些皺紋形狀可以提高管材的成形極限。文獻(xiàn)［7-9］中則研究了鎂合金管材熱態(tài)內(nèi)壓成形過(guò)程中的起皺行為，并通過(guò)力學(xué)分析和推導(dǎo)建立管材在內(nèi)高壓成形過(guò)程中發(fā)生起皺失穩(wěn)的預(yù)測(cè)模型，利用該模型分析壓力及應(yīng)力比、管材幾何尺寸、材料性能以及溫度對(duì)起皺失穩(wěn)的影響規(guī)律。在差溫內(nèi)壓成形過(guò)程中，由于溫度梯度的引入，材料在非均勻溫度場(chǎng)作用下不同部位力學(xué)性能，成形性能以及摩擦條件都有顯著變化，在軸向推力和壓力的耦合作用下，起皺行為與均勻溫度場(chǎng)下有顯著差別，其失穩(wěn)及缺陷的預(yù)測(cè)和防止措施均需深入研究。

因此，本文通過(guò)鎂合金差溫內(nèi)壓成形實(shí)驗(yàn)，研究了壓力對(duì)其成形過(guò)程失穩(wěn)起皺行為的影響，分析了起皺參數(shù)隨壓力的變化規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 AZ31鎂合金差溫成形原理

圖1為差溫內(nèi)壓成形模具原理圖.在成形區(qū)設(shè)置加熱棒，兩側(cè)送料區(qū)設(shè)置水冷裝置，中間用絕熱材料相隔，同時(shí)對(duì)管材內(nèi)部的介質(zhì)進(jìn)行加熱，將管材放入模具中一段時(shí)間后，管材沿著軸向?qū)⑿纬梢粋€(gè)穩(wěn)定的溫度場(chǎng)，即中間成形區(qū)溫度高，塑性好，不易破裂;兩側(cè)送料區(qū)溫度低，變形抗力大，不易增厚，可實(shí)現(xiàn)很大的補(bǔ)料量，這樣就為成形大膨脹率零件提供了基礎(chǔ)，同時(shí)可相對(duì)等溫成形有更均勻的壁厚分布.

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

為研究差溫內(nèi)壓成形過(guò)程中起皺行為，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了兩部分，首先是在一定條件下，研究起皺過(guò)程中材料流動(dòng)趨勢(shì)，然后研究在不同內(nèi)壓條件對(duì)起皺行為的影響.

圖1 差溫內(nèi)壓成形模具原理圖

為進(jìn)行定量分析，現(xiàn)定義如下參數(shù)(如圖2所示):L為過(guò)渡區(qū)兩皺峰間距離;過(guò)渡區(qū)兩皺谷間距離為l;過(guò)渡區(qū)波峰直徑為D;過(guò)渡區(qū)波谷直徑為d;成形區(qū)中部直徑為D1

其中，L與l值越小，表示成形區(qū)補(bǔ)料量越大，補(bǔ)料越充分，L與l差值越小，體現(xiàn)在過(guò)渡區(qū)皺變化率越大，整形時(shí)，越易形成死皺;D與d表示膨脹率，D與d越大，膨脹率也越大，D與d差值越大，過(guò)渡區(qū)皺變化率越大，整形時(shí)也越易形成死皺，D1在形成三個(gè)皺時(shí)，代表中間成形區(qū)皺的波峰處直徑，在形成四個(gè)皺時(shí)，是成形區(qū)兩皺的波谷直徑.

