AZ31B鎂合金筆記本外殼沖壓工藝技術研究

高孝書，趙雪妮

（陜西科技大學，陜西 西安 710021）

本文選用1.0 mm厚AZ31B鎂合金板材作為研究對象，運用DEFORM和DYNAFORM有限元數值模擬與熱沖壓試驗相結合的手段，研究了影響沖壓成形性能的單工藝參數以及多工藝參數的組合。

1 單工藝參數的影響分析

1.1 凸模圓角的影響

本文研究了凸模圓角半徑Rp=0.75 mm、1.5 mm、3 mm、6 mm、12 mm的沖壓成形情況，直壁圓角半徑Rc=4 mm，壓邊力F=9 800 N，板材溫度Tb=250℃，凸模溫度Tp=100℃，由圖1和圖2可見，凸模圓角半徑（Rp）越大，最大沖壓成形深度越大，鎂合金的沖壓成形性能越好。

1.2 凹模直壁圓角的影響

如圖2所示，凹模直壁圓角半徑Rc=1 mm、3 mm、5 mm、7 mm、9 mm、11 mm、13mm，沖壓成形深度總體上隨凹模直壁圓角半徑的增大而增大，在Rc=9 mm時，最大沖壓成形深度達到最大值，繼續增大凹模直壁圓角半徑，沖壓成形性能降低，從而驗證了Chen Fuh-kuo等提出存在最佳凹模直壁圓角半徑的論斷。

1.3 凸凹模間隙的影響

運用DEFORM對凸凹模間隙Z=1.0 mm、1.1 mm、1.2 mm、1.3 mm、1.4 mm、1.5 mm的成形情況進行模擬計算。結果如圖3和圖4所示，當凸凹模間隙Z=1.0 mm時，Deform運算第一步即出現破裂，板材與模具間阻力很大，破裂集中在凹模圓角處；當凸凹模間隙Z=1.2 mm時，沖壓成形深度最大，成形質量最好，與試驗結果一致。當凸凹模間隙Z大于1.2 mm時，板材的貼模性差，沖壓形狀不理想、成形精度不高。

1.4 變形溫度的影響

分別設定板材、凸模、凹模、壓邊圈溫度為50℃、100℃、150℃、200℃、250℃、300℃、350℃。從圖4可見，當等溫沖壓成形溫度T0=250℃時，鎂合金筆記本外殼達到最大沖壓成形深度，試驗結果表明，鎂合金的最佳沖壓成形溫度的取值范圍是230～270℃。差溫沖壓成形溫度與成形性能的關系如表1所示，當凹/凸模組合為250/50℃時，AZ31B鎂合金筆記本外殼達到最大沖壓成形深度。

圖1 凸模圓角對沖壓成形性能的影響

圖2 凹模直壁圓角對沖壓成形性能的影響

1.5 沖壓速度的影響

試驗研究沖壓速度分別為0.1 mm/s、1 mm/s、5 mm/s、10 mm/s、20 mm/s的成形性能，當沖壓速度v=0.1 mm/s時，最大沖壓深度為29.5 mm，板材能夠完全進入沖壓模具，試驗和模擬得到的鎂合金最佳沖壓速度都是v=0.1 mm/s；當沖壓速度v=1 mm/s時，最大沖壓深度為19.5 mm，鎂合金板材的沖壓成形性能最差，在沖壓成形初期就發生破裂，這是由于鎂合金板材的變形速度增加，流動應力增大，回復時間短，軟化不充分造成的。當沖壓速度大于5 mm/s時，最大沖壓深度有所提高，但比沖壓速度為0.1 mm/s時的沖壓成形性能差。

