（材料加工工程专业论文）az31镁合金板材拉深性能与工艺研究.pdf

硕十学付论文 摘要 镁合金以其众多的优良性能，具有极其重要的使用价值和广阔的应用前景。但是，镁 合金大多具有密排六方结构，传统上一直被认为是一种难以塑性变形、压力加工成形性能 差的金属材料。因此，开展镁合会塑性加工技术的研究具有重要的意义。本文主要研究了 不同轧制工艺对a z 3 l 镁合金的微观组织、晶粒取向、力学性能的影响，并通过单向拉伸 实验对其冲压性能进行了研究，最后研究了a z 3 l 镁合金板材笔记本电脑外壳的热拉深成 形工艺。 首先，为了得到性能优良的a z 3 1 镁合金板材，对其轧制温度和轧制道次进行了实验 研究，结果发现当轧制温度为3 0 0 、道次压下量为2 0 时，能获得晶粒细小、均匀和力 学性能优良的板材。然后，通过单向拉伸实验，在拉伸速度为2 咖m i n ，变形温度从1 5 0 到3 5 0 的条件下，对该工艺条件下制备的a z 3 l 镁合金板材的冲压性能进行了研究，结 果表明，随着变形温度的升高，屈服强度和抗拉强度明显下降，屈强比由0 8 4 7 降低至 o 6 8 8 ，应变硬化指数由0 2 0 5 降至0 0 5 4 ，塑性应变比由0 8 5 8 降至0 0 1 2 ，综合考虑这 些因素，对于实验中所制备的a z 3 1 镁合金板材，在变形温度为2 2 0 2 8 0 范围内，具有 较好的冲压性能。最后，以某型号笔记本电脑外壳为原型，自行设计、加工了笔记本电脑 外壳热拉深模具，对其拉深温度、拉深速度、压边力、润滑条件等拉深工艺参数研究表明， 当模具间隙为1 6 m ，拉深温度为2 2 0 2 8 0 ，压边问隙为1 1 6 ，采用石墨+ 机油涧滑时， 可获得最小圆角半径为2 4 唧的笔记本电脑外壳拉深件，所得拉深件贴模性良好、回弹小， 达到了设计要求。 关键词： z 3 1 镁合金；轧制工艺；冲压性能；模具设计；拉深工艺； a z 3 l 镁合金冲乐性能与工艺研究 a b s t r a c t b c c a t i s eo f 砌o u n t so fh i 曲妒晌彻a i l c ef o rm a 卸e s i u ma 1 1 0 y s ，l l l e yh a v e 谢d e l yu s e d p e r s p e c t i v c h o w e v e r ，m a g i l e s i 啪a l l o y sh a v ep o o rf o m a b i l 毋d u et o t l l e h e x a g o n a l c l o s e 巾a c k e d ( h c p ) c r y s t a ls 仃u c t u r e s o ，i ti sv e r yi m p o r t a l l tt od e v e l o pp l a s t i cf o m a t i o n t e c h n o l o g y i nt h i sp 印e r ，m ei n 日u e n c eo fr o l l i n gp r o c e s s i n go nm i c m s t m c 眦，c r y s “ o r i e n t a t i o na n dm e c h a n i c a lp m p c n i e so f a z 3 1m g i l e s i 姗a l l o ys h e e t 、v 鹤i i l v e s t i g a t e d 1 1 1o r d e rt 0g e tp l a t eo fe x c e l l e n tp e r f b r n l 卸c e ，w es t u d i e dh o wt h er o l l i n gt e m p c 翻加r ea n d r o l l i n gg a t ei n n u e n c em ep e 面r n l a i l c eo ft h ea z 3 1 p l a t ea 1 1 df o u n dn 硷tw h e l lm em l i i n g 锄 i l p e m t l l r ew a s3 0 0 锄dt h er e d u c t i o no fo n ep a s sw a s2 0 w ec a ng e tt h ep l a t eo fm i na i l d “e nc r y s t a l 铲a 氓t l l em e c l l a m c a lp r o p e r 哆w a se x c e l l e n t t h es i m p l et e n s i o nt e s ts h o 、e dt h a t ，h e nt l l ei 血i a ls n a i nr a t ew 舔2 m “f i l i n 锄dm ed i s t o n i o nt e m p e r a t i l 】吧w 舔f 如m1 5 0 t o 3 5 0 ，t