基于正交設計的局部結構鎂合金板材零件熱沖鍛成形工藝優(yōu)化

趙加鈺, 周天國, 王瑞雪, 程　明

(1. 沈陽大學 機械工程學院, 沈陽　110044; 2. 長江師范學院 材料科學與工程學院, 重慶　408100; 3. 中國科學院金屬研究所 沈陽先進材料研發(fā)中心, 沈陽　110016)

0　引　　言

鎂合金的應用在近些年得到了快速的發(fā)展,在汽車生產(chǎn)、航空航天、通訊設備和醫(yī)療設備等行業(yè)中倍受青睞,被稱為“21世紀的綠色工程材料”[1]。常溫下鎂的塑性很差,變形能力得到了顯著的提高[2-4]。

板材沖鍛成形技術是板材零件的一種成形方法,在零件形狀成形的同時也完成局部的體積成形。例如帶有凸臺類結構的零件,利用沖鍛成形工藝可以替代一些鑄造成形的殼類產(chǎn)品,實現(xiàn)鎂合金、鋁合金等金屬的局部特征成形,由此可以優(yōu)化很多殼類產(chǎn)品的生產(chǎn)問題[5]。常見的固態(tài)鎂合金成形方式有鎂合金的鍛造成形、擠壓成形、軋制成形、沖壓成形[6],而鎂合金沖鍛成形可以兼顧鎂合金在成形過程中材料形狀的成形與局部特征的成形。日本的研究人員對沖鍛成形的研究時間較早,由日本日立金屬、東京精鍛工所、索尼三家公司聯(lián)合開發(fā)的鎂合金熱沖鍛復合成形技術已經(jīng)成功地運用在數(shù)碼產(chǎn)品外殼的生產(chǎn)當中[7]。K.Mori利用沖鍛成形技術明顯提高了激光拼焊接板方盒件的拉伸極限,展現(xiàn)了沖鍛成形的優(yōu)越性能[8]。他還利用伺服壓機的脈動加載方式對不銹鋼板材進行了實驗,效果令人滿意[9]。王志剛提出一種加工上下部分均有中空結構的杯形件的新方法,并通過數(shù)值模擬比較了單步壓縮和兩步壓縮的工藝特點[10]。除此之外,S.S.Khamis等使用熱沖鍛成形工藝對片狀鋁合金材料6061進行了回收利用[11]。在國內,李雪松等利用對汽車離合器襯套的數(shù)值模擬與實驗研究對沖鍛成形工藝進行了研究[12]。夏巨諶等將沖鍛成形技術運用在汽車自動變速箱的飛輪盤的生產(chǎn)、大厚度差板材的拉深塑形復合變形進行了一系列的模擬及分析,為沖鍛成形工藝在現(xiàn)實生產(chǎn)中提供了重要的指導作用,解決了某些薄壁零件因為沖壓成形或者鍛造成形而導致的零件強度不足問題[13-16]。李湖峰等對薄板件臺階孔的沖鍛成形過程進行了數(shù)值模擬研究[17]。童德茂等針對大厚差的復雜薄壁零件,對沖鍛成形工藝進行了數(shù)值模擬及研究,驗證了沖鍛復合成形的實用性[18]。張士宏等對底部帶有凸柱的AZ31B鎂合金方盒件的沖鍛成形過程進行了數(shù)值模擬與實驗[5],研究了其熱沖鍛成形工藝。

本文以鎂合金AZ31板材為研究材料,針對帶有凸臺結構的板材零件沖鍛成形的工藝進行模擬優(yōu)化研究。

1　工藝分析與方案設計

1.1　工藝原理

圖1　零件成品效果圖Fig.1　　　　Designed shape of the sheet part after press forging

本文所研究的材料為AZ31鎂合金板材。經(jīng)過熱沖鍛成形,獲得帶有凸臺結構的板材零件。擬優(yōu)化的工藝參數(shù)包括:成形溫度、摩擦因子、凸模內孔圓角半徑、板材厚度和板材直徑等。優(yōu)化目標為提高凸臺的成形高度,減小成形所需的最大載荷。

圖1為沖鍛成形零件示意圖。厚度為0.5 mm,直徑有10 mm和8 mm這2種規(guī)格。在零件表面對稱分布2個高為0.5 mm,直徑為0.5 mm的凸臺結構。

