鎂合金方形件分塊壓邊液壓拉深壁厚分析

毛獻(xiàn)昌，楊連發(fā)，羅代宋，劉人毅

(1.賀州學(xué)院機(jī)械與電子工程學(xué)院，廣西賀州 542899;2.桂林電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣西桂林 541004;3.河池學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院，廣西宜州 546300)

鎂合金是實(shí)用金屬中密度最低的金屬，具有比強(qiáng)度高、剛度好、電磁界面防護(hù)性強(qiáng)等特點(diǎn)，被譽(yù)為21世紀(jì)最有發(fā)展前景的金屬材料［1］。然而，鎂合金的冷拉深成形性能較差［2］，而高溫下雖然鎂合金成形性能得到大幅度改善［3］，但鎂合金熱拉深方法卻存一系列缺點(diǎn)，如裝置復(fù)雜、溫控困難，鎂合金高溫易氧化等［4］。所以一些非常規(guī)卻先進(jìn)的拉深方法受到了學(xué)者們的關(guān)注，如液壓拉深方法［5－6］。由于將金屬板材進(jìn)行筒形件拉深后，能比較科學(xué)地分析和評(píng)價(jià)板材的成形性能，所以目前關(guān)于鎂合金板液壓拉深方面的研究多集中在筒形件拉深方面。但實(shí)際生活中的筆記本電腦外殼、電容外殼等方盒形零件卻具有其自身的成形特點(diǎn)，只有進(jìn)行鎂合金方形件拉深變形特點(diǎn)分析，才能獲得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。因此，方形件拉深的研究成為了研究熱點(diǎn)，如國內(nèi)學(xué)者張慶豐等基于增量拉深成形軌跡，研究了圓角半徑和進(jìn)給速度對盒形件成形質(zhì)量的影響規(guī)律［7］。

由于鎂合金矩形件為非旋轉(zhuǎn)體，在結(jié)構(gòu)上存在直邊和圓角邊，拉深成形過程中，直邊和圓角邊凸緣的材料變形量是不一樣的，故應(yīng)對它們施加不同的壓邊力，即采用分塊壓邊方式?；贒ynaform有限元軟件，采用分塊壓邊方式對AZ31B鎂合金板進(jìn)行方形件液壓拉深，模擬其成形過程，以研究鎂合金方形件的液壓成形效果，為后續(xù)試驗(yàn)研究提供參考依據(jù)。

1 成形裝置結(jié)構(gòu)

AZ31B鎂合金方形件液壓拉深成形裝置結(jié)構(gòu)原理示意圖如圖1(a)所示，主要由凸模、凹模、壓邊圈、底板、密封連接元件以及液壓供給系統(tǒng)組成。其中壓邊圈采用分塊壓邊形式，有4個(gè)直邊壓邊塊和4個(gè)圓角壓邊塊，其實(shí)體結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示。

圖1 成形裝置結(jié)構(gòu)

2 材料性能測試

研究所用的材料為0.6 mm厚的 AZ31B鎂合金板。通過標(biāo)準(zhǔn)單向拉伸試驗(yàn)確定材料的機(jī)械性能，試驗(yàn)中的某一狀態(tài)如圖2(a)所示。

試驗(yàn)過程依照GB/T 228-2002《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》進(jìn)行。拉伸試樣分別沿著與板材軋制方向呈0°、45°和90°的方向截取，試樣寬度為20 mm，不帶夾頭部分，如圖2(b)所示。

圖2 單向拉伸試驗(yàn)

3 方形件有限元模型建立

根據(jù)零件的幾何形狀和特征，采用Pro/E三維軟件和Dynaform軟件建立AZ31B鎂合金方形件有限元模型，如圖3所示，模具幾何參數(shù)見表1。

圖3 有限元模型

表1 模具幾何參數(shù)

模擬時(shí)，板材設(shè)為變形體，凸模、凹模和壓邊圈都設(shè)為剛性體，全部采用4節(jié)點(diǎn)殼單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格。模具成形方式為凸模單動(dòng)正向拉深，板材底部全部充滿液壓油。初始板坯是厚度為0.6 mm、直徑為65 mm的AZ31B鎂合金圓板。