h ey i e l ds t r e n 昏h 锄dt e n s i l es t r e n 殍hd r o p to b v i o u s l y ，t l l eo t h e rp a 舢e t e r ss u c ha s t h ey i e l dr a t i od r o p t 肋mo 8 4 7t 00 6 8 8 ，t 1 1 es c r a i n h a r d e n i n ge x p o n e md m p t 矗o m0 2 0 5t o o 0 5 4 ，t h ep 1 嬲t i cs t r a i nr a t i od r o p t 舶mo 8 5 8t o0 0 1 2 c o l l i g 蹴t l l e s ef a c t o r sw ef b l l i l dt l l e a z 3l m a g n e s i u mp l a t eh a dp r e f h a b l ed i 孙v i n gp e r f b n n a n c ew h e nt h et 伽p e r a t i 】r ew a s 2 2 呲8 0 a tl 嬲tt l l em o u l dw a sd e s i g l l e d b ym ea n t i 帅eo fs o m ek i n do fn o t e p a d 1 1 l e s t u d yo f t 1 et e c h n o l o g yp 砌e e r ss u c h 部d r a w i i l gt e m p e r a n l r e ，d r a 谢n gs p e e d ，b l o c kh o l d e r p r e s s u r e ，l u b r i c a t ec o n d i t i o ns h o w e dt l l a tw h e nt i l em o u l dc l e a r a i l c ew a s1 6 m m ，d r a w i n g t e m p e 船t u r ew a s2 2 0 2 8 0 ，t h eb l o c kh o l d e rc l e 黝n c ew a s1 1 6 ，t h eb l o c kh o l d e rp r e s s u r e w 船2t o nw ec a r if o n i l e daq u a l i f i e dn o t e p a ds h e l lo f l cf i l l e tr a d i u so f 2 4 i 砌 k e y w o r d s ：a z 3 1m a g n e s i u ma o y ；r o l l i n gp r o c e s s i n g ；d r a w a b i l i t y ；m o u l dd e s i g n ； d r a w i n gt e c h n o l o 盯 硕士学付论文 插图索引 图2 1 拉伸试样示意图1 5 图2 2 笔记本电脑外壳拉深模具结构示意图1 9 图3 1 不同轧制温度下a z 3 l 镁合金显微组织2 1 图3 2 不同轧制温度下a z 3 l 镁合金板材晶体取向2 3 图3 3 a z 3 1 镁合金板材沿不同方向的室温抗拉强度与轧制温度的关系2 4 图3 4 a z 3 l 镁合金板材沿不同方向的断裂延伸率与轧制温度之间的关系2 4 图3 5 不同道次压下量a z 3 1 镁合金板材显微组织2 6 图3 6 不同道次压下量a z 3 1 镁合金板材晶体取向2 7 图3 7 不同道次压下量a z 3 1 镁合金板材的抗拉强度2 8 图3 8 不同道次压下量a z 3 1 镁合金板材的屈服强度2 9 图3 9a z 3 1 镁合金板材沿不同方向断裂延伸率与道次压下量的关系2 9 图3 1 0 沿轧制不同方向a z 3 l 镁合金板材单向拉伸应力一位移曲线3 0 图3 1 1 实验中所用a z 3 l 镁合金板材沿不同方向抗拉强度与温度的关系3 2 图3 1 2 实验中所用a z 3 1 镁合金板材沿不同方向屈服强度与温度的关系3 2 图3 1 3 试验所用a z 3 1 镁合会板材沿不同方向屈强比与温度的关系3 3 图3 1 4 试验所用a z 3 l 镁合金板材沿不同方向断裂延伸率与温度的关系3 4 图3 1 5 实验所用a z 3 l 镁合金板材沿不同方向应变硬化指数与温度的关系3 5 图3 1 6 试验所用a z 3 l 镁合金板材塑性应变比r 与温度的关系3 5 图4 1 笔记本电脑外壳结构图3 9 图4 2 笔记本电脑外壳拉深模冲头结构示意图4 0 图4 3 板料测温点4 3 图4 4 模具结构细图4 3 图4 5 上下壳板材落料图4 4 v a z 3 1 镁合金扳材冲压性能与工艺研究 图4 6 各种不同温度条件镁合金方盒件拉深效果图4 7 图4 7 压边力过大导致裂纹扩展至直边4 8 图4 8 压边间隙( c t ) 与最大拉深深度之间的关系4 9 图4 9a z 3 1 镁合金笔记本电脑外壳装配图5 0 v l 硕十学位论文 附表索引 表2 1a z 3 1 镁合金板材轧制温度和道次压下量1 4 表2 2x r a y 衍射参数1 5 表3 1a z 3 1 镁合金板材冲压性能与常用冲压板材冲压性能指标比较3 7 表4 1 拉深模具几何尺寸4 1 表4 2 板料温度，模具温度与拉深成形关系4 5 表4 3 压边力对拉深性能的影响4 7 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：公像哟 日期：矽6 年。