圖2 起皺分析中相關(guān)參數(shù)的定義(加上中心線)

2 結(jié)果分析

鎂合金管材差溫內(nèi)壓成形起皺行為是在壓力與軸向進(jìn)給聯(lián)合作用下，材料流動(dòng)的體現(xiàn)，當(dāng)壓力過(guò)大時(shí)，材料趨向于徑向膨脹變形，失效形式往往是破裂，當(dāng)軸向進(jìn)給量過(guò)大時(shí)，材料趨向于軸向流動(dòng)到成形區(qū)，徑向膨脹不足，整形往往形成死皺。如何控制材料起皺過(guò)程，決定了能否成形合格工件。為研究起皺過(guò)程，實(shí)驗(yàn)設(shè)定成形區(qū)溫度260℃，送料區(qū)溫度90℃，采用不同的壓力加載曲線，研究壓力對(duì)鎂合金管材差溫內(nèi)壓成形起皺行為的影響。

2.1 恒定壓力對(duì)起皺行為的影響

首先，保持壓力分別為 7 MPa、8 MPa、9 MPa，研究在一定的恒定壓力作用下，壓力對(duì)起皺對(duì)起皺參數(shù)的影響規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，相應(yīng)的皺紋參數(shù)如圖4所示。

圖3 不同補(bǔ)料量時(shí)起皺結(jié)果

圖4 不同補(bǔ)料量下起皺參數(shù)變化

從圖3中可以看出，在壓力7 MPa時(shí)，成形后形成四個(gè)皺紋，這種起皺行為在整形時(shí)由于過(guò)渡區(qū)皺紋圓角較尖而易形成死皺，同時(shí)由于成形區(qū)膨脹量較小，整形時(shí)容易發(fā)生破裂;壓力8 MPa時(shí)，成形后形成三個(gè)皺紋，由于材料分配較均勻，整形后可趨向于成形完好工件;壓力9 MPa時(shí)，中間成形區(qū)皺峰處和過(guò)渡區(qū)皺峰處接近于貼模，皺谷也有很大的膨脹率。從圖4中分析可知，隨壓力的升高L值由80.4 mm減小到62.3 mm，l值59.2 mm減小到43.3 mm，壓力越高，L與l值越小，即材料向成形區(qū)流動(dòng)趨勢(shì)越明顯，成形區(qū)補(bǔ)料越充分，另外壓力對(duì)D、d、D1的影響也比較明顯，成形壓力越大，過(guò)渡區(qū)與成形區(qū)膨脹率也越大，如果補(bǔ)料量不足時(shí)，材料更易于破裂。

2.2 恒定壓力補(bǔ)料下的皺紋演變

由于壓力8 MPa條件下，皺紋形狀勻稱(chēng)，圖5給出了單側(cè)補(bǔ)料量在10 mm、15 mm和20 mm時(shí)成形的試件照片。圖6為隨補(bǔ)料量的增加，其相應(yīng)參數(shù)的變化。

圖5 不同成形壓力下起皺結(jié)果

結(jié)合圖5與圖6，分析皺紋演變過(guò)程:隨補(bǔ)料的進(jìn)行，軸向力先到達(dá)過(guò)渡區(qū)，過(guò)渡區(qū)屈服起皺，繼續(xù)補(bǔ)料，過(guò)渡區(qū)皺紋向中間成形區(qū)移動(dòng)，體現(xiàn)在L和l隨補(bǔ)料進(jìn)行而減小，L由補(bǔ)料10 mm時(shí)的95.7 mm減小到20 mm時(shí)的74.5 mm，而l則由61.8 mm減小到46.7 mm，最后，成形區(qū)也開(kāi)始起皺。在軸向補(bǔ)料前半段，中間成形區(qū)徑向膨脹不明顯，補(bǔ)料10 mm時(shí)，D1由65 mm增大到67 mm，補(bǔ)料后半段，D1增大明顯，由10 mm時(shí)的67 mm增大到78.5 mm，具體表現(xiàn)是成形區(qū)開(kāi)始起皺，與此同時(shí)，過(guò)渡區(qū)皺紋的皺峰處D也繼續(xù)增大，但是整個(gè)補(bǔ)料過(guò)程中過(guò)渡區(qū)皺谷處d變化不大.

