（材料加工工程专业论文）镁合金板材电磁成形实验研究.pdf

武汉理【= 大学硕士学位论文 摘要 镁合金具有密度低、比强度高、电磁屏蔽能力强等优点，已经作为新型的结 构材料，广泛地应用在航天航空、交通工具、电子通讯等领域。虽然目前镁合金 的主要加工方式为铸造，但是经过塑性加工的变形镁合金产品具有更加广阔的应 用前景，因为通过塑性加工不仅能提高产量，而且能赋予产品更加优良的机械性 能。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。镁合金采用传统的加工工艺进行加工效果 并不理想，电磁成形属于高能率成形，在高速成形时，材料的力学性能可以得到 很大程度的提高，采用电磁成形工艺进行镁合金板件的成形是提高其塑性的一个 方向。因此，开展镁合金电磁成形加工技术的研究具有重要的意义。 电磁成形是金属在强脉冲磁场中受力而发生塑性变形的一种高能高速的成 形方法。电磁成形具有模具简单、成形精度高、精确可控的特点，并且可提高某 些材料的塑性。对环境的污染小，可以直接或间接实现零件的成形、装配、冲裁、 精压、焊接等工序。 本文以a z 3 1 镁合金板材为研究对象，在拉伸机上测试室温条件下退火处理 后的a z 3 1 镁合金板材的力学性能和冲压性能，实验表明，室温下a z 3 1 镁合金 板材的力学性能和冲压性能不佳，塑性加工能力不强。在对镁合金冲压性能和电 磁成形的一般规律进行总结和探讨的基础上，详细讨论和阐述了镁合金板材电磁 自由成形的工艺路线和实验工装。将a z 3 1 镁合金板材在本课题组自行研制的电 磁成形设备上进行自由胀形实验研究，根据实验结果分析了放电线圈、模具、压 边垫圈，板料厚度和放电电压等对工件变形效果的影响，初步得到了电磁成形时 镁合金板材成形质量的影响因素和变形规律。 对镁合金板材进行杯突实验和电磁成形实验，通过板材极限应变的测量和读 取，绘制出镁合金杯突实验成形极限图和电磁成形下的成形极限图( f l d ) ，对 比说明电磁成形在一定程度上提高了镁合金成形极限，进一步证明了电磁成形高 应变速率对镁合金板材塑性的提高作用。镁合金电磁成形极限图的绘制对镁合金 板材的电磁成形工艺的制定提供了理论依据。 关键词：电磁成形a z 3 1 镁合金冲压性能成形极限图( f l d ) 武汉理工大学硕士学位论文 a bs t r a c t d u et oi t s l i g h t w e i g h t ，h i g hs p e c i f i cs t r e n g t h a n de l e c t r o n i c s h i e l d i n g ， m a g n e s i u ma l l o yh a sb e e nw i d e l yu s e da ss t r u c t u r a lc o m p o n e n t si nt h ea e r o s p a c e ， e l e c t r o n i c s ，a n da u t o m o b i l ei n d u s t r yt or e p l a c es o m ee x i s t i n gm a t e r i a l s a l t h o u g ht h e p r i n c i p a lm a n u f a c t u r i n gp r o c e s sh a sb e e nd i ec a s t i n g ，t h ep l a s t i cf o r m i n gh a s c o n s i d e r a b l ep o t e n t i a l ，b e c a u s eo fi t sc o m p e t i t i v ep r o d u c t i v i t ya n dm e c h a n i c a l p e r f o r m a n c e h o w e v e r ，m a g n e s i u ma l l o y sh a v ep o o rf o r m a b i l i t yd u et ot h eh e x a g o n a l c l o s e p a c k e d ( h c p ) c r y s t a ls t r u c t u r e 。