7 月，。日日期：矽b 年。7 月，。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：霹展) 咕 导师签名： 日期：细1 年7 月，文日 日期：年 月日 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 镁合金概述 镁合金作为最轻的金属结构材料，以其独特的优势，正受到日益广泛的应用。 与其它结构材料相比，镁合金产品具有以下优点【1 4 j ： 镁合金的密度比纯镁的( 1 7 3 8 9 c m 。3 ) 稍高，在1 7 5 1 8 5g c m 。之间， 约是铁的1 4 ，铝的2 3 ，与塑料相近。因此，产品采用镁合金作为结构件，可 以减轻结构重量，使产品轻量化，降低能源消耗，减少污染排放，增大运输机械 的载重量和速度。 镁合金比强度、比刚度均很高，比弹性模量与高强铝合金、合金钢大致 相同。 镁合金阻尼性能好，震动吸收性良好，适合于制备抗震、减震零部件。 镁合金切削加工性能优良，切削速度远高于其它金属材料，机加工件不 需要磨削、抛光处理，不使用切削液即可以得到光洁度很高的加工面，且其尺寸 稳定性好，铸造件和加工件的尺寸精度高。 镁合金在受到冲击或摩擦时，表面不会产生火花。 镁合金的熔点低，容易进行热成形，且能耗较低，铸造性能优良，可以 用几乎所有铸造工艺来铸造成形。 镁合金具有优良的热传导性，用于3 c 产品可有效地改善电子元器件的 散热状况。 镁合金为非磁性金属，电磁屏蔽能力强。 材料可回收使用，回收率高，符合环保要求。 鉴于这些优点，镁合金已广泛地应用于汽车、通信、电子、电器、航空、航 天、国防及军事装备、交通、冶金、化学、电化学、办公、家用和体育用品等行 业中，被誉为“2 1 世纪的绿色工程材料”j 。 尽管如此，镁从被发现至今近两百年来，其工业应用发展缓慢，尤其是早期， 虽然两次世界大战( 特别是二战) 一度刺激了镁工业的发展，但战后又处于停顿甚 至倒退状态。到二十世纪六十年代，镁合金在汽车和交通领域的应用逐渐引起人 们的重视，但真正作为实用性的工程材料，则是在二十世纪八十年代之后。虽然 近十几年来，镁合金呈现出快速发展的势头，但是其应用范围仍受到很大限制， 这主要是因为镁合金及其产品存在以下缺点【4 叫： 镁及其合金耐腐蚀性差，与钢铁等其它金属材料易于引起接触腐蚀。 镁合金高温强度低、抗蠕变性能差。 a z 3 1 镁合会扳材冲乐件能与i 艺研究 高温下，镁合金极易氧化和燃烧，在熔铸过程中须使用阻燃剂和熔炼剂 或者保护气氛，增加了镁合金及其铸件的成本，并对环境造成一定的污染。 镁及其合金塑性变形能力差，在室温下难以进行塑性加工。 此外，镁合金铸件的固溶处理也要在s 0 2 、c 0 2 或s f 6 气体保护下进行，或 在真空下进行，且固溶处理和时效处理时日j 均较长。这些都限制了镁合金及其产 品的应用及发展。 近年来，对汽车轻量化和环保要求的不断提高以及能源日趋紧张激发了人们 对镁的极大兴趣【7 】。 大多数镁合金为密排六方结构，传统上被视为一种难以塑性变形、压力加工 成形性能差的金属材料。同时，大多数镁合金又具有较好的铸造性能，使得目前 镁合金产品以铸件，特别是压铸件居多，塑性加工产品极少。然而，铸件的力学 性能不够理想，产品形状尺寸存在一定的局限性且容易产生组织缺陷，导致镁合 金的使用性能和应用范围受到很大限制。而变形镁合会以其更多样化的力学性 能，更灵活的结构形式，因此，变形镁合金的研究已成为世界镁工业发展中的重 要方向f 8 l 。然而，目前变形镁合金的产品的加工与生产存在成品率低，成本高等 缺陷，这主要与其研究与开发相对落后，生产技术较低等因素决定。所以，研究、 开发新型的镁合金制备技术成为发展变形镁合金材料的重要方向之一。同时，由 于对镁和镁合金的塑性变形机理的认识还不够全面和深入，更未能建立起完善的 塑性变形理论体系，因此，对于如何从根本上改善镁及镁合金的塑性变形能力， 改进现有的塑性变形工艺，丌发新的塑性变形技术，缺乏理论指导。 变形镁合会是指可用挤压，轧制，锻造和冲压等塑性成形方法加工的镁合金。 由于变形镁合金巨大的应用潜力，吸引了各国科学结构和科学家投入进行研究， 并取得了较大的进展【9 。2 1 。