4 結(jié)果討論與分析

分別研究整體式 (恒定壓邊力)和分塊式 (變壓邊力)壓邊對鎂合金方形件成形效果的影響規(guī)律，以歸納分塊壓邊及變壓力的優(yōu)點(diǎn)。以板材的壁厚變化率為研究對象，探索AZ31B鎂合金方形件的液壓成形效果。

經(jīng)初步模擬，并通過分析后處理中的FLD圖和鎂合金方形件壁厚分布云圖得知:方形件凸緣處易出現(xiàn)起皺和壁厚變厚現(xiàn)象，并且由于圓弧部位材料的變形量比直邊部位材料的變形量更大，故圓角部位凸緣的壁厚變厚或起皺現(xiàn)象較直邊處的嚴(yán)重;凸模圓角處則一般會(huì)發(fā)生壁厚變薄，而凸模圓角與轉(zhuǎn)角的交匯處極易出現(xiàn)嚴(yán)重變薄或破裂現(xiàn)象，如圖4所示。鑒于上述情況以及方形件的對稱性，為了便于比較分析其壁厚變化情況，將方形件進(jìn)行對角剖視，在剖視截面的一半上合理選取10個(gè)點(diǎn)，如圖5所示。

圖4 方形件壁厚分布云圖

4.1 整體壓邊力

研究過程中，凹模設(shè)置為靜止，凸模速度為2 000 mm/s，拉深行程為45 mm。凸模下行速度和行程保持不變，將壓邊圈的各個(gè)分塊統(tǒng)一設(shè)定相同的壓邊力，即可視為恒定壓力的整體壓邊形式，故為了模擬過程中設(shè)置的方便，可將壓邊圈設(shè)置成整體式。以壓邊力為單一變量進(jìn)行研究，分析壓邊力分別取4 500、3 500、3 200、3 000、2 500和2 200 N時(shí)的鎂合金方形件液壓成形效果。研究結(jié)果歸納如表2所示。

表2 恒力整體壓邊方式模擬結(jié)果

整體壓邊力在4 500和3 500 N時(shí)所獲得的方形件如圖6(a)和圖6(b)所示。根據(jù)兩圖并結(jié)合表2可以看出:壓邊力較大時(shí)，方形件底角出現(xiàn)了嚴(yán)重的變薄或發(fā)生破裂，此時(shí)的方形件視為拉深不成功;整體壓邊力在2 200 N時(shí)，壓邊力比較小，拉深至45 mm時(shí)，方形件雖然沒有發(fā)生破裂，但是凸模圓角處的板材厚度值過大，并且凸緣表面有明顯起皺，工件質(zhì)量也不符合要求，如圖6(c)所示:當(dāng)壓邊力Q分別為2 500和4 500 N時(shí)，可以得到整體式恒定壓邊力下AZ31B鎂合金板的最大變薄率和最大變厚率的最小值，分別為28.65%和28.17%。由此可見，壓邊力越大板材凸緣處越難變厚，但壓邊力越小凸模圓角處材料的變薄現(xiàn)象并不一定越理想。

綜合比較，壓邊力在3 000 N時(shí)，方形件的凸緣質(zhì)量比較好，圓角處的壁厚變薄現(xiàn)象也有所改善，如圖6(d)所示。

圖6 不同壓邊力下獲得的方形件

由于鎂合金方形件直邊凸緣和圓角邊凸緣的厚向應(yīng)變不一樣，如果成形過程中，施加在圓角處和直邊處的壓邊力相等 (Q圓=Q直)，則無法獲得最佳的板材成形效果。若想獲得更好的鎂合金方形件成形效果，采用分塊壓邊方式壓邊是一種有效可行的方法。

4.2 分塊壓邊力

為了提高板材金屬的流動(dòng)性，以提高板材成形性能，根據(jù)傳統(tǒng)剛性模具拉深過程中圓角和直邊金屬的應(yīng)變分布狀態(tài)，現(xiàn)將壓邊圈劃分為如圖1(b)所示的8塊，并分別對圓角壓邊塊和直邊壓邊塊施加不同的壓邊力。由于方形件圓角處凸緣材料的變形量一般大于直邊的變形量，為了防止凸緣起皺，故施加在圓角壓邊塊上的壓邊力應(yīng)大于施加在直邊壓邊塊上的壓邊力，即Q圓﹥Q直。