i ti s am e t a l l i cm a t e r i a lw h i c hh a sc o n s t a n t l y b e e nr e g a r d e da sd i f f i c u l tt op l a s t i cd e f o r ma n dh a r dt os h a p eb yp r e s sf o r m i n g 一t r a d i t i o n a ls h a p i n gm e t h o do fm a g n e s i u ma l l o yh a sn o ta f f e c t i o n ，i ti so n e o fm e t h o d t h a tm a g n e s i u ma l l o yp l a n e ti ss h a p e db yt h ee l e c t r o m a g n e t i s m s o ，i ti s v e r y i m p o r t a n tt od e v e l o pe l e c t r o m a g n e t i cf o r m i n gt e c h n o l o g y e l e c t r o m a g n e t i cf o r m i n gi san e wk i n do ff o r m i n gm e t h o dw i t hh i l g he n e r g ya n d h i g hf o r m i n gv e l o c i t y ，b yw h i c ht h em e t a li sl o a d e du n d e rs t r o n gi m p u l s em a g n e t i c f i e l da n dd e f o r m e dp l a s t i c a l l y c h a r a c t e r i z e so fe l e c t r o m a g n e t i cf o r m i n ga r ea s f o l l o w s ：t h em o u l di ss i m p l e ，t h ea c c u r a c yo ff o r m i n gi sh i g h ，a n dt h ea c c u r a c yc a nb e c o n t r o l l e d ，a tt h es a m et i m e ，i tc a l li n c r e a s ep l a s t i cp r o p e r t yo fs o m em a t e r i a l s a n d t h es p r i n gb a c ka n dt h ep o l l u t i o na r ev e r yl i t t l e i tc a nd i r e c t l yo ri n d i r e c t l yf i n i s h e s s o m ep r o c e s sa sf o l l o w s ：f o r m a t i o n ，a s s e m b l a g e , b l a n k i n g , c o i n i n g ，w e l d i n ga n ds o 0 n t h i sa r t i c l et a k ea z 3 1m a g n e s i u ma l l o ys h e e ta so b j e c to fs t u d y ，t ot e s tt h e m e c h a n i c sp r o p e r t i e sa n dd e e pd r a w i n gp e r f o r m a n c eo fa z 3 1m a g n e s i u ma l l o ys h e e t t h em a i nr e s e a r c ho ft h i sd i s s e r t a t i o ni sa sf o l l o w s n er e s u l ts h o wt h a t ，u n d e rt h e r o o mt e m p e r a t u r e ，t h em e c h a n i c sp r o p e r t i e sa n dd e e pd r a w i n gp e r f o r m a n c eo fa z 3 1 m a g n e s i u ma l l o ys h e e ta r es op o o rt h a tw i t h o u ta ni d e a lf o r m i n ga n dp r o c e s s i n g c a p a c i t y i nt h i sp a p e r ，b a s e do nt h es u m m a r i z a t i o na n dd i s c u s s i o no fm e c h a n i c sp r o p e r t i e s o fa z 3 1m a g n e s i u ma l l o ys h e e ta n dg e n e r a lr u l eo fe l e c t r o m a g n e t i