与目前较成熟的镁合金铸造技术相比，镁合金的锻造， 挤压，轧制，冲压等塑性加工技术的发展则相对缓慢，造成这种局面的主要原因 有以下几点： ( 1 ) 镁合金的塑性变形能力较差，采用传统的塑性加工技术难以解决这一 难题； ( 2 ) 对镁合金的塑性变形理论研究不够深入，变形镁合金的研制缺乏理论 指导； ( 3 ) 未能发展出行之有效的变形镁合金加工成形新技术； ( 4 ) 相对铸造产品而言，铸造镁合金的成本更高。 研究表明，镁合金在热变形( 如挤压、轧制、锻造等) 后组织得到显著细化， 铸造组织缺陷被消除，从而产品的综合力学性能大大提高。通过塑性加工可以生 产出尺寸、规格多样的棒、管、型材、线材、板材及锻件产品，并且可以通过调 整塑性变形和热处理工艺来控制材料的组织和性能，获得比镁合金铸件更高的力 2 硕十学衍论文 学性能，同时可以满足不同场合对镁合金结构件使用性能的要求，扩大镁合金的 应用范围。国际镁协会( i n t e r n a t i o n a lm a g n e s i u ma s s o c i a t i o n ，i m a ) 在2 0 0 0 年 提出了一项发展镁合金材料的长远计划，即研究和开发新型变形镁合金，开发变 形镁合金加工新技术、新工艺，生产高质量的变形镁合金产品，这也代表了当今 国际镁工业的发展趋势。 美国、日本等工业发达国家对变形镁合金的研究与开发十分重视，合金牌号 和产品规格已开始向系列化和标准化方向发展。其中美国的变形镁合金材料体系 最为完备，合金系列有m g - a l 、m g - z n 、m g - r e 、m g - l i 和m g - t h 等，产品类型 有板材、棒材、型材、线材及锻件【2 l3 1 ，并且开发出了快速凝固高性能变形镁合 金、非晶态镁合金以及镁基复合材料。1 9 9 7 年，美国s a e ( s o c i e t yo f a u t o m o t i v e e n g i n e e r s ，i n c ) 还专门为变形镁合金产品制定了标准。2 0 0 3 年美国汽车材料联 合体( t h eu sa u t o m o t i v em a t e r i a l sp a r t n e r s h i p ，u s a m p ) 为了开发汽车发动机 和变速箱、油盘等发动机周边部件的拉深件，组织了4 2 家公司和2 个团体( 国 际镁协会和北美压铸协会) 进行共同研究。德国在1 9 9 5 年开始了s f b 3 9 0 计划， 在“关于镁特定领域研究”课题支持下，由两所大学牵头，5 6 所大学共同参加， 对变形镁合金进行了重点研究。此后不久该国又在新合金系开发、原材料制备、 压铸技术、塑性加工工艺、焊接、表面处理等实用化研究方面，进行了官、产、 学相结合的研究。德国联邦教育研究部、德国学术协会以及欧洲共同体均对此项 研究给予了支持，共立项4 4 个，其中压铸镁合金和变形镁合金在汽车领域的应 用研究成果最为突出。日本于1 9 9 1 年就在世界上率先成立了镁协会，为了解决 地球资源枯竭和环境污染问题，日本在1 9 9 9 年由文部省组织实施了“先进镁合金 科学与技术平台” ( p 1 a t f o r ms c i e n c ea n dt e c h n o l o g yf o ra d v a n c e dm a g n e s i u m a l l o y ) 计划【1 4 】，着重研究新合金系、新工艺，开发超高强变形镁合金材料。此 外，英国开发出的m g a l b 合金挤压材被用于m a g n o x 核反应堆燃料罐。以色列 最近也研制出了用于航天飞行器，力学性能和耐蚀性能均十分优异的变形镁合金 材料。最近，荷兰d e l f t 科技大学对a z 3 i 、a z 6 1 、a z 8 0 以及含c a 和s r 元素的 高温镁合金m r l l 5 3 等的均匀化处理、等温挤压工艺及表面处理技术进行了全面 系统的研究，并开发出了一系列适合航空用的镁合金型材。法国和俄罗斯开发了 鱼雷动力源用变形镁合金阳极薄板材料。 我国在变形镁合金的研制和开发领域仍处于起步阶段，商业化的变形镁合金 产品很少。近年来，国家和各级地方政府对镁合金，特别是变形镁合金的研究、 开发和产业化等相当重视。我国已将“镁合金应用与开发”列为国家计委和科技 部联合下发的“十五”国家科技发展规划材料领域的重点任务，最终目标是充分 发挥我国的镁资源优势，通过建立镁合金技术创新体系，建立具有国际竞争力的 镁合金高新技术产业群，将镁的资源优势转化为经济优势。目前国内一大批高等 3 a z 3 l 镁合会扳材冲乐件能ji 艺研究 院校和科研单位投入到相关领域的研究，并取得了可喜的成果。对镁合金变形机 理进行了深入研究，并已成功地研制出不同牌号合金的薄壁空心和分流模型材、 厚度为o 3 m m 的板材以及不同形状、规格的冲压件【i i 。 1 2 镁合金的变形特征和变形机理 大部分镁合金具有密排六方晶体结构，对称性低，其轴比( c a ) 值为1 6 2 3 ， 接近理想的密排值1 6 3 3 ，室温滑移系少，冷加工成形困难。