锰合金AZ31板材冲裁的可成形性.doc

锰合金AZ31板材冲裁的可成形性目录摘要11、说明12、在更高温度下的机械性能测试23.1.在更高温度下的冲裁可成形性33.2. 锥形杯突深冲极限值（CCV）测试53.3. V形弯曲测试74、综述9诚谢9参考文献9摘要在目前的研究里面，锰合金AZ31板材在更高温度下的冲裁可成形性正在通过不同的试验进行研究。试验的结果显示，AZ31板材在室温下表现出较差的成形性能，但是这种成形性能能够在更高的温度下得到显著的改善。而且当AZ31板材在更高的温度下进行冲裁时，它的回弹性能也会降低。此外，在目前对锥形筒状数值测试性能显示，在400摄氏度一下存在一个最优的成形温度，且一个更低的成形温度可能运用在实际的成形工艺中。试验结果包含了在目前研究中为成形AZ31板材的冲裁模具设计提供基础。关键词：锰合金AZ31板材；可成形性；高温性能。1、说明因为它具有重量轻和高的比强度，锰合金被广泛用于结构部件，尤其是在汽车工业1。尽管压铸已经成为主要的制造工艺，但是由于压力成形具有竞争性的生产效率和机械性能，所以它被认为是很有潜力的。在压力成形的制造工艺中，锰合金板材的冲裁成形对于薄壁结构零件的生产来说是非常重要的。即使由于锰合金具有六方形的紧密结构，使得它在室温中通常出有限的可锻造性，但锰合金的机械性能还是能在更高的温度条件下得到改善2-6。然而，关于锰合金冲裁的文献资料并不是那么重要了，且锰合金的冲裁工艺也没有很好的发展到一个程度7-12。大量的锰合金已经用于制造结构零件了。对于压力成形来说，AZ31被认为是在目前最适合用来进行冲裁成形工艺的一种锰合金。在目前的研究中，锰合金AZ31板材冲裁的可成形性正在通过实验的方法进行研究。从实验结果来看，锰合金AZ31板材具有的机械性能是在室温到400的一个温度范围内的。此外，AZ31板材的一些重要成形特性，如成形极限，锥形杯突深冲极限值，回弹和最小弯曲半径，也需要通过实验来测试。2、在更高温度下的机械性能测试对于研究一种板材金属的可成形性来说，应力-应变关系是基本的信息。因为锰合金在室温中表现出较差的可成形性，在目前的研究中，拉伸测试只能在室温到400的温度范围内进行。拉伸测试的样品是根据美国材料协会标准，由厚度为1.2mm的AZ31板材制成的。这些样品是沿着与旋转方向(0)和45角，以及横断面(90)到旋转方向相符合的平面进行切割的。为了避免在样品的某个不希望的地方发生断裂，切割刃口必须是光滑的。为了在更高的温度下进行拉伸测试，必须在MTS810测试机器上面安装一个加热炉。在进行测试之前，样品需要加热到100，200，300和400。在测试过程中，样品的温度必须保持恒定，直到样品被拉伸到失效。图1中显示了由样品在三个不同方向的测试得出了AZ32在室温下的应力-应变关系。在图1中我们可以看到，样品在断裂之前只承受了很小的伸长变形。最大的伸长变形也不到20%。这说明AZ31在室温下具有较差的可成形性。因为三条曲线相互之间很靠近，所以我们也可以知道这种材料在室温下没有表现出明显的各向异性。为了显示平均的应力-应变关系，流动应力由公式=(0+45+90)/4计算得出，将每一个规则的应变绘制成应力-应变关系图。图2显示了在不同的温度下AZ31的应力-应变关系。在图2中可以清楚的知道，屈服应力会随着温度的升高而发生明显的下降。同样在400时样品的伸长率能达到58%。由图2可以确认的是，在更高的温度下，AZ31显现出非常好的可成形性。图2中也可以看出，随着实验温度的升高，加工硬化的影响变得没那么明显了。因为无论板材是均衡变形或者不是，通常认为加工硬化系数n是一个指数，更小的n值说明，对于AZ31板材来说，在高温下要在厚度方向获得不均衡的变形不是那么容易的。从拉伸试验的结果中可推断出AZ31在室温下可能不能成形，但是只要板材一被加热到更高的温度，那么成形就变得可能实现了。3.1.在更高温度下的冲裁可成形性除了基本的机械性能之外，AZ31板材的冲裁可成形性也可以在更高的温度下进行检测。在目前的研究中，成形极限测试，锥形杯突深冲极限值测试，以及最小弯曲半径测试都能进行。这些测试结果显示了在板材金属成形工艺中的冲裁性能。3.1. 成形极限测试自从Keeler和Backofen13在1963年提出了成形极限图这个概念，在板材金属成形领域中很快被广泛采纳为断裂预测的标准。为了获得一个成形极限图，需要用一个半球形的冲头对不同宽度的板材金属样品进行拉伸测试。这些样品首先用电化学腐蚀成圆形网格，然后在被拉伸之后会变成椭圆形。在椭圆的主轴和副轴上测得的工程应变分别被称之为主应变和副应变。他们也是应变测量平面上的主要应变。在目前的研究中，测试的样品是具有相同长度为140mm，但宽度以20mm的增量从20到140mm。与拉伸测试类似，对于每一种尺寸的样品，AZ31板材是从三个方向旋转方向进行切割的，如0，45和90。在测试过程中，钳在外围的样品在通过一个78mm的半球形冲头后会被拉伸到失效。