cf o r m i n g t h e a u t h o ra p p l i e dc r a f tr o u t ea n dt e s te q u i p m e n tm a c h i n eo fe l e c t r o m a g n e t i cf o r m i n g w i t hs e l f - m a d ee l e c t r o m a g n e t i cf o r m i n go nf o r m i n ga z 31m a g n e s i u ma l l o ys h e e t i nt h e d i s s e r t a t i o n ，a c c o r d i n gt o t h er e s u l to fm a g n e s i u ma l l o ys h e e tm e t a l e l e c t r o m a g n e t i cf r e ef o r m i n go nt h es e l f - m a d ee l e c t r o m a g n e t i cf o r m i n gm a c h i n e t h e a u t h o ra n a l y z et h ea f f e c to ff o r m i n gv o l t a g e ，d i es t r u c t u r e ，s h e e tt h i c k n e s sa n dc o i lt o i i 武汉理工大学硕士学位论文 一一二一 d e f o r m a t i o n a n di n f l u e n c i n gf a c t o ro ff o r m i n gq u a l i t y a n dd i s t o r t i o nr u l eo f e l e c t r o m a g n e t i cf o r m i n gm a g n e s i u ma l l o ys h e e t w a s p r e l i m i n a r i l ya c q u i r e d b a s e do nt h ep u n c ht e s ta n de l e c t r o m a g n e t i cf o r m i n gf o rm a g n e s i u ma l l o ys h e e t ， t h r o u g ht h em e a s u r ea n dr e c o r d i n go fs h e e tl i m i ts t r a i n t h ea u t h o rd r a wt h ef o r m i n g l i m i td i a g r a m ( f l d ) o fe l e c t r o m a g n e t i cf o r m i n gp r o c e s so fm a g n e s i u ma l l o y s h e e t - i t o 疵r st h et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o re l e c t r o m a g n e t i cf o r m i n gp r o c e s so fm a g n e s i u m a l l o ys h e e t k e yw o r d ：e l e c t r o m a g n e t i cf o r m i n g a z 3 1m a g n e s i u ma l l o yd r a w a b i l i t y f o r m i n gl i m i td i a g r a m ( f i 脚 i i i 独创性声明 本人声明，所旱交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 签名：拙吼j 亟斗 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保留、送交 论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以 采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 虢业聊躲趟耋嗍地坠士，歹 武汉理1 = 大学硕十学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 镁是地球上最富有的元素之一，在地壳中的含量大约为2 1 5 。纯镁的密度 为1 7 4 k g c m 3 ，约为铝的2 届，钢的1 4 ，金属镁及其合金是目前工程应用中最轻 质的金属结构材料【1 1 。