温度是影响镁合金 变形能力的关键因素，当温度低于4 9 8 k 时，多晶镁合金的塑性变形仅限于基面 o o o l 1 1 乏o 滑移和锥面 l o t 2 孪生。因此，镁合金变形是只有3 个 集合滑移系和两个独立滑移系，变形较难，易于在晶界处产生大的应力集中。当 变形量较大时沿孪生区域或沿大晶粒的基面( o o o l 产生局部穿晶断裂，因而镁合 金的变形仅限于中等程度的变形。一般在室温下变形量约为l o 2 0 ，高于4 9 8 k 时，温度升高增加了原子振动的幅度，最密排面和次密排面的差别减少，因此会 激活潜在的滑移面和滑移方向，使附加角锥滑移面 1 0 1 1 ， l l2 l 启动，这时 镁呈现明显的延性转变，塑性大大提高；同时由于发生回复，再结晶而发生的软 化，也会使镁及镁合舍具有较高塑性，所以镁合金的压力加工通常在高温下进行。 此时锥角平面 1 0l1 上产生滑移并抑制孪晶形成，塑性同时得到提高【1 5 。1 ” 关于镁合金的塑性变形机理尚不清楚，至今尚未有能完整解释所有温度区间 和应变速率下镁变形行为的理论，很多解释变形行为的理论模型也不尽相同。从 已公布的文献来看，试验结果与其解释也不一致。综合目前的研究结果，主要有 三种观点。其一为位错攀移理论，这是早期研究变形时常用的一种理论，认为在 高温下镁具有相对较高的应力指数和塑性变形激活能，是非基面滑移激活能增加 所导致的结果。其二为v a g a r a l i 和l a n g d o n i ”j 提出的f r i e d e l 交滑移模型，该模 型指出，在应力作用下，基面上分解的a 位错可以在一个足够长的范围内重新整 合，以便能够在棱面上滑移，即交滑移。具有刃型分量的位错通过交滑移在棱面 上滑移，直至穿过整个晶面，与正负相反的位错结合或遇到阻滞。这种阻滞如果 在螺型位错附近发生，则螺形位错自动分解为基面上的分量，以降低能量。进一 步的滑移需要基面上的刃型分量的不断重新组合，以便在棱面上形成螺型位错。 根据f r i e d e l 的交滑移模型，在6 0 0 7 5 0 k 和大于2 5 m p a 的应力条件下，镁的塑 性变形行为由交滑移控制。用这种机理对其塑性变形现象进行分析，可以比较满 意地结实m g 的激活能对温度和应变速率的依从关系。其三为c o u r e n t 提出的 f r i e d e l e s c a i g 机理。他们的研究是在2 9 3 6 2 3 k 温度范围内，在原位t e m 上观 察塑性变形来完成的。根据f r i e d e l e s c a i g 机理，在4 2 3 6 2 3 k 时，镁合金塑性变 形由交滑移控制。用原位试验数据所计算出的微观激活能数据与理论预测值相一 致。与此同时，c o u r e t 和c a i l i a r d 指出，高温下是由不同的机理来控制变形的。 4 硕十学付论文 值得注意的是，该研究采用的样品是单晶，晶体处于硬取向时滑移困难。后来 c o u r e t 等采用改进的f r i e d e l 模型，计算了位错周围的不均匀应力场，并得出如 下结论：即使在高温下，f r i e d e l 机理也几乎不可能实现，热变形的唯一可能机 理是f f i e d e l e s c a i g 交滑移机理。 而塑性具有结构敏感性，与材料的组织结构密切相关【l9 1 。要了解材料的塑- 脆性转变特点，必须从塑性变形机制角度出发，建立塑性与材料组织结构，制备 加工工艺和使用环境之间的内在联系。一般而言，镁合金的滑移，交滑移和孪 生均可以确定为晶内塑性变形机制。实际金属多为多晶体，在多晶体中，由于相 邻晶粒的取向不同，且晶粒与晶粒之间存在晶界。多晶体在塑性变形时，具有变 形的不均匀性和相邻晶粒之间的协调性。同时晶界对变形有阻碍作用，且晶粒大 小也对塑性变形有一定的影响。现有的大部分研究工作是在低应变速率或蠕变条 件下完成的，实际上，在高应变速率下，影响材料力学性能的变形机理更复杂。 同时，合金元素的加入也会导致变形机制发生变化。 1 3 镁合金塑性加工技术发展与研究现状 1 3 1 挤压 镁合金挤压的加工方法具有产品精度高，表面质量好，工艺灵活，操作方便， 产品晶粒细化，应力状态好，合金强度高，塑性好等特点。同时，镁合金挤压工 艺的缺点也十分明显，材料挤压时压余大，变形力大，模具磨损快，挤压制品的 组织和性能沿长度和断面上不够均匀。但是，对于镁合金这种塑性变形能力较差 的金属，挤压仍然是一种较好的塑性加工方法。目前已用挤压法生产出各种不同 型号的镁合金板，棒，管和型材。 挤压是制备板材的一种常见的金属塑性加工技术。挤压加工不同与其他的塑 性加工方法，其变形过程在近似封闭的工具内进行，材料在变形过程中承受很高 的静水压力，有利于消除铸锭中的气孔，疏松和缩孔等缺陷，提高材料的可成形 性，使材料在二次成形过程中能承受较大的变形量，从而改善材料的性能。镁合 金挤压成形主要工艺参数包括铸锭的温度，模具的预热温度，润滑条件，挤压速 度，挤压比等。这些参数选择是否合理，对镁合金能否成功挤压，以及挤压制品 的组织，性能和技术经济指标都有很大的影响。