鎂合金材料的擠壓成形工藝優(yōu)化研究

王 鵬，李媛媛，孫旭東，董新飛

（西部金屬材料股份有限公司，陜西 西安 710201）

我國(guó)鎂資源儲(chǔ)量約占全球的67%，是我國(guó)的優(yōu)勢(shì)礦產(chǎn)資源。鎂的熔點(diǎn)在648℃，鎂合金密度小約（1.74g/cm3～1.85g/cm3）的密度，比鋁合金與鋅合金更輕，還不到鋼1/4，對(duì)減重和降耗意義重大，另外，鎂合金減震性良好，具有非常突出的電磁屏蔽性以及阻尼性，彈性模量與人骨相當(dāng)，且易降解，因此，目前已在在航天、航空、高鐵、汽車以及生物醫(yī)療等領(lǐng)域開始規(guī)?；瘧?yīng)用。在各種電子通訊產(chǎn)品以及電腦中，鎂合金材料有著普遍的應(yīng)用[1]。但是采用該成型工藝進(jìn)行一些零件生產(chǎn)過(guò)程當(dāng)中，與高性能鎂合金零件技術(shù)要求還存在很大差距，所以限制了這些零件的生產(chǎn)應(yīng)用。相較于壓鑄方法生產(chǎn)的零件，通過(guò)塑性精密成型工藝進(jìn)行鎂合金零件生產(chǎn)，不僅具有非常強(qiáng)的承載性，同時(shí)抗沖擊力非常強(qiáng)，因此，在鎂合金材料生產(chǎn)過(guò)程當(dāng)中加強(qiáng)塑性成型工藝的研究受到了普遍關(guān)注。在塑性指標(biāo)上鎂合金通常延伸率＜1000，非常敏感變形時(shí)形成的拉應(yīng)力，承受力不高，常常出現(xiàn)脆性斷裂，對(duì)應(yīng)用塑性成形技術(shù)造成很大影響。所以在變形鎂合金零件生產(chǎn)過(guò)程中，多是采用擠壓方法進(jìn)行生產(chǎn)。下文將鎂合金錐形殼體作為此次研究對(duì)象，探索分析MB2鎂合金材料反擠成形工藝，其工藝過(guò)程通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行優(yōu)化，可以進(jìn)行合格擠壓件的量化生產(chǎn)[2]。

1 鎂合金殼體擠壓成形工藝過(guò)程

圖1 鎂合金殼體示意圖

圖1上體零件呈現(xiàn)杯狀非對(duì)稱性深孔特征，MB2是其主要材料，要求擠壓成型后的零件上表面上需加工外，其他表面則不用進(jìn)行加工。該殼體零件屬于異型特征的桶型非對(duì)稱件，在擠壓時(shí)受材料不均勻流動(dòng)影響，擠壓脫模也呈現(xiàn)不均勻的受力狀態(tài)，使得反擠壓成型困難較為突出。具體工藝流程為：下料→電爐加熱→墩粗→反擠壓→后續(xù)機(jī)加工上表面。

2 擠壓成形試驗(yàn)

（1）成形溫度范圍。室溫條件下鎂合金擠壓棒材具有較低的延伸率（12%），為了更好的確保材料流動(dòng)性，控制發(fā)生缺陷問(wèn)題，通過(guò)熱反擠壓成型工藝進(jìn)行成型。

很多鎂合金無(wú)法通過(guò)熱處理，對(duì)其鍛后形成強(qiáng)化。倘若具有很高的加溫度以及很長(zhǎng)的保溫時(shí)間，再加上頻繁的加熱，就會(huì)增大晶粒尺寸，使得在結(jié)晶更加充分，降低鎂合金的屈服強(qiáng)度以及抗拉強(qiáng)度，所以對(duì)加熱溫度以及保溫時(shí)間進(jìn)行合理的控制是非常重要的。

鎂合金材料成型過(guò)程中具有劇烈的流動(dòng)，但因殼體壁較薄，對(duì)其成形力造成很大影響，需要保持較高的溫度來(lái)進(jìn)一步增強(qiáng)金屬的流動(dòng)性，但不可長(zhǎng)時(shí)間保溫，通過(guò)相關(guān)試驗(yàn)，應(yīng)當(dāng)控制在420℃～440℃等溫度對(duì)胚料進(jìn)行加熱，并控制在三個(gè)小時(shí)以內(nèi)的保溫時(shí)間，這樣不僅利于成型，同時(shí)，還能使零件成形后的機(jī)械性能得到進(jìn)一步增強(qiáng)。