在靠近每一个样品的断裂带区域的工程主应变和副应变都会被记录下来。主应变和副应变会绘制成相互靠着和主应变跟纵坐标一致，并且这条曲线与成形极限曲线上定义的应变点像吻合。这种图所显示的这种成形极限曲线被称为成形极限图。在冲裁工艺中预测断裂的发生，这种成形极限图是非常有用的一项判断依据。对于在更高温度下进行的成形极限测试来说，用于拉伸试验的加热炉被安装在相同且装有凸凹模的试验机器上面。比如家具和样品是同时被加热的且必须保持在相同的温度。图3中显示了在不同温度下的断裂样品试验。在图3中也可以知道，在更高的温度下测试样品具有更好的拉深深度。图4显示的是在100，200和300温度下测得的样品成形极限曲线，成形极限曲线越高，则可成形性越好。正如在图4中看到的那样，在更高温度下进行测试的样品明显具有更高的曲线。这意味着，板材在高温下并不容易发生断裂且具有较好的可成形性。这种趋势说明，成形极限测试的结果与拉伸测试的结果非常吻合。3.2. 锥形杯突深冲极限值（CCV）测试如图5所示，在一个锥形杯深突冲极限试验中，一个具有特定直径的圆形板材坯料被放置在一个凹模的顶部，这个凹模在中心处具有锥形型腔。同样如图5所示，一个具有圆形顶部的凸模会向下移动去成形这个板材坯料直到发生断裂。这个断裂的锥形杯顶部的直径会被测量出来，并且被定义为锥形杯突深冲极限值。对于具有特定直径的圆形坯料来说，越小的锥形杯突深冲极限值意味着越大的拉深深度，具有更好的可成形性。在目前的研究中，锥形杯突深冲极限值实验室根据日本工业标准（JIS） Z2249来完成的。直径为50mm的圆形坯料是从厚度为0.85mm的AZ21板材上切割下来的。图5中也显示出了凹模和凸模的尺寸。图5中同样也标注有的是，在这个锥形杯突深冲极限值测试实验中是没有压料板的，且这个实验是自由拉深的。因此，在这个实验中，压料力的影响是被排除在外的。在成形极限测试中用到的同样的加热设备也用在100，200，300和400的高温下进行的锥形杯突深冲极限值测试中。图6展示了在不同温度下获得的断裂的锥形杯。在这幅图中可以知道，拉深深度随着温度的增加而增大。然而，从图6中可以看出，最大的拉深深度是发生在300，而不是400。这种现象能够从绘制的锥形杯突深冲极限值图7中很容易的看出来。正如图7所示，锥形杯突深冲极限值会随着温度的升高而降低，并且会在300时达到一个最小值39mm。随着温度升高到400时，锥形杯突深冲极限值并不会继续减小，而是恰恰相反，锥形杯突深冲极限值会增大到41.5mm。这个相反的趋势为在更高温度下AZ31板材的可成形性提供了一个重要的信息，那就是在低于400的温度范围内存在着一个最优的可成形性温度，而并不是简单认为温度越高，可成形性就越好。在400时AZ31板材所呈现出来较差的可成形性可能是由于加工硬化值n太小的缘故，正如在在机械性能测试中所体现出来的那样。尽管在400时对于AZ31板材来说，屈服应力是非常低的，但是太小的n值却导致了冲头处的局部变形，最总引发断裂。因此，锥形杯突深冲极限测试的结果提示我们，应该在低于400的温度下对AZ31板材进行冲裁。3.3. V形弯曲测试由于锰合金比刚才具有更低的弹性模量值，所以在弯曲工艺中，回弹现象会更明显。在目前的研究中，V形弯曲试验是用来检测AZ31板材在室温和更高温度下的回弹特性的。图8所示的是进行V形弯曲时所用的设备。从图8中我们可以看出，在凹模上有一个90的开角，并且这个设备上面附装有一个加热炉。为了研究在回弹中凸模角度对其的影响，设备上安装的凸模半径是已经准备好的，以0.6mm为增量，从0.3到7.2mm的。选用厚度为1.2mm，长度为60mm，宽度为15mm的AZ31板材作为样品。弯曲试验是在室温，100，200和300的温度条件下进行的。弯曲试验结束以后，样品的弯曲角度为被记录在一个存储组件中。图9显示了不同凸模半径下回弹和成形温度的关系。从图9中我们可以知道的是，在忽略凸模半径的影响下，回弹会随着成形温度的升高而减小。这预示着，在更高的成形温度下，AZ31板材不仅具有更好的可成形性，而且具有更小的回弹性。我们清楚的知道，回弹是受到材料的弹性模量和屈服应力的双重影响的。由于弹性模量并会因为温度的变化而发生太多的变化，而AZ31板材的屈服应力会随着温度的升高而降低，所以，在更高成形温度下回弹的减小主要是因为在更高温度下AZ31板材屈服应力太小。图10显示了凸模半径对回弹的影响。从图10中我们可以观察到的是，在忽略温度变化的影响下，回弹会因为凸模半径的减小而减小。在弯曲中，越小的凸模半径会导致越大的塑性变形，并从而降低回弹的影响。如图10所示，这种变形方式与AZ31板材在不同温度下的变形相同。在图9和图10中都可以知道的是，对于越小的凸模半径来说，回弹值会越小。这是因为，在V形直边上的板材会在弯曲工艺开始的时候变形成为圆弧，然后在弯曲工艺结束时，用于压平这个圆弧的载荷产生了一种综合应力的分布状态，并且这种综合应力状态导致了回弹的减小。