它不仅密度低，而且具有比强度和比刚度高、电磁屏蔽性 能好、减震抗震性能优良、易于机加工成形和易于回收再利用、无环境污染等优 良特性，被誉为2 1 世纪的绿色工程材料1 2 1 ，也被认为是航空航天、军事、汽车、 3 c ( c o m m u n i c a t i o n s 、c o m p u t e r 和c o n s u m e re l e c t r o n i c s ) 等众多领域最具有开发和 应用潜力的金属材料。但是由于受镁合金室温塑性差、成形困难等诸多因素的影 响，镁合金的发展相对滞后。近年来镁合金特别是变形镁合金的发展迎来了新的 高潮，国内外许多材料工作者都投入了大量的精力开展变形镁合金的研究p - 6 1 。 因此，研究开发行之有效的镁合金板材的成形技术，是推动镁合金材料应用与发 展的关键。 电磁成形( e l e c t r o m a g n e t i cf o r m i n g ) 是利用毛坯或借助于驱动片在强脉冲磁 场中受电磁力作用而产生塑性变形的一种高能率成形方法。目前，电磁成形工艺 在美、俄、英、法、德、日等工业发达国家的航空、航天、汽车、核能、电子、 化工等领域己得到相当广泛的应用。在美、俄等国家，电磁成形机的制造已经系 列化、标准化。能够加工零件的尺寸已1 2 0 0 m m ( 直径) 1 0 0 0 m m ( 长度) 6 m m ( 厚 度) 。上世纪八十年代初期，前苏联已有2 0 台电磁成形机用于工业生产，而美国 有4 0 0 多台电磁成形机已投入应用1 7 。1 。 镁合金电磁成形是在深入分析国内外镁合金板材塑性成形和板材电磁成形 的研究现状基础上，总结变形镁合金变形机理与成形技术、电磁成形设备工装与 工艺的基础上提出来的融电学、力学、材料科学于一体的变形镁合金成形加工新 方法，该方法对提高变形镁合金制品成形质量、缩短制造周期、降低生产成本等 都具有重要意义。 1 2 镁合金的特点 1 2 1 镁合金的物理和力学性能 m g 于1 7 5 5 年被发现，1 8 0 8 年d a v e y 成功地将m g 分离出来，1 8 5 2 年b u n s e n 建成了电解熔融m g c l 的实验室【1 ，从此之后，镁就不断地为人们所开发利用。 镁在地壳中储量丰富，仅次于铝、铁，可以通过盐水、海水和含镁矿石中提纯精 武汉理t 大学硕十学位论文 炼。纯镁的熔点为6 5 0 。c 。表1 1 显示的是镁合金与相关材料的物理和力学性 能比较【1 2 】。 表1 1 镁合金与相关材料的物理和力学性能比较 从表1 1 可以看出，镁合金的主要力学性能接近于铝合金，但其密度却小 于铝合金，比强度是铝合金的1 8 倍，可以说在应用金属范围内镁合金具有最高 的比强度。与工程塑料相比，镁合金的密度虽比工程塑料高，但其熔点却是工程 塑料的4 6 倍，其比强度是工程塑料的1 8 倍左右；此外镁合金还有一个重要 的特性就是镁的体积热容比其它所有金属都低，且合金元素对镁的热容的影响也 不大，所以镁合金加热升温与散热降温都比其它金属快，如表1 1 所示其热传 导系数是工程塑料的3 0 0 倍以上。 1 1 2 镁合金产品的优势 1 ) 重量轻。纯镁的密度( 1 7 3 6xl f f 3k g m 3 ) ，与塑料相近；比密度只相当于 铝的2 3 左右，铁、锌的1 4 左右。在同等刚性条件下，1 k g 镁合金的坚固程度 等于1 8 k g 铝和2 1 k g 钢。普通镁合金的密度为( 1 3 - 1 9 ) 1 0 3 k g m ，最轻的镁 合金( m g l i 合金) 的密度仅为0 9 5 x1 0 3 k g m 3 ，可漂浮于水上。 2 ) 镁合金的比强度高于铝合金和钢( 是铝合金的1 7 1 倍，钢的1 3 0 倍) ，高 于铝合金和钢，比刚度却接近铝合金和钢，具有一定的承载能力。 3 ) 弹性模量大、刚性好，长期使用不易变形。 4 ) 有良好的铸造性和尺寸稳定性，容易加工，废品率低，从而降低生产成 本。 2 武汉理丁大学硕士学位论文 5 ) 对环境无任何影响，镁金属及其合金是一种环保型材料，对环境无污染， 其废料回收利用率高达8 5 以上，由于其回收利用时耗能较少，回收利用的费用 仅为相应新材料价格的4 左右。 6 ) 可压铸性，镁合金具有良好的可压铸性，这使得现有镁金属制品大部分 是压铸件，以便实现大批量、高效率的工业生产。 7 ) 在高温下有较好的塑性，因此可用压力加工的方法可获得各种规格的棒 材、管材、型材、锻材、。模锻件和板材，以及冲压件等。 8 ) 抗电磁干扰及屏蔽性好，加上其优良的综合力学性能，在3 c 产品中能得 以广泛的应用。 9 ) 良好的阻尼系数，减振量大于铝合金和铸铁，用于壳体可以降低噪音，用 于座椅、轮圈可以减少振动，提高汽车的安全性和舒适性，对于承受往复交变载 荷和振动的部件来说，尤其适用，因此在汽车行业必将有很大的应用前景【1 2 1 列。 