在熱傳導(dǎo)系數(shù)上鎂合金非常大，250℃時(shí)能夠達(dá)到101.8W/m°K的熱傳導(dǎo)系數(shù)，超過(guò)鋼2倍之多，如果接觸室溫下的模具，會(huì)迅速地降低其溫度，影響其塑性，增大其成型力，降低充填性，所以應(yīng)當(dāng)通過(guò)加熱與保溫方法所以應(yīng)當(dāng)通過(guò)加熱與保溫方法，對(duì)模具進(jìn)行處理。試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)3個(gè)電阻絲（1.5kW）加熱凹模模特，能夠確保模具處于200℃～250℃的溫度。

（2）坯料尺寸確定。該零件橫截面呈現(xiàn)扇形不規(guī)則特征，如果利用形狀為圓形截面的毛坯，在截面中材料流動(dòng)較為劇烈，會(huì)與模具接觸面形成較大的摩擦力，使其拉應(yīng)力得到進(jìn)一步增強(qiáng)，但鎂合金材料塑性較差，這就極易導(dǎo)致材料出現(xiàn)開裂情況。通過(guò)分析與相關(guān)計(jì)算，毛坯形狀初步設(shè)計(jì)為殼體底截面形狀的實(shí)心坯料，參見圖2。

為了有效控制加熱次數(shù)以及生產(chǎn)成本，利用該坯料進(jìn)行零件反擠壓成型，首沖頭作用影響，坯料發(fā)生墩粗變形，之后沖頭不斷下行，形成反擠壓變形，因流動(dòng)的金屬，不斷增大上表面截面面積，造成其兩側(cè)圓角位置，難以很好地流動(dòng)，無(wú)法有效充滿。

圖2 下料毛坯圖

為了使圓角部分充填性得到更好的改善，對(duì)毛坯截面尺寸進(jìn)一步增大，將毛坯截面形狀，選擇為零件中間截面尺寸與形狀選擇，與零件毛坯截面相比較小的部分為正擠壓，超過(guò)該毛坯截面的部分為反擠壓，同時(shí)有效降低了截面存在的差別，有效改善了材料的流動(dòng)性，利于零件各個(gè)部分都良好的充填與成型。

（3）模具設(shè)計(jì)。鎂合金材料常常達(dá)到26.81um/m°K，T凹模材料3Cr2W8V，熱膨脹系數(shù)較高為11.71um/m°K，將b模保溫溫度進(jìn)行T凹設(shè)置，T終設(shè)置為終鍛溫度，T沖設(shè)置為沖頭溫度，可以通過(guò)以下公式計(jì)算擠壓模凸凹模尺寸：

該零件成型過(guò)程中，在保溫溫度上凹模應(yīng)當(dāng)控制在250℃，以350℃溫度進(jìn)行終鍛，并保持150℃沖頭溫度。

（4）沖頭形式及模具結(jié)構(gòu)。該零件為杯狀深孔非對(duì)稱性的殼體，如果垂直放置零件內(nèi)側(cè)直面，在擠壓成型過(guò)程中側(cè)向壓力（非對(duì)稱）會(huì)對(duì)沖頭造成很大影響，同時(shí)錐面外側(cè)金屬壁厚度會(huì)不斷變薄，如果具有較大的沖頭剛度，可以確保殼體壁厚精度，如果沖頭沒有較大強(qiáng)度，將會(huì)引發(fā)彈性變形，致使出現(xiàn)不均勻的壁厚特征。

垂直放置的內(nèi)側(cè)面凹模，零件成形后超過(guò)2mm的壁厚差。為了將成形過(guò)程中沖頭出現(xiàn)的偏載情況有效控制，通過(guò)相應(yīng)的研究和計(jì)算，在中心線位置對(duì)中放置凹模與沖頭，能夠?qū)⒊尚螘r(shí)出現(xiàn)的偏載力有效控制，是零件的壁厚得到了有效控制，可以確保零件成形后，能夠從凹模中順利的取出，其下側(cè)設(shè)有頂桿，卸料裝置裝在沖頭上。

3 結(jié)論

鎂合金材料比剛度和比強(qiáng)度非常突出，同時(shí)減震性、阻尼性以及切削加工、電磁屏蔽和表面處理與拋光等方面的性能都非常優(yōu)越，在減輕機(jī)構(gòu)重量，增強(qiáng)行走與飛行器具方面有著非常突出的作用，所以加強(qiáng)鎂合金技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用意義重大。文中結(jié)合鎂合金錐形殼體成形工藝探索分析MB2鎂合金材料反擠成形工藝，在合理的加熱溫度下，擠壓成形性較好，非常適宜于隨性壓縮狀態(tài)的成形。