工藝參數(shù)對(duì)AZ31鎂合金板拉深成形性能的影響

郜 瑞，溫 彤，季筱瑋，張 杰

（重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶400044）

0 引 言

鎂合金是目前實(shí)際應(yīng)用中密度最小的金屬材料，它不僅具有較高的比剛度和比強(qiáng)度，而且還具有優(yōu)良的散熱性能、電磁屏蔽性能和減震性能［1］，因此在汽車(chē)、航空航天以及電器制造等行業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景。近年來(lái)，鎂合金的薄板沖壓成形技術(shù)發(fā)展迅速，不僅能滿(mǎn)足產(chǎn)品薄壁化、輕量化的要求，也能大幅提高生產(chǎn)率和產(chǎn)品合格率［2－3］，目前研究開(kāi)發(fā)鎂合金薄板沖壓成形技術(shù)成為鎂合金的研究熱點(diǎn)之一。板料的成形過(guò)程受沖壓速度、壓邊力大小、凸凹模間隙等工藝參數(shù)的影響，選取優(yōu)化合理的工藝參數(shù)是保證沖壓件無(wú)破裂、無(wú)起皺和板料厚度均勻分布等成形質(zhì)量的關(guān)鍵，但目前還難以精確建立工藝參數(shù)與成形質(zhì)量之間的關(guān)系，并且工藝參數(shù)的優(yōu)化還需要經(jīng)驗(yàn)和大量試驗(yàn)來(lái)確定，這不僅費(fèi)時(shí)，而且成本很高。

為此，作者將正交試驗(yàn)和有限元數(shù)值模擬相結(jié)合，對(duì)鎂合金板的杯形拉深成形工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以期得到最佳的工藝參數(shù)用以指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。

1 有限元模型的建立

采用Dynaform軟件對(duì)AZ31鎂合金杯形件的拉深過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬。拉深模具的有限元模型如圖1所示，AZ31鎂合金的性能參數(shù)如表1所示。

圖1 拉深模具的有限元模型Fig.1 Finite element model of deep drawing mould

表1 AZ31鎂合金的性能參數(shù)Tab.1 Properties parameters of AZ31magnesium alloy

參數(shù)設(shè)置：凸模直徑40mm，坯料直徑55mm，厚度1mm，壓邊圈運(yùn)動(dòng)速度30mm·s－1，凹模靜止，拉深深度設(shè)定為15mm，凸凹模圓角半徑為3mm。

2 拉深成形工藝參數(shù)的試驗(yàn)優(yōu)化

影響杯形件拉深成形質(zhì)量的因素很多，如壓邊力、拉深次數(shù)、凸凹模間隙、凸模運(yùn)動(dòng)速度等，若逐一分析各因素的影響，工作量太過(guò)繁重。為此，作者采用正交試驗(yàn)分析各因素對(duì)成形質(zhì)量的影響，按重要程度找出主次關(guān)系，并確定對(duì)成形質(zhì)量試驗(yàn)指標(biāo)的優(yōu)選工藝條件［4］，以達(dá)到用較少的工作量完成多因素水平影響分析的目的。

2.1 試驗(yàn)因素及水平

選用L16（45）正交表，選取壓邊力、凸凹模間隙、凸模及壓邊圈與板間的摩擦因數(shù)、凹模與板間的摩擦因數(shù)、凸模運(yùn)動(dòng)速度這5個(gè)與杯形件拉深成形有強(qiáng)相關(guān)作用的因素作為變化因子，每個(gè)因子選取4個(gè)水平，如表2所示。

表2 正交試驗(yàn)因素水平表Tab.2 Level table of orthogonal factors

2.2 質(zhì)量目標(biāo)函數(shù)

拉深成形中，成形件出現(xiàn)的主要缺陷是破裂和起皺。為了避免上述缺陷，需建立合適的成形性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。作者以杯形件成形后的壁厚最大減薄率β為質(zhì)量目標(biāo)函數(shù)［5］：

式中：t1為板料原始厚度；t2為沖壓件最小壁厚。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果及討論

根據(jù)表3中的極差R可知，各因素對(duì)沖壓件壁厚最大減薄率影響程度由大到小的順序?yàn)閴哼吜Α⑼鼓５倪\(yùn)動(dòng)速度、凸凹模間隙、凸模及壓邊圈與板間的摩擦因數(shù)、凹模與板間摩擦因數(shù)。根據(jù)正交處理的結(jié)果，將因素各水平對(duì)杯形件拉深成形的影響繪制于圖2中。