3 变形镁合金研究现状 1 3 1 变形镁合金简介 根据加工方式的不同，镁合金材料主要分为铸造镁合金与变形镁合金两大 类。前者主要通过铸造获得镁合金产品。传统的铸造工艺比较成熟，近年来，铸 造领域中一些新的生产工艺和技术，如压力铸造( d i ec a s t i n g ) 技术t 1 4 1 ，半固态成 型( s e m i s o l i df o r m i n g ) 技术 1 引，以及t m ( t h i x om o l d i n g ) 专利技术【1 6 1 ，都被用来 开发新型镁合金材料，并取得了很大的进展。与这些工艺生产的铸态材料相比， 变形镁合金材料更具发展前途与潜力，通过变形可以生产尺寸多样的板、棒、管、 型材及锻件产品，并且可以通过材料组织的控制和热处理工艺的应用，获得比铸 造镁合金材料更高的强度，更好的延展性，更多样化的力学性能，从而满足更多 结构件的需要。因此，研究与开发新型变形镁合金，开发变形镁合金新的加工工 艺，生产高质量的变形镁合金产品，发展镁合金材料的最重要、最具挑战性且最 长远的目标和计划。 目前，加工镁合金零件使用最多的是压铸技术。压铸技术在欧美等国家己经 相当成熟且己拥有较大规模，可以生产出具有复杂几何形状的零件。压铸技术使 用的镁合金为铸造镁合金，但是由于铸造镁合金的组织结构不够致密，因此，这 些零件的机械性能( 抗拉强度，延伸率等) 通常达不到所需的标准。与铸造镁合金 成形相比，变形镁合金成形有很多优点： 1 ) 致密的组织结构 变形镁合金原料是将原始坯料经挤压或轧制后而得，因此组织比较致密，成 3 武汉理工大学硕士学位论文 形过程中可以避免在材料内部和外部产生缺陷，如：缩痕、水印、空洞和气孔等。 2 ) 精良的表面质量 变形镁合金组织比较致密，在控制好成形温度，润滑等条件下，可以获得拥 有精良表面质量的零件。现在，市场对产品的表面质量有很高的要求，产品的表 面质量对产品而言也就变得非常重要，甚至决定了产品的市场占有能力。变形镁 合金的这个优点迎合了市场的需要，符合发展的潮流。 3 ) 可制成更薄的零件 组织致密，使变形镁合金在同等强度下可制成更薄的零件，如手机外壳、笔 记本电脑外壳、相机外壳等，而超薄产品正符合市场的走向，所以镁合金板料的 应用将会更加广泛。 。 钔应变强化效应 变形镁合金板材成形过程中，随着变形的不断增大，材料的强度也会随之提 高，使其具有更高的比强度。 5 ) 内部纤维组织连续 轧制的镁合金板料纤维组织连续，大大增强了镁合金零件的机械性能。由此 可见，变形镁合金成形拥有很多铸造镁合金所达不到的优点。而且，在汽车覆盖 件，笔记本电脑机壳，移动电话外壳，相机外壳等许多产品中，大部分的零件需 要采用板材成形。所以，变形镁合金板材成形拥有非常美好的前景。但是，目前 由于缺少成形过程中合理的工艺参数及板材成形的相关经验，使变形镁合金板材 成形技术的应用受到一定的限制，因此，研究变形镁合金板材成形性能、开发变 形镁合金板材成形技术对于实现镁合金板加工的实用化和产业化具有重要的现 实意义和经济价值。 1 3 2 变形镁合金的塑性变形机理 为了解决变形镁合金在实际生产过程中的塑性变形问题，对变形镁合金的塑 性变形理论进行深入的研究就显得格外重要。 1 3 2 1 滑移变形【0 7 j 同其它的金属材料相同，镁合金的塑性变形也主要是通过位错运动来实现 的。一般而言，在其它条件相同时，晶格的滑移系越多，滑移可能采取的空间取 向也就越多，位错也就越不容易产生塞积，塑性便越好。纯镁及其合金大多为密 排六方晶体结构，其轴比值为1 6 3 2 ，接近理想的密排值。大量的研究表明，镁 合金滑移系主要包括基面滑移系，锥面滑移系，棱柱面滑移系。 0 0 0 1 基面是镁 合金中原子排列最为紧密的晶面，是镁合金中最基本的滑移系，而三个 1 0 1 0 棱柱面和六个 1 0 1 1 锥面等非基面滑移系由于其临界切应力在室温附近时比基 4 武汉理工大学硕士学位论文 面大得多，因而室温下只有三个基面滑移系即两个独立的滑移系。体心立方晶格 的钢和铁、面心立方晶格的铝及其合金都有1 2 个滑移系，故它们的塑性远高于 镁及其合金，镁及其合金的室温塑性较低，难以塑性加工成形。而棱柱面和锥面 等非基面滑移一般只有在应力集中较为严重的晶界附近区域才能发生。大量的研 究表明，随着变形温度的提高，镁晶体棱柱面和锥面等非基面滑移系被激活而启 动，使镁及其合金的高温塑性得以大幅提高。锥面滑移能减小镁单晶的塑性各向 异性，从而使其塑性及加工性能得到改善。总之影响滑移系的因素非常复杂，不 仅与材料组织结构等本身性能有关，而且还取决于变形工艺参数。一般而言，影 响镁合金滑移的主要因素有变形温度、变形速度、合金元素、晶粒度、初始晶粒 取向等。 因此，尽管镁合金室温下只有两个独立的基面滑移系，但同时还存在棱柱面 和锥面等非基面滑移系。