在不同組合的壓邊力下成形鎂合金板，獲得的板材最大變厚率和最大變薄率如表3所示。

從表3可知:采用組合2和組合5時(shí)，可以分別獲得最佳的鎂合金板材最大變薄率和最大變厚率的最小值，即27.91%和27.23%。由此可見，分塊壓邊時(shí)獲得的方形件質(zhì)量較好，凸緣起皺現(xiàn)象得到避免，壁厚均勻性也得到改善，最大變薄率從28.65%變?yōu)?7.91%，最大變厚率從28.17%變?yōu)?7.39%。

表3 不同壓邊力組合對板材厚度變化的影響

此外，表3數(shù)據(jù)還顯示:圓角和直邊這兩個(gè)部分的壓邊力對方形件最大壁厚和最小壁厚有較大影響。圓角塊壓邊力的大小很大程度上決定了工件最大壁厚值的變化，即圓角塊壓邊力相同時(shí)，獲得的板材最大變厚率基本一致;直邊塊壓邊力的大小很大程度上決定了工件最小壁厚值的變化，即直邊塊壓邊力相同時(shí)，獲得的板材最大變薄率基本一致。這說明在方形件拉深成形過程中，采用分塊壓邊圈和施加合理的壓邊力，可以有效改變板材成形過程中板材金屬的流動(dòng)方向和速度，減少起皺現(xiàn)象，明顯地改善成形質(zhì)量。

4.3 壓邊力加載方式

由于方形件為非旋轉(zhuǎn)體，其直邊與圓角邊的變形程度不同，即成形過程中施加的壓邊力也應(yīng)該不同，故文中采用分塊壓邊結(jié)構(gòu)，并在各壓邊塊上施加不同加載方式的壓邊力，以探索不同加載方式下鎂合金方形件的成形效果。

結(jié)合第4.2節(jié)分析結(jié)果，以圓角塊和直邊塊分別施加壓邊力3 000和1 000 N作為初始?jí)哼吜Γ捎貌煌膲哼吜虞d路徑對鎂合金板進(jìn)行拉深成形，3種加載路徑方式如圖7所示，圖中壓邊力增幅ΔQ均取500 N。經(jīng)數(shù)值模擬分析所得結(jié)果如表4所示。

圖7 分塊壓邊力加載曲線

表4 分塊壓邊力的加載方式模擬結(jié)果

表4中的數(shù)據(jù)顯示:在組合3方式下成形鎂合金板，可以獲得方形件壁厚最大變薄率最佳值28.85%，在其他4種組合方式下獲得的壁厚最大變薄率基本一致;在組合2方式成形鎂合金板，則可以獲得方形件壁厚最大變厚率的最佳值27.36%，而在其他4種組合方式下獲得的壁厚最大變厚率相差不大。板材拉深過程中，破裂直接導(dǎo)致工件報(bào)廢，壁厚最大變薄率是最值得關(guān)注的問題。由此可見，在鎂合金方形件分塊壓邊液壓成形過程中，直邊塊和圓角塊均采用“增－恒－減”的壓邊力加載方式較為合理。

5 結(jié)論

(1)方形件圓角部位凸緣的壁厚變厚或起皺現(xiàn)象較直邊處的嚴(yán)重，破裂現(xiàn)象一般最先發(fā)生在凸模圓角與轉(zhuǎn)角的交匯處。

(2)整體式恒力壓邊方式下，當(dāng)壓邊力分別取2 500和4 500 N時(shí)，可分別獲得AZ31B板的最大變薄率 (28.65%)和最大變厚率的最小值 (28.17%)。此外，壓邊力越大板材凸緣處越難變厚，但壓邊力越小凸模圓角處材料的變薄現(xiàn)象并不一定越理想。

(3)當(dāng)壓邊力為3 000 N時(shí)，可獲得質(zhì)量相對較好的鎂合金方形件。

(4)與整體式壓邊相比，分塊壓邊方式能改善鎂合金板的成形效果，獲得的最大變薄率和最大變厚率最小值分別為27.91%和27.23%，分別小于28.65%和28.17%。

(5)鎂合金方形件液壓拉深過程中，圓角塊上壓邊力的大小對方形件最大壁厚值有較大影響，而直邊塊上壓邊力的大小對方形件最小壁厚值有較大影響;采用“增－恒－減”的壓邊力加載方式為相對較合理的壓邊力加載方式。

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