圖6 不同壓力下起皺參數(shù)變化

可見(jiàn)，在恒定壓力下，隨著兩端皺紋的形成，變形區(qū)中部逐漸受到較大軸向力作用，從而形成第三個(gè)皺紋，最終材料分布較為均勻。

2.3 變壓力補(bǔ)料時(shí)的皺紋演變

下面對(duì)于壓力隨補(bǔ)料量線性增加的變壓力加載曲線(圖7)，給出其皺紋演變過(guò)程，并與2.2節(jié)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

圖7 加載曲線

為觀察變壓成形過(guò)程，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了在成形區(qū)溫度260℃，送料區(qū)溫度90℃，實(shí)驗(yàn)探究變壓力進(jìn)給條件下起皺過(guò)程，壓力由8MPa逐漸升高到11 MPa，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果照片如圖8所示，其參數(shù)值結(jié)果如圖9所示.

圖8 變壓力下不同補(bǔ)料量起皺結(jié)果

圖9 變壓力下不同補(bǔ)料量起皺參數(shù)變化

從圖8起皺過(guò)程分析可知，在補(bǔ)料到10 mm時(shí)，過(guò)渡區(qū)開(kāi)始起皺，補(bǔ)料到15 mm時(shí)，成形區(qū)開(kāi)始起皺，隨著壓力的繼續(xù)升高，當(dāng)補(bǔ)料結(jié)束時(shí)，由于過(guò)渡區(qū)波谷膨脹率的增大，成形區(qū)皺紋趨向于平緩，幾乎看不出起皺過(guò)程.可見(jiàn)，采用線性增加的壓力，到補(bǔ)料結(jié)束，僅形成2個(gè)皺紋，雖然成形初期起皺形狀(圖8a)與恒定壓力時(shí)相似(圖3a)，但是，由于后續(xù)壓力增大，提高了成形區(qū)材料的穩(wěn)定性，并且使初期的2個(gè)皺紋發(fā)生擴(kuò)展，L值減小，d值增大，使成形區(qū)中部只發(fā)生了膨脹，而未能形成第三個(gè)皺紋，兩種壓力條件下的起皺參數(shù)對(duì)比如圖10所示.

圖10 不同壓力曲線起皺參數(shù)對(duì)比

3 結(jié)論

在鎂合金差溫內(nèi)壓成形實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，分析了壓力對(duì)起皺行為的影響。得出以下結(jié)論:

1)在恒定壓力條件下，當(dāng)壓力7 MPa時(shí)，成形后形成四個(gè)皺紋，過(guò)渡區(qū)皺紋圓角較尖;當(dāng)壓力8 MPa時(shí)，成形后形成三個(gè)皺紋，且中間皺紋圓角曲率比兩側(cè)過(guò)渡區(qū)皺紋圓角大;當(dāng)壓力9 MPa時(shí)，中間成形區(qū)皺峰處和過(guò)渡區(qū)皺峰處接近于貼模，在成形區(qū)中部不能形成有效的聚料.

2)在8 MPa的恒定壓力下，成形初期，過(guò)渡區(qū)首先起皺;隨著軸向補(bǔ)料量的增加，皺紋向中間成形區(qū)移動(dòng);成形后期，中間皺紋形成。成形過(guò)程中皺峰直徑D、成形區(qū)中部直徑D1都隨補(bǔ)料量增加而增大，皺谷直徑d變化不大.

3)在壓力線性增加時(shí)補(bǔ)料，成形初期起皺形狀與恒定壓力8MPa時(shí)相似，由于后續(xù)壓力增大，提高了成形區(qū)材料的穩(wěn)定性，補(bǔ)料結(jié)束后僅形成2個(gè)皺紋，并且使初期的2個(gè)皺紋發(fā)生擴(kuò)展，L值減小，d值增大，使成形區(qū)中部只發(fā)生了膨脹，而未能形成第三個(gè)皺紋。因此，采用一定的恒定內(nèi)壓，更有利于獲得均勻的多點(diǎn)起皺，有助于后續(xù)成形。

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