鎂合金薄壁件變形分析及變形控制研究

陳晶 喬健 曹俊 張新健

山東超越數(shù)控電子股份有限公司，中國·山東 濟南 250104

鎂合金薄壁件；變形控制；低溫去應力退火；外力過壓

1 概述

鎂合金作為輕質(zhì)金屬材料，具有密度小、比剛度與比強度高、減振性好以及較強的抗電磁輻射能力等優(yōu)點。在軍工特種計算機行業(yè)已逐漸廣泛應用[1]。隨著行業(yè)對更輕更薄產(chǎn)品要求的趨勢，鎂合金薄壁件越來越多的設計和制造。鎂合金薄壁件主要為腔體類、平板類、內(nèi)側(cè)常為局部加強筋結(jié)構。常見的壁厚3mm 以內(nèi)的薄壁零件，厚長比小于0.01。典型特征如表1、圖1、圖2、圖3所示。

表1 三種類型典型特征

圖1

圖2

圖3

1.1 薄壁零件變形原因

由于夾緊力、切削力、切削熱和材料的殘余應力影響下，加工后易發(fā)生變形，加工精度難以控制,從而影響零件的裝配使用。

1.1.1 裝夾變形

因零件壁薄，在裝夾過程中由于夾緊力過大或受力不均引起的變形從而影響零件的尺寸精度和形狀精度，選擇合理的裝夾方式減小裝夾的影響。

1.1.2 切削變形

（1）切削力變形

在切削力（特別是徑向切削力）的作用下，很容易產(chǎn)生振動和變形，需要選用合適的刀具及切削參數(shù)，采用適當?shù)妮o助措施避免、減小由切削力引起的變形。

（2）切削熱變形

由于零件本身材質(zhì)和壁薄的特點，切削熱會引起零件的熱變形，使零件尺寸難以控制，所以需控制切削過程中的發(fā)熱。

1.1.3 殘余應力變形

毛坯經(jīng)過熱成形后, 冷卻過程中產(chǎn)生內(nèi)應力, 切削后內(nèi)應力重新分布引起變形,需要采用熱處理來消除內(nèi)應力, 減小殘余應力引起的變形。

由于薄壁件形狀多變且復雜，薄壁件加工受多種因素影響，采取避免加工變形的措施后，實際部分加工完成的薄壁件仍存在較大變形（如圖4所示）。

圖4

1.2 常用變形控制方法

1.2.1 高溫去應力退火法

薄壁件采用的鎂合金（AZ91D）主要成分為為Mg、Al（9%）和Zn（1%）。行業(yè)內(nèi)一般采用高溫退火爐，將鎂合金薄壁零件放在退火爐內(nèi)緩慢加熱到去應力退火溫度為533K（260℃），保溫1h。即采用鎂合金鑄件的去應力退火工藝，使化學成分均勻化，去除殘余應力，得到預期的物理性能。

但對多品種小批量的鎂合金薄壁零件，采用高溫退火爐處理，單批數(shù)量少，開爐進行退火處理，存在大量能源浪費，使鎂合金件加工成本大大升高，加工不經(jīng)濟。

1.2.2 機械外力整形法

根據(jù)零件變形情況，采用橡皮錘反向敲打，并根據(jù)實際情況反復敲打整形。

該種整形效率低下，過渡依賴人員經(jīng)驗和操作技巧，鎂合金材料較脆，過大變形量易導致零件損壞。

圖5

1.2.3 重物過壓經(jīng)驗法

在零件變形凸起面放置重物，使零件受外力變形進行校正。放置于200℃-220 ℃的固化爐中1h，隨爐冷卻15min（如圖6所示），或采用熱風槍直接局部加熱方式（如圖7所示），進行去應力退火。

該方法無數(shù)據(jù)支持，僅靠經(jīng)驗施加重物，存在施壓變形量不足，甚至施壓變形量過大出現(xiàn)反向變形。

圖6

圖7

2 低溫去應力退火研究

以上多品種小批量鎂合金薄壁件采用高溫去應力退火成本高，機械外力整形法和重物過壓經(jīng)驗法，過度依賴人員，生產(chǎn)效率低[2]。

研究采用塑粉固化爐低溫去應力退火處理。徐春杰等研究證明，在200℃以上鎂合金第一類錐面{1011}上的滑移系可以開動，外力熱擠壓變形可以細化其微觀組織，顯著提高AZ91D 的抗拉強度，伸長率及硬度。在此過程中合金α 相有足夠的獨立滑移系可以啟動，棱面滑移和基面滑移共同作用發(fā)生局部大變形。α 沿擠壓方向呈細條帶狀，β 相分布于α 條帶間。熱擠壓變形越大，細小的韌窩形成的幾率就越大，材料的塑性就越好。