铸锭的温度是挤压时最为重要的 参数，它不但影响挤压过程的进行，还影响成品率，产品的质量以及组织和力学 性能等。在理论上可以根据合金的相图、塑性图和再结晶图来确定铸锭的温度。 铸锭的加热温度还应该保证铸锭的温度低于合金的固相线而高于再结晶温度。实 际上，铸锭的温度的确定远比此复杂，对镁合金而言，需要格外注意防止燃烧和 爆炸。挤压速度的大小受合金成分，铸锭组织特征，挤压方式，挤压设备，挤压 温度，润滑条件等的影响。挤压速度的确定同挤压温度一样也十分的复杂。挤压 5 a z 3 1 镁合会板村冲压件能与i 艺研究 速度确定的原则是：在保证制品不产生表面裂纹，毛刺弯曲等表面质量的i j i 提下， 当挤压机的能力容许时，挤压速度越快越好。当挤压速度提高时，因变形引起的 热效应会使挤压的温度升高，从而使流动应力明显降低。进一步增大应变速率时， 虽然铸锭的温度升高很明显，但由于加工过程中金属的加工硬化速度比再结晶引 起的软化速度快，铸锭的流动应力不但不减消，反而明显增大。l a p o v o k 等人【2 0 l 对a z 3 1 镁合金的研究表明，当挤压速度较低时，挤压板材的表面质量随着挤压 速度的增加，表面质量下降。当挤压速度过高时，表面出现裂纹。同时挤压速度 还受挤压温度的影响，当挤压温度升高时，挤压速度可以适当的提高。确定合理 的挤压比，使断面收缩率保持在一定的范围内，也可使镁合金挤压板材获得较佳 的晶粒组织和理想的力学性能。挤压可以使镁合金的铸态组织得到较大程度的改 善，性能显著的提高，但挤压态镁合金在力学性能上往往呈现各向异性，。各向 异性的出现主要与两方面的因素有关。一方面是由于在挤压板材中形成了纤维组 织，另一方面是由于在挤压的过程中，随着变形程度的增加，镁合金的密排六方 品格的基面逐步转向与挤压方向平行。这种各向异性对于镁合金板材后续的冲压 成形性能有着非常大的影响f 2 ”。 1 3 2 轧制 镁合会板材一般采用轧制方法生产。但目前镁合舍板材的制备工艺尚不够成 熟，扳材力学性能尚需进一步提高。目前只有少数几种成分的镁合金如镁锰， 镁锌锆合会可以通过铸锭直接轧制，大部分的变形镁合金还只能对材料挤压后 再轧制以制成薄板。 镁合金轧制制度主要包括压下制度、速度制度、温度制度、辊型制度及张力 制度，其中最关键的是压下制度，速度制度和温度制度，而三者之间是互相影响 和关联的。确定合理的轧制制度，对提高生产效率和产品质量具有十分重要的 意义。轧制制度的确定应综合考虑设备，产量效益及操作等多方面的因素，要求 充分发挥设备的生产能力，并确保操作过程安全方便。 轧制是制备板材最为主要的金属塑性加工技术。在镁合金板材的轧制制备工 艺过程中，主要工艺参数包括每道次的压下量，轧制温度，轧制速度，辊型等。 其中最为关键的是每道次的压下量、轧制温度、轧制速度。由于镁合金在室温下 轧制时的塑性很差，从而冷轧时每道次的压下量应控制在一定的范围内，若加大 变形量则会发生严重的裂边，甚至无法轧制成形。因此镁合金板材的轧制成形通 常需要三个道次或更多道次的热轧。低温下轧制镁合金板材时容易产生高的应力 集中，从而导致孪晶形核和切变变形。而轧制温度过高时，晶粒容易长大而使板 材的热脆倾向增大。板材的各向异性也是轧制中最为值得关注的重要问题，这种 各向异性不利于后续的冲压成形。因此，为了提高轧制的效率，降低消耗功率， 改善和提高板材轧制成形的能力以及板材的性能，除了常规的轧制设备和工艺 6 硕士学仿论文 外，又开发了许多新的轧制技术，如单辊驱动轧制( s r d r ) ，异步轧制( d s r ) ，双 辊交叉轧制等。这些技术有的已应用于制备镁合金板材。y c h i n 0 等人【22 l 对 a z 3 l 镁合金单辊驱动轧制板材的初步研究表明，与普通轧制工艺制备的镁合金 板材相比，单辊驱动轧制镁合金板材可有效的减弱基面织构，大大提高板材的冲 压成形性能。h w a t a n a b e 等人【2 3 】对a z 3 l 镁合金异步轧制板材的研究表明， 与普通轧制工艺制备的镁合金板材相比，采用这种轧制方法制备的板材的基面织 构有所减弱，板材的塑性能够得到显著的提高，而强度只是略有降低。 1 3 3 冲压 镁合金的冲压成形是一种技术难度较大的生产工艺，但以其生产效率高、可 直接使用高密度的轧制板料，因而具有很大的市场优势和广阔的发展前景。 冲压是指利用金属的塑性变形能力，通过模具和冲压设备对金属板材进行加 工，以获得要求形状和尺寸零件的塑性加工方法。与其它常规的金属材料如铝， 钢及其合金有所不同，对镁合金而言，普通的冲压工艺很难直接应用到镁合金的 成形上来，这也成为阻碍镁合金板材冲压件广泛应用的重要原因之一。因此，制 定合理的冲压工艺对制备性能优异的镁合金板材冲压件也很重要。除了板材的本 身的性能外，各冲压工艺参数包括模具结构、成形温度、成形速度、润滑条件、 压边方式，压边力的大小、凸凹模圆角半径、间隙大小等均对其的冲压成形性能 有很大的影响。另外，采用充液拉深、气胀成形、差温拉深、变压边技术等工艺 对板料的冲压成形也有一定的影响。