弄清这些滑移系在什么条件下能够激活而开动，对充分 发挥和改善镁合金的塑性变形性能具有十分重要的影响。 1 3 2 2 孪生变形i 瑙j 对具有密排六方晶体结构的纯镁及其合金，孪生也是一种重要的晶内塑性交 形机制。在镁合金的塑性变形过程中，由于仅通过位错发散难以获得有效的调节， 于是孪生可以作为一种附加的调节机理。在金属的塑性变形过程中，孪生切变量 一般都远小于滑移变形量，因此孪生本身对晶体的塑性变形的直接贡献并不大， 但孪生的作用在于调整晶体的取向并释放应力集中，从而激发进一步的滑移，使 滑移和孪生交替进行，这样就可以获得较大的变形。根据金属材料发生滑移和孪 生时的应力状态可知，当晶体受拉伸载荷作用时，在任何晶面上均可分解为垂直 于滑移面的拉应力和平行于滑移面的切应力。其中拉应力只能引起拉断，不能引 起塑性变形。只有在切应力的作用下才能产生塑性变形。镁合金因其滑移系很少， 孪生就在塑性变形的过程中起着很重要的作用。当垂直于基面压缩或平行于基面 拉伸时，其晶面取向既不利于滑移也不可能发生孪生。所以孪生对镁合金总的应 变量并不大。当垂直于基面拉伸时或平行基面压缩时，在变形开始阶段基面处于 硬取向，难以发生滑移，但可发生孪生。孪生导致孪晶区域内的晶体取向发生改 变，使基面偏离硬取向，于是孪晶内的晶体满足滑移发生的条件，开始滑移。当 晶体沿滑移面的上下部分发生相对位移时，作用在晶体上的力轴产生相对错动， 形成一个力偶。在这个力偶的作用下，晶体发生转动。转动的方向是力图维持与 拉伸方向平行，从而导致滑移面的位向发生改变。所以随着滑移的进行，最终滑 移面将平行于拉伸方向，这时既不能发生滑移也不能发生孪晶。在变形的过程中， 当孪晶达到一定的比例时，在初生孪晶的内部可发生二次滑移和二次孪生。而这 些二次滑移和二次孪生可以带来较大的应变，使得滑移一孪生和孪生孪生交互 5 武汉理t 大学硕士学位论文 作用在能量上变的可行。然而，仅仅依靠孪生来弥补镁合金滑移系少和塑性各向 异性强的缺陷是非常困难的。因此，要充分满足镁合金多晶体的均匀塑性变形条 件，就必须通过晶粒细化以及织构控制等来促进萁滑移、孪生的进行以及非基面 滑移的启动和晶界滑移，从而来改替、提高镁合金的塑性变形能力，尤其是低温 乃至室澄的塑性变形畿力。 1 3 3 变形镁含金的研究进展 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，壹至近日仍然抉速增长。结合隧本学者蒿津正秀的总结， 对近几年世界上变形镁合金塑性加工技术的开发总结归纳如下f 1 9 捌。 在1 9 9 9 年之前，世界上基于变形镁合金开展了一下研究：在锻造方面，研 究了稀土元素对镁合金锻造性能的影响，并对镁合金的多工步精密锻造成形技术 进行了研究，制定出了合理的锻造变形温度以及精整温度；在二次成形方面，研 究集中在轧制的冲压成形，对镁合金板材的冲压成形性麓进行了大量的实验研 究，主要包括圆锥杯突，埃里克森值，拉深成形实验等以及拉深过程的抗皱控制， 对镁合金的麓压成影也进符了初步研究；另终，在织构，形交热处理和表面处理 对材料力学性能和成形性能的影响方面进行了一定研究。 2 0 0 0 年，变形镁合金的研究主要集中在和镁合金的力学性能和成形性能， 主要研究内容包括热处理工艺、成形温度、变形速度、模具圆弧半径、润滑剂等 对成形性能的影响。同时，还研究了镁合金等温精锻工艺、拉深模具的表面处理、 冷弯睦性能、板材成形极限、退火处理工艺等使用技术及管材的弯益等。此外， 对细晶镁合金的伸长率与变形速度的关系、低温成形和高速高温成形也进行了研 究。 2 0 0 1 年，有关镁合金使用技术方面的研究开始增多，在轧制、挤压、锻造 等技术的开发方瑟取得了一定成果。在薄壁髂的锻造，型材，管件、板料的挤压， 线材生产控制，结构的控制以及二次加工，如板，管的弯曲，剪切加工，翻孔成 形，胀形成形，旋压成形，温差拉深等方面展开了研究。同时，还展开了应变硬 化指数、塑性应变比的影晌因素，晶粒细化和织构对镁合金性能的影响等基础性 研究工作。另外，对各向异性与温度的关系、常温成形性能，温拉深工艺、有限 元分析等进行了研究。 2 0 0 2 年，关于变形镁合金的研究论文主要有镁合金锻造性能，挤压工艺， 挤压材组织与性能，单辊驱动轧制镁合金扳材的结构、组织与性能，方形件冲压， 等径角挤压制备微晶材料，圆管成形，气胀成形，温加工拉深m n 及其化合物对 成形性能的影响等。 6 武汉理t 大学硕士学位论文 2 0 0 3 年，有关变形镁合金的研究论文急剧增加，对镁合金塑性加工技术展 开了全面研究，主要内容有成形速度对锻造的影响，管材的分流挤压工艺，挤压 工艺对挤压品组织与性雏的影响，轧制对镁合金组织和性能的影响以及单辊驱动 轧制和叠层轧制，深拉深成形，差温拉深，弯曲成形等。 