14在图10中同样可以得知的是，对于AZ31板材来说，在每一个成形温度下都存在着一个最小的弯曲半径，并且这个最小弯曲半径的值会随着温度的升高而减小。图11显示了这种关系。在图11中可以知道，在200的成形温度下，厚度为1.2mm的AZ31板材的最小弯曲半径大概是3.6mm。4、综述应力-应变关系显示，在室温下，AZ31板材具有更大的屈服应力和更小的伸长率，但是当板材被加热到超过200的温度时，屈服应力会发生明显的减小。在更高的温度下，加工硬化值n也下降。从可成形性这点来说，在更高的成形温度下，AZ31板材展现出很好的可成形性，但是也更有可能发生局部变形。成形极限测试也显示了这种趋势，这种趋势与在不同成形温度下在应力-应变关系显示的一样。类似的趋势也可以在AZ31板材最小弯曲半径的测试结果中被发现。这意味着，在更高的成形温度下，AZ31板材能够在发生断裂之前承受更多的变形。锥形杯突深冲极限值实验揭示：对于AZ31板材来说，它存在一个最优的成形温度，且这个温度是低于400的。V形弯曲试验也提供了一个重要的信息，这个信息就是，在更高的成形温度下，回弹会减小。诚谢作者真诚的感谢中国国家科学委员会在合同号为NSC89-2212-E002-147的的研究所提供的资金支持，这使得试验工作成为可能。同样也真诚的感谢Kuan-Hua Chiu先生和Chi-Kuen Chang先生为设备设计所提供的帮助。参考文献1 B.L. Mordike, T. Ebert, Magnesium propertiesapplicationpotential, Mater. Sci. Eng. A 302 (2001) 3745.2 H. Watanabe, H. Tsutsui, T. Mukai, M. Kohzu, S. Tnabe, K. Higashi,Deformation mechanism in a coarse-grained MgAlZn alloy at elevated temperatures, Int. J. Plast. 17 (2001) 387397.3 K. Kitazono, E. Sato, K. Kuribayashi, Internal stress superplasticity in polycrystalline AZ31 magnesium alloy, Scripta Materialia 44 (2001)26952702.4 J. Kaneko, M. Sugamata, M. Numa, Y. Nishikawa, H. Takada, Effect of texture on the mechanical properties and formability of magnesium wrought materials, J. Jpn. Instit. Met. 64 (2) (2000) 141147.5 A. Mwembela, E.B. Konopleva, H.J. McQueen, Microstructural development in Mg alloy AZ31 during hot working, Scripta Materialia 37 (11) (1997) 17891795.6 H. Takuda, H. Fujimoto, N. Hatta, Modeling on flow stress of MgAlZn alloys at elevated temperatures, J. Mater. Proc. Technol. 8081 (1998) 513516.7 E. Doege, K. Droder, Sheet metal forming of magnesium wrought alloysformability and process technology, J. Mater. Proc. Technol. 115 (2001) 1419.8 H. Somekawa, M. Konzu, S. Tanabe, K. Higashi, The press formability in magnesium alloy AZ31, Mater. Sci. Forum 350351 (2000) 177182.9 H. Takuda, T. Yoshii, N. Hatta, Finite-element analysis of the formability of a magnesium-based alloy AZ31 sheet, J. Mater. Process. Technol. 8990 (1999) 135140.10 T. Ohwue, S.I. Sekiguchi, M. Kikuchi, S. Itoh, Formability of AZ31 magnesium alloy sheets