y o s h i h a r a 【2 4 l 等采用差温拉深工艺和变压边 力技术相结合的方法对a z 3 1 镁合金薄板进行热拉深，极限拉深比可达5 o 以上。 w a g e n e r 等人研究表明，在进行适当的模具设计和拉深成形工艺控制后，室温下 a z 3 1 镁合金薄板的极限拉深比可达1 6 。1 w a n a g a 等人1 2 5j 的研究表明，对于具有 l o l l ，锥面织构的a z 3 1 镁合金板材室温下其e r i c h s e n 值可达7 4 m m 。 有关对镁合金板材的拉深成形是本论文讨论的重点。拉深是利用金属的塑性 变形能力，通过模具和拉深设备对金属板材进行加工，以获得要求形状和尺寸的 零件的塑性加工方法。镁合金的拉深工艺和其他常用材料有所不同，普通的拉深 方法也难以直接应用到镁合金的拉深成形上来，这成为阻碍镁合金板材广泛应用 的重要原因之一。当前，镁合金产品大多为铸造件，存在塑性差，产品尺寸受限 制，成品率低等缺点，这极大的限制了镁合金的应用。因此，镁合金板材拉深件 以其更高的力学性能必然得到越来越广泛的应用。目前，虽然镁合金拉深成形研 究已取得了一定的进展，但缺乏系统的论述，给镁合金板材在工业中的广泛应用 造成了一定的困难。 对于镁合金的塑性变形行为，目前已经取得了一定的进展，初步建立了镁合 金过程中材料的化学成分，组织等因素所决定的材料性能与拉深性能之间的关 7 a z 3 1 镁合会板材冲乐件能0f 。艺研究 系，并研究了镁合会板材各种不同的拉深方法和工艺。对镁合舍板材拉深性能的 研究内容主要包括：镁合金板材性能拉深的含义；判断镁合金板材拉深性能的科 学方法；建立镁合金板材的化学成分，组织与制备过程与拉深性能的关系。 模拟实验是目前镁合金拉深性能研究应用最为广泛的方法。主要方法有拉 深实验，弯曲实验，c c v 实验等。为了测定一些冲压性能参数，单向拉伸实验 也是常用的方法之一。主要的参数包括：屈服强度，屈将比，伸长率，应变硬化 指数，塑性应变比，制耳参数，应变速率敏感指数，拉伸性能的各向异性，最小 相对弯曲半径，埃罩克森值，翻孔高度与扩孔率等。 影响镁合金板材拉深性能的因素主要包括：板材晶粒的大小，形状和织构， 夹杂物，板材热处理状态等。 一般情况下，当晶粒尺寸增大时，屈服极限降低，屈强比也随之减小，所以 晶粒尺寸增大可使板材的拉深性能提高。但晶粒过粗导致杂质相对集中，使金属 脆性增大。因此为了获得优良的拉深性能，必须合理控制镁合金板材的晶粒大小。 晶粒形状对会属拉深性能也有明显的影响。具有饼形晶粒的板材，拉深性能比具 有等轴晶粒的好得多。 在影响板材拉深性能的因素中，板材织构是很重要的一个方面。镁合舍的热 处理状态对其冲压性能也有很大的影响。实验表明【2 “，与未经退火的板材相比， 经退火处理后的镁合金板材屈强比降低，伸长率大大提高，应变硬化指数n 和塑 性应变比r 均得到提高，各向异性大大降低，尤其是对于单向轧制板材更为明显。 镁合金的冲压成形工艺包括冲裁、弯曲、拉深、旋压等。 1 4 镁合金冲压技术的研究现状及进展 近几年，变形镁合金的研究呈现迅速发展的趋势，有关镁合金的研究文献从 2 0 0 0 年开始急剧增加，对镁合金拉深成形技术展开了全面的研究2 7 。3 2 1 。 在镁合金拉深过程中，影响镁合金板材拉深成形性能的工艺参数很多，主要 包括模具结构、成形温度、拉深速度、润滑条件、压边方式等，以及拉深次数、 拉深方式等。拉深次数和拉深方式可在生产中，根据拉深件的形状与生产设备和 条件来选取。 1 4 1 模具结构 在模具结构中影响镁合金拉深成形的因素包括模具凸凹模间隙、冲头圆角半 径、凹模圆角半径、模具形状即拉深件形状等。 在镁合金拉深过程中，凸凹模间隙对镁合金成形件的成形效果和成形质量有 一定的影响【3 3 】。在成形过程中，如果间隙过小，会增大板料与模具壁间的摩擦 力，从而增加直壁部分受到的拉应力，容易引起拉深件直壁段的破裂，并且易在 成形件外表面形成摩擦划痕，影响成形件表面质量；如果间隙过大，则达不到拉 8 硕七学 奇论文 深件所要求的精度。因此，在选择凸凹模间隙时，要根据镁合金板料的厚度，拉 深件的尺寸精度和表面质量等的要求，制定出合理的凸凹模间隙。 一般，凸凹模间隙c 按下式计算【3 4 】： c = + 蔚 ( 1 一1 ) 其中，t 。为板料最大厚度；k 为间隙系数；t 为板料厚度。 由于目前镁合金拉深制品很少，且镁合金拉深一般在高温下进行，对系数k 的确定尚未见报道。在对镁合金拉深性能进行研究的论文中，一般所取凸凹模间 隙较大35 1 ，可能主要是从便于工艺试验研究角度考虑，而对拉深件尺寸精度未 作考虑。所以，在设计镁合金拉深模具时，凸凹模间隙可参考其它材料并根据试 模结果来修正，以保证镁合金拉深件的质量与尺寸精度。 拉深模具冲头圆角半径r p 和凹模圆角半径对板料的成形能力有着重要 的影响。r a t c h a n e ep a i s a m 【3 6 】等系统的研究了凸凹模圆角半径对圆筒件拉深成形 的极限拉深比的影响，发现对于板厚t 为o 9 m m 的a z 3 1 o 镁合金板材，在r p t 值较小( 3 3 ) 时，l d r 随r d t 增大而增大且变化较明显，但随着r p t 值继续增大( 4 4 ) 时，其l d r 值亦不再变化。