到2 0 0 4 年，在各个方面对变形镁合金展开了一系列的研究，主要包括多轴 锻造，锻造镁合金的组织与性能，挤压成形极限图，挤压材组织，性能，丝材拉 拔，轧制王艺对板材性能的影响，异步轧制对镁合金织梅、力学性能、成形性能 的影响，非等温拉深等，并且对镁合金的动态再结晶和二次加工以及变形镁合金 在汽车上的应用进行了一些研究。此外，对镁合金回收的研究也取得了一定的进 展，开发了切屑挤压固态圈收技术。 1 4 电磁成形研究概述 由法拉第电磁感应定律可知，在导体中加载一个交变电流可以使导体周围产 生一个交变的磁场，并且如果在导体旁边还有其它导体，就会在该导体中产生一 个感应电流。又由安培定律可知，产生感应电流的导体在原导体所产生的交变磁 场作用下会产生一个电磁作用力。电磁成形加工就是利用脉冲电流产生的脉冲放 电磁场，使金属工件产生感应磁场，金属工件在脉冲磁场力的作用下进行塑性成 形的一种加工方法i 捌。 1 4 1 电磁成形研究概况 早在2 0 世纪2 0 年代，物理学家k a p t i l a p 在脉冲磁场中做实验时发现，形成 脉冲磁场的金属线圈易胀大、胀破，这一现象启发了人们对电磁成形原理的思考。 5 0 年代宋，美国通用电力公司在日内瓦举行的第二次国际和平原子能会议上， 展出了世界上第一台电磁成形机。 6 0 年代初，美国、前苏联、英国、日本等国家相继开展7 电磁成形技术的 研究和推广应用，电磁成形设备第一次用于工业生产；6 0 年代中期，出现了储 能为5 0 、2 0 0 、4 0 0 k j 的电磁成形机。此后，电磁成形技术逐步在航天、航空、 汽车、电器、化工、医药等工业部门得到应用。例如反射灯罩成形、弹壳成形、 打火机壳钵成形、发动机整流罩成形等，都采用了电磁成形加工方法，不仅大大 降低了成本，而且提高了加工件的可靠性和使用寿命1 2 6 1 。 7 0 年代中期，全世界已有4 0 0 多台电磁成形机运行在生产线上，1 5 0 个以上 的工厂使用这种工艺，多数机器用于大批量生产，有的机器已经运行了5 0 0 万次， 这些设备的脉冲电流峰值一般为1 0 0 - - - 4 0 0 k a ，放电周期在l o o p s 左右。 8 0 年代初期，电磁成形技术已在美国、前苏联、r 本等圆的工业生产中得 7 武汉理e 大学硕士学位论文 到了广泛的应用，电磁成形机的制造已经系列化、标准化。能够加工零件的最大 尺寸己达1 2 0 0 m m ( 直径) 1 0 0 0 m m ( 长度) 6 m m ( 厚度) 【2 7 】。如美国m a x w e l l 公司生 产的各种m a g n e f 0 兀t l 设备已遍布美国、e t 本的十几家大公司的1 5 0 多个生产厂 家。 9 0 年代至今，电磁成形技术得到了进一步的发展。在美国俄亥俄州立大学， 电磁成形在线圈的设计、成形机械设计、成形压力分稀研究等众多方面得到了飞 速发展。 在我国，关于电磁成形技术的研究工作起步较早。早在6 0 年代初期，中科 院电工研究所就曾组织力量系统地研究过电磁成形工艺及设备，并取得了一些成 果，但由于历史原因该项研究工作一度被中止，原有设备也已不存在了。7 0 年 代末，哈尔滨工业大学再次组织力量进行电磁成形设备与工艺的设计、研究及开 发工作，并于1 9 8 7 年成功研制出了7 2 k j 的电磁成形机：9 0 年代中期，哈尔滨 工业大学与兄弟单位合作，分别为上海航天局、北京机电研究所开发研制出3 0 1 d 的电磁成形设备；兵器部5 9 所、中南工业大学、东北大学等单位也通过合作， 研制出了电磁成形机。我校也相继成功地研制了w g i 、w g i i 型样机和 w 卜型低电压电磁成形机样机倒i 。 1 4 2 电磁成形的工艺特点 电磁成形( e l e c t r o m a g n e t i cf o r m i n g ) 是利用瞬间的高压脉冲磁场对制件进 行间接或直接加工的新工艺。由于加工方式的不同，该成形方法与传统工艺在众 多方面都表现出了巨大的差异： 1 ) 制件的成形能力得到加强 传统的加工工艺一般是采用机械力对制件进行加工，整个加工过程可以被看 作是准静态的，制件受到的载荷随时间的变化比较缓慢。而电磁成形的过程中， 制件只在开始加工的几毫秒内受到强电磁脉冲力作用，属于高能率成形方法，整 个成形过程惯性力起到了主导作用。由塑性动力学原理可知，在高速成形时，材 料的力学性能可以得到很大程度的提高。因此，部分在传统加工中很难成形或者 不能成形的制件通过电磁成形的方法可以使其成形 k 撕一一s 一塾 图11 电磁成形拉深试样 武汉理工大学硕士学位论文 图1 1 是美国俄亥俄州立大学实验室的实验结果，左侧是用机械加工的方 式进行拉深制成的制件，右侧为利用电磁成形工艺通过多次放电拉深后得到的制 件p 砌。从图中可以清楚地看到，在同一材料上，左侧制件的拉深深度明显小 于右侧的制件，但是左侧的制件已经发生破裂现象，而右侧的制件依然完好。 