圖3 凸凹模間隙對沖壓成形性能的影響

圖4 溫度對沖壓成形性能的影響

表1 差溫沖壓成形溫度與成形性能的關系

1.6 壓邊力的影響

DEFORM不能模擬板材的起皺情況，采用DYNAFORM有限元模擬AZ31B鎂合金筆記本外殼沖壓成形，壓邊力分別取F=0 kN、25 kN、50 kN、100 kN、200 kN，數值模擬結果如表2所示。當壓邊力F＞50 kN時，AZ31B鎂合金板材在沖壓成形過程中發生了破裂現象；當壓邊力F＜25 kN時，AZ31B鎂合金板材在沖壓成形過程中發生了起皺現象。綜合以上分析，最佳壓邊力F的取值范圍是25～50 kN。

為了有效防止起皺和變形失穩缺陷，需要設計合理的拉延筋，計算最優拉延筋參數。本試驗中采用等效拉延筋模型替代傳統的真實拉延筋模型，對壓邊力F=25 kN的AZ31B鎂合金板材分別加載f=928.241 N/mm（10%、20%、30%、40%）的等效拉延筋阻力，數值模擬結果如表3所示。

表2 壓邊力對沖壓成形的影響

表3 等效拉延筋對沖壓成形的影響

隨著等效拉延筋阻力f增大，最大邊界運動和最大總體位移量不斷減小，板材邊界運動位移逐漸變小，有效解決了板材收縮幅度過大和起皺失穩缺陷等問題。在安全成形范圍內，等效拉延筋阻力f越大，板材沖壓成形的效果越好。當等效拉延筋阻力f=278.472 N/mm（30%）時，板材開始出現破裂。因此，最優等效拉延筋阻力f的取值范圍是185.648（20%）～278.472 N/mm（30%）。

2 多工藝參數組合的影響分析

上述單參數的最優取值是在其他因素不變的情況下得出的，具有片面性和不完整性，而實際沖壓生產是多種因素相互影響、共同作用的結果，需要進行合理的組合方案試驗。為了減少多因素組合的試驗量，本文采用正交試驗法，以較少的試驗次數找出較優的試驗結果。本文采用最大沖壓成形深度作為正交試驗參考指標，基本試驗條件與單因素試驗保持一致，設定正交試驗設計方案為凸模圓角半徑、凹模溫度、凸模溫度、壓邊力的四因素四水平試驗方案，共進行16次正交試驗，正交試驗的因素水平如表4所示，試驗結果如表5所示，正交試驗結果分析如表6所示，因素與指標趨勢如圖5所示。

表4 正交試驗因素水平表

表6 正交試驗結果分析

通過求解極差，確定單因素對AZ31B鎂合金筆記本外殼沖壓成形深度影響的主次順序為凸模圓角半徑（A）→壓邊力（D）→凹模溫度（B）→凸模溫度（C）。

對AZ31B鎂合金筆記本外殼沖壓成形深度影響較優的組合為A4B4C3D1。當AZ31B鎂合金筆記本外殼成形參數采用凸模圓角半徑Rp=12 mm（A4），凹模及板材溫度Tb=300℃（B4），凸模溫度Tp=100℃（C3），壓邊力F=4 900 N（D1）時，板材的最大沖壓成形深度為H=42.5 mm，明顯優于此前試驗中的最大沖壓成形深度H=39 mm。

圖5 因素與指標趨勢圖

3 結論

本文分析了單工藝參數對AZ31B鎂合金筆記本外殼沖壓成形性能的影響，其最優取值為：凸模圓角半徑Rp=12 mm，凹模直壁圓角半徑Rc=9 mm，凸凹模間隙Z=1.2 mm，等溫沖壓成形溫度T0取值范圍是230～270℃，差溫沖壓成形溫度組合為凹/凸模250/50℃，沖壓成形速度v=0.1 mm/s，壓邊力F取值范圍是25～50 kN，等效拉延筋阻力f取值范圍是185.648（20%）～278.472 N/mm（30%）。

確定了對沖壓成形深度影響的先后順序為：凸模圓角半徑→壓邊力→凹模溫度→凸模溫度。

對沖壓成形深度影響的較優的組合為A4B4C3D1。

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