多品種小批量的鎂合金薄壁件不會占用大量空間，隨塑粉固化一同加溫至200～220℃。由于固化爐溫度(最高220℃)達不到去應力退火溫度（260℃），因此不能充分去除殘余應力。根據(jù)以上理論分析，同時結(jié)合實踐，可采用外力過壓補償，即使薄壁零件受外力向變形凸起反方向有一定變形量，如圖8所示。

圖8

研究不同大小壁厚的鎂合金薄壁件的施壓點，量化施壓變形量，針對不同零件建立包含材料、施壓點，施壓量，壁厚，退火溫度和退火時間的相關參數(shù)。固化參數(shù)，并推廣用于類似特征零件的去應力退火。大大提高鎂合金薄壁件整形效率和質(zhì)量。

為準確控制施壓點，施壓量，設計加工低溫去應力退火工裝（如圖9所示）。將薄壁件放置于平整的大底板上，采用手擰螺栓向下施加壓力，可根據(jù)薄壁件的變形位置調(diào)整施壓點，精確控制施壓的變形量，薄壁件隨工裝放置于200℃～220℃的固化爐中1h，隨爐冷卻15min 進行低溫去應力退火。

圖9

為驗證工裝低溫去應力退火，設計進行以下試驗。

2.1 對零件不施加外力與施加外力情況對比

表2 實驗記錄

2.1.1 測量位置

圖10

2.1.2 底蓋（序號4）采用低溫去應力退火工裝

圖11

2.1.3 記錄高溫固化前后測量數(shù)據(jù)

表3 前后測量數(shù)據(jù)表

2.1.4 小結(jié)

（1）不對零件施加外力，零件自由形態(tài)高溫后變形量變大。說明薄壁銑加工件須進行去應力退火處理；

（2）對零件施加外力，去應力退火后，應力釋放，變形量改善明顯（序號4 變形率相對最?。?/p>

2.2 薄壁件采用低溫去應力退火工裝和壓重物施加外力對比

表4 外力對比表

2.2.1 低溫去應力退火之后測量外側(cè)面對角

圖12

2.2.2 低溫去應力退火之后測量內(nèi)側(cè)面右下角

圖13

2.2.3 低溫去應力退火方式-重物壓

圖14

2.2.4 低溫去應力退火方式-工裝壓

圖15

2.2.5 記錄退火后測量數(shù)據(jù)

表5 測量數(shù)據(jù)表

2.2.6 小結(jié)

（1）后蓋去應力采用重物壓方式，重量應控制在10～14Kg 之間（表中序號2、8 和9 數(shù)據(jù)）。大約等同工裝過壓量1mm 的效果。

（2）采用工裝對零件施加外力（過壓量約1mm），變形量控制良好。

2.3 優(yōu)化去應力退火工裝

鎂合金薄壁件放置墊板上，變形凸起面向上，采用重物塊加彈性定位針（承受一定壓力會產(chǎn)生彈性收縮）作為薄壁件變形施加重物（如圖16 所示）。適用于鎂合金薄壁件凸出面不平整，有相對高低差的情況（如圖17 所示）。鎂合金薄壁件低溫去應力退火處理后平整（如圖18 所示），可達到要求的平面度，滿足裝配使用要求。

圖16

圖17

圖18

3 結(jié)論與展望

（1）鎂合金(AZ91D)薄壁件銑加工完成后須進行去應力退火處理。

（2）采用低溫去應力退火工裝施加外力壓薄壁件方案（溫度：200～220℃之間，1h），采用外力過壓，使薄壁件反向變形。

（3）鎂合金薄壁件首件銑加工采用低溫去應力退火工裝確定過壓量，即確定形變所需的壓力。批量零件去應力采用等效重物壓的方式。重物與零件之間墊平整鋁板或不銹鋼板隔離。

（4）加工若干相同重量的鋁塊（2Kg、5Kg、10Kg 等），以應對不同尺寸和厚度的薄壁件。

（5）建立薄壁件去應力退火工藝參數(shù)表（如圖19 所示）。零件按要求進行去應力退火處理。

圖19 鎂合金薄壁件去應力退火工藝參數(shù)

（6）以上初步結(jié)論為鎂合金薄壁件變形控制提供了指導性意見，但是精確分析需建立準確的銑加工模型，考慮刀具變形，工件裝夾，切削溫度，刀具磨損等因素影響，運用有限元分析零件特征與變形的規(guī)律。有針對性精確進行變形控制。從而達到高效、經(jīng)濟優(yōu)質(zhì)加工鎂合金薄壁件的目的。