從圖2可知，隨著壓邊力（因素A）增大，壁厚最大減薄率呈快速增大的趨勢(shì)。這是因?yàn)閴哼吜^(guò)大，使得成形過(guò)程中材料的流動(dòng)不暢，底部圓角處的材料得不到補(bǔ)充，厚度減薄率增大，甚至出現(xiàn)破裂。壁厚最大減薄率隨凸凹模間隙（B）的增大呈先減小后增大的趨勢(shì)。這是由于兩者間隙過(guò)小時(shí)，坯料通過(guò)凸凹模時(shí)受阻，底部圓角處坯料減薄嚴(yán)重；凸凹模間隙過(guò)大時(shí)，會(huì)使側(cè)壁材料處于兩向受拉的不良應(yīng)力狀態(tài)而過(guò)早破裂；當(dāng)凸凹模間隙為1.10mm時(shí)，對(duì)成形最有利。由于凸模與杯壁間的摩擦可增大拉深功，進(jìn)而增大拉深力，所以摩擦因數(shù)應(yīng)取最大值，從圖2可知，板料與凸模間的摩擦因數(shù)（C）需取0.10。凹模與板料間的摩擦因數(shù)（D）對(duì)成形件厚度的影響不顯著，但根據(jù)曲線趨勢(shì)及實(shí)際經(jīng)驗(yàn)可知，法蘭部分的潤(rùn)滑是有益的，它能減小摩擦功并提高拉深件的表面質(zhì)量［6］。故在鎂合金杯形件拉深過(guò)程中，可在法蘭部分涂潤(rùn)滑油，以減小凹模與板料間的摩擦因數(shù)。隨著凸模運(yùn)動(dòng)速度（E）的增加，壁厚最大減薄率呈上升趨勢(shì)。這是因?yàn)殒V合金屬于應(yīng)變速率敏感材料，凸模運(yùn)動(dòng)速度對(duì)其成形具有較大的影響。隨變形速率的增大，板料所需的拉深力增加，增大了薄板出現(xiàn)破裂的可能性。

表3 正交試驗(yàn)方案及結(jié)果Tab.3 Plans and results of orthogonal test

根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果知，鎂合金杯形件拉深成形較優(yōu)的條件為A1B3C2D1E1，即鎂合金的杯形拉深試驗(yàn)中壓邊力取40kN，凸凹模的間隙取1.10mm，凸模及壓邊圈與板間的摩擦因數(shù)取0.10，凹模與板間的摩擦因數(shù)取0.09，凸模的運(yùn)動(dòng)速度取3mm·min－1。

3 拉深成形優(yōu)化工藝參數(shù)的有限元模擬

根據(jù)優(yōu)化的試驗(yàn)條件進(jìn)行模擬得到杯形件的厚度和成形極限云圖如圖3所示，可知此條件下成形件最薄弱的區(qū)域?yàn)榕c凸模圓角接觸的部分，減薄率為10.2%，未發(fā)生破裂，證明可將此工藝條件作為優(yōu)化的工藝條件。

將有限元模擬過(guò)的成形工藝參數(shù)應(yīng)用到AZ31鎂合金的拉深成形中，在壓力機(jī)上用模具對(duì)板料進(jìn)行沖壓，成形后的沖壓件如圖4所示。通過(guò)對(duì)杯形件的測(cè)量與檢驗(yàn)得出，圓角處的厚度最大減薄率、桶壁部分的微小起皺均符合設(shè)計(jì)要求，這同時(shí)也驗(yàn)證了有限元模擬的正確性。

圖2 各因素對(duì)成形件壁厚最大減薄率β的影響Fig.2 Effect of various factors onβ：（a）βvs blank－h(huán)older force；（b）βvs punch and die clearance；（c）βvs friction coefficient between punch and plate；（d）βvs friction coefficient between die and sheet and（e）βvs punch rate

3 結(jié) 論

（1）壓邊力對(duì)鎂合金杯形件最大壁厚減薄率的影響最大，其次是凸模運(yùn)動(dòng)速度、凸凹模間隙、凸模及壓邊圈與板間摩擦因數(shù)、凹模與板間的摩擦因數(shù)。

（2）最大壁厚減薄率隨壓邊力的增大而增大，隨凸凹模間隙的增大呈先減小后增大的趨勢(shì)，隨板料與凸、凹模間摩擦因數(shù)的增加呈先增大后減小的趨勢(shì)，隨凸模速度的增大而增大。

（3）試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了有限元模擬優(yōu)化的正確性。

［1］張凱鋒，尹德良，吳德忠，等.AZ31鎂合金板的熱拉深性能［J］.中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，2003，13（6）：1505－1509.

［2］DOEGE E，DRODER K.Sheet metal forming of magnesium wrought alloys－formability and process technology［J］.Journal of Materials Processing Technology，2001，115：14－19.

［3］張青來(lái)，盧晨，朱燕萍，等.軋制方式對(duì)AZ31鎂合金薄板組織和性能的影響［J］.中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，2004，14（3）：391－397.

［4］張先宏，崔振山，阮雪榆.鎂合金塑性成形技術(shù)——AZ31B成形性能及流變應(yīng)力［J］.上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，37（12）：1874－1877.

［5］中國(guó)科學(xué)院數(shù)學(xué)研究所數(shù)理統(tǒng)計(jì)組.正交試驗(yàn)法［M］.北京：人民教育出版社，1975.

［6］駱志高，范彬彬，郭嘯棟，等.基于正交試驗(yàn)的前臂梁沖壓成形工藝參數(shù)優(yōu)化［J］.模具工業(yè)，2008，34（11）：27－30.