这表明，要得到较大的l d r ， 必须合理地选择冲头圆角半径r p 和凹模圆角半径r d 。但是，这两个参数又受成 形件形状尺寸的约束。因此，在确定初次拉深工序后，可根据成形件的尺寸要求， 适当增加整形等工序。 对于一次拉深成形方形件，模角半径的影响主要包括冲头直壁与底部圆角半 径r p 和冲头直壁夹角圆弧半径r c 两个方面的影响。c h e nf u h ，k u o 等【2 9 】研究了 冲头结构对方形件拉深深度的影响，发现对于a z 3 1 镁合金，方形件的拉深深度 随r d 的增加而增加，而利用有限元( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，f e m ) 模拟和试验 的方法均发现，拉深深度随r c 的增加而增大，在r c z 8 m m 时达到最大值，随后 又减小p “。 根据拉深件形状的不同，与之相对应的具体模具形状也不相同，则在拉深过 程中材料的应力和应变状态亦不相同，进而对其l d r 、最佳成形参数以及拉深 工艺的制定原则与方法都有所不同，甚至是本质上的差别，所以在生产中应根据 实际情况具体分析，以制定出合理的拉深工艺。 已有的研究表明【3 2 38 1 ，对于圆筒形件和方形件这两种典型的拉深成形件， 当方形件直壁夹角圆弧较小时，拉深过程中板料的起皱与破裂特点均有所不同。 圆筒件在法兰部分起皱分布均匀，破裂部位随压边力大小变化趋势的不同出现在 不同的部位；而方形件起皱则主要集中在直壁夹角处，也大多在该处发生破裂。 这主要与两者的变形方式有关。 9 a z 3 l 镁合金板材冲乐忡能bi 。艺研究 1 4 2 成形温度 由于镁合会在室温下塑性变形能力较差，所以为得到较大的极限拉深比，通 常在高温下进行拉深成形，所以成形温度的选择对其成形能力和效果的影响就显 得非常重要。 f u h k u oc h e n 等【2 9 】利用有限元分析和实验研究表明，对于a z 3 l 镁合金在 2 0 0 左右成形效果最佳。e d o e g e 【”j 对a z 3 1 b 、a z 6 1 b 、m l 镁合金的研究亦 得到了与此相类似的结论。 在拉深工艺中，为了提高板料的拉深成形能力，增加l d r ，采用差温拉深 是一种有效的方法【35 1 。根据尹德良【3 8 1 等人的研究，对于a z 3 1 镁合金在大于1 5 0 的温度下拉深较大直径坯料时，冲头温度需控制在5 0 9 0 的范围。s h o i c h i r o y b s h i h a r a 【3 5 】等人研究发现，对于a z 3 1 o 镁合金，在温度恒定的情况下，可得 到l d r = 2 0 9 的圆筒形件；而采用差温拉深装置，通过控制模具凹模与压边圈 的温度，并用冷却水冷却冲头以此来控制冲头温度，在毛坯温度为约4 0 0 时， 与变压边力技术相结合，通过合理的控制可得到l d r 5 0 的圆筒形件。 1 4 3 拉深速度 研究表明【39 ，随着拉伸速度的增加，镁合金的延伸率降低，变形抗力增加。 所以，在拉深过程中，随着拉深速度的增加，所需的拉深力增加，从而导致变形 过程中拉深件所受应力增加，使材料易于破裂，降低材料的l d r 。 张凯锋等【3 3 3 8 】研究了在拉深速度分别为7 5 m m m i n 、3 0 m m m i n 、7 2 m m ，m i n 的情况下，a z 3 l 镁合金的成形效果，发现在拉深速度为7 5 m m m i n 和3 0 m m m i n 时，均可得到拉深比达2 6 5 的圆筒形拉深件，而以7 2 m m m i n 的速度拉深时， 板料很快在凹模入口处断裂。e d o e g e 【3 0 l 等在2 0 0 下研究了a z 3 l b 、a z 6 1 b 、 m 1 镁合金极限拉深比l d r 与拉深速度之日j 的关系，发现其l d r 值与拉深速度 成线性关系，随拉深速度的增加而降低。 1 4 4 润滑条件 在拉深过程中，板材与模具的摩擦对板材的成形性能也有较大的影响。当板 材与模具问的摩擦较大时，由于摩擦力而引起板料径向应力增大，从而导致拉深 力增加，将增大已经进入凸凹模之间变形后的板材承受的拉应力，使该部分板材 易于破裂。所以，采用适当的润滑方式，可有效地改善镁合金板材的拉深成形性 能，提高其极限拉深比。 尹德良1 3 8 】等研究了肥皂、硅油和水基石墨三种不同类型的润滑剂对拉深性 能的影响，结果表明采用肥皂润滑剂，具有较佳的润滑效果，可成功拉深成形； 而硅油和水基石墨板料则在拉深初始阶段即在凹模入口处发生撕裂。 1 4 5 压边方式 压边力的控制对拉深件的成形具有至关重要的作用。张凯锋等【3 3 1 等采用固 硕十学付论文 定间隙式压边方式，得到了l d r = 2 6 5 的a z 3 l 镁合金圆筒形拉深件。根据 s h o i c h