1.2　正交模擬方案

除成形溫度、摩擦因子和板材厚度、直徑外,擬分析3種不同的凸模內孔圓角半徑,研究不同的模具結構對成形性能的影響。

工藝參數(shù)正交設計的實驗如表1所示。

評價指標:A—極限成形載荷/kN;B—凸臺填充高度/mm。

數(shù)值模擬實驗按照以上正交設計的9組實驗進行,分別進行8 mm和10 mm直徑板料的計算。

表1　工藝參數(shù)正交設計Tab.1　Orthogonal design of the parameter

2　有限元模型的建立

鎂合金在高溫下熱沖鍛成形過程中的彈性變形很小,可忽略不計。利用Deform-3D軟件進行數(shù)值模擬計算。摩擦類型選用剪切摩擦,板料與凸模、板料與凹模間均有摩擦,摩擦因子設置為0.1、0.15、0.2;沖鍛成形過程中采用等溫變形,不考慮傳熱因素,設置成形溫度為150、250、350 ℃;板材厚度設置為0.5、0.7、1 mm;凸模內孔圓角半徑設置為0.1、0.15、0.2 mm;板材直徑設置為8 mm和10 mm。將以上工藝參數(shù)進行正交設計。成形模具的示意圖如圖2所示,凸模示意圖如圖3所示,模孔深度為1.5 mm。模擬的工件變形過程如圖4所示。

圖2　成形模具示意圖Fig.2　Schematic diagram of the die

圖3　凸模示意圖Fig.3　Schematic diagram of the punch

圖4　數(shù)值模擬的工件變形過程Fig.4　Deformation process

3　實驗結果與分析

3.1　直徑10 mm板料模擬的實驗結果

直徑為10 mm的板料通過模擬實驗得到每組實驗的極限成形載荷如圖5所示,影響極限成形載荷的效應曲線圖如圖6所示,極限成形載荷單位kN。

圖5　直徑10 mm板料每組實驗的極限成形載荷Fig.5　Forming load of the sheet part in the diameter of 10 mm

(a) 板材厚度的影響; (b) 溫度的影響; (c) 摩擦因子的影響; (d) 凸模內孔圓角直徑的影響。圖6　效應曲線圖Fig.6　Effect curve

從以上的效應曲線可以看出,對于成形載荷而言,溫度的影響非常顯著,摩擦次之,板厚與凸模圓角半徑影響很小。故成形過程建議采用相對高的溫度來有效降低成形載荷。

通過模擬實驗得到每組實驗的凸臺成形高度如圖7所示,影響凸臺高度的效應曲線圖如圖8所示,凸臺成形高度單位mm。

從以上的效應曲線可以看出,對于凸臺填充高度而言,板厚的影響非常顯著,溫度次之,摩擦與凸模圓角半徑影響不大。故成形過程為獲取較高的凸臺高度需采用相對厚的板材來進行成形。

3.2　直徑8 mm板料模擬的實驗結果

直徑8 mm與直徑10 mm的板料通過模擬實驗得到每組實驗的極限成形載荷對比圖如圖9所示,極限成形載荷單位kN。

圖7　每組實驗的凸臺成形高度Fig.7　Height of the concave boss

(a) 板材厚度的影響; (b) 溫度的影響; (c) 摩擦因子的影響; (d) 凸模內孔圓角直徑的影響。圖8　效應曲線圖Fig.8　Effect curve

圖9　直徑8 mm與直徑10 mm的板料每組實驗的極限成形載荷對比圖Fig.9　Forming load of the sheet part in the diameter of 8 mm and 10 mm

相比于板料直徑為10 mm的實驗,直徑8 mm的板料極限成形載荷明顯變小,而溫度等因素對極限成形載荷的影響規(guī)律與之前的結果相同。因此,模擬結果表明,選用直徑較小的板料能夠有效地減小成形極限載荷。

通過模擬實驗得到直徑為8 mm和10 mm的板料,每組實驗凸臺成形高度的對比圖如圖10所示,凸臺成形高度單位mm。

圖10　直徑8 mm與直徑10 mm的板料每組實驗的凸臺成形高度對比圖Fig.10　Height of the concave boss of the sheet part in the diameter of 8 mm and 10 mm

通過對模擬結果的對比,在同一水平因素的實驗中,直徑8 mm的板料凸臺成形高度更高,成形更容易。因此,模擬結果表明,直徑8 mm的板料具有更好的成形性能。

4　結　　論

通過在不同因素下對鎂合金板材沖鍛成形的數(shù)值模擬,分析了各個因素對鎂合金沖鍛成形過程的影響。在一定范圍內,適當升高溫度可以有效地減小成形載荷,選用較厚的板料可以明顯提高凸臺的成形高度。而摩擦因子、凸模內孔圓角直徑對成形的效果不及前者的顯著。但相比于直徑為10 mm的板料,直徑為8 mm的板料成形時的極限載荷明顯變小。因此,選用直徑較小的板料能夠有效的減小極限成形載荷。