2 ) 成形过程易控制 传统高能率成形方法还有爆炸成形。爆炸成形在爆炸瞬间能够释放巨大的化 学能作用于工件，亦属于高能率成形方法，能加工一些传统工艺不能加工的制件， 例如金属球形容器等。但是，该工艺存在着致命的缺陷：能量不易控制、安全性 较差。 电磁成形是通过将电能转化为机械能进行加工的。由于电能可以通过电器组 件得到很好地控制，因此该工艺在能量输入控制方面可以得到很好的保障。而且 可以通过选用和设计不同的线圈来控制磁场力的分布，控制工件在不同几何位置 的受力，提高电能转化的转化效率和线圈的使用寿命。 此外，通过对该工艺理论研究的不断深入，在具体成形能量的控制方面也有 了很大的突破。此外，计算机和电子技术的崛起，更方便了对电磁成形能量的精 确控制。 3 ) 其它优点 由于电磁成形过程中，电流是成形的主导因素。因此，只要精确地控制放电 电流，就能很好地对成形的整个过程进行控制，易于实现自动化。此外，由于该 工艺所需的电磁成形机成本远远小于锻压机、液压机等大形机械，该工艺更具经 济效益。同时，使用的是电能，对环境的污染少，噪音小，有利于保护环境和整 个社会的可持续发展。 1 4 3 电磁成形的应用 电磁成形经过几十年来的发展，电磁成形广泛应用于生产加工的各个领域。 主要应用于： 1 平板毛坯成形 将平板螺旋形线圈或匀压力线圈置于平板毛坯之上，通过夹具提供钳制力， 当脉冲电流通过线圈时，电磁力将工件顶入凹模。此法可用于平板毛坯成形、矫 形等工艺。如图1 2 所示为成形的平板类零件。 9 武汉理j 大学硕+ 学位论文 将管坯外推进 为不同放电能 图1 3 镁合金环件胀形零件 3 管毛坯缩径 将工件置于线圈内，此压力将工件向内压缩贴模。缩径成形经常被用于管管 连接、管杆连接、异形材质连接、组装等。如图1 4 为电磁成形在缩口不同材 质管件的联结上的一些应用。 图1 4 电磁成形的缩口零件 羁菌 武汉理t 大学硕士学位论文 4 琏接 电磁成形适宜管与管、管与杆、管与板的连接工艺，可实现管与芯轴的连接、 软管与接头的连接。连接强度甚至可超过母材强度。如图1 5 为使用电磁成形 连结的实例。 溅鞫 图l 5 电磁成形的连结零件 5 冲裁 电磁成形可在平板毛坯上冲孔，尤其适于料厚小的薄料或复合材料，可咀实 现无毛刺冲裁，有效提高产品质量。如图1 6 为电磁成形的冲裁样品。 图1 6 电磁成形的冲裁试样 此外，电磁成形还可以用于多种工序的复合成形、异性管成形、封瓶、铆接、 粉末压实等。 1 5 本课题选题意义及主要研究内容 镁合金板材在汽车、电子等行业的应用前景广泛，但变形镁合金的研究还局 限在传统的加工方法上，由于镁合金室温塑性差、成形困难等诸多因素的影响， 阻碍了镁台金应用的更进一步的发展。由于镁合金自身特性的局限，有关镁合金 板料电磁高速成形的研究尚少，人们对高应变速率下的镁合金板材电磁成形的塑 性应变，成形极限等规律的认识仍处于起步阶段，尚不能对镁合金板材电磁成形 进行客观的理论研究和实用的工艺分析。 将电磁成形应用于镁合金塑性成形的研究是一项全新的探索性工作，在工艺 和理论上由我们首次提出。通过系统地分析镁台金电磁成形的丁艺参数和实验工 武汉理下大学硕士学位论文 装对镁合金变形的影响规律，进而提出加工出高塑性变形镁合金制品的电磁成形 技术参数的选择方法，设计出镁合金电磁成形的工艺路线和实验工装。镁合金电 磁成形的成形极限图的绘制，进一步说明了高压电磁成形机的放电成形过程中， 变形的高速率对提高镁合金的塑性应变起到了一定的作用。该项目的研究不仅为 提高变形镁合金的塑性开辟了全新的加工方法，而且使镁合金成形压制向小型化 方向发展成为可能，对研制开发高应变变形的镁合金产品、提高工件质量、缩短 制造周期、降低生产成本以及实现复杂制品的校形加工等都具有重要意义。 本论文主要以a z 3 1 镁合金为研究对象，研究镁合金电磁成形工艺对其成形 性能的影响，具体研究内容有： 1 、在分析电磁成形的基本理论的基础上，优化并完善镁合金板材的电磁成形的 工艺路线和实验工装。 2 、通过镁合金板材的静力拉伸实验，研究了室温条件下镁合金板材的力学性能 和冲压性能。 3 、研究电磁成形工艺参数和实验工装对镁合金板材变形高度的影响，揭示镁合 金板材电磁成形的机理与规律。 4 、绘制镁合金板材杯突试验成形极限图和电磁成形极限图，揭示镁合金在电磁 成形条件下的成形极限，及其塑性性能的变化。 武汉理工大学硕+ 学位论文 第2 章镁合金电磁成形的工艺设计 电磁成形( e l e c t r o m a g n e t i cf o r m i n g ) 是一种高能率成形方法，它是通过高 压储能电容对线朗瞬时放电产生强脉冲磁场，使坯料在冲击电磁力作用下高速成 形。 电磁成形能使板坯在几毫米的距离上加速出2 0 0m s - 1 的速度1 3 1 1 。这种高速 对变形非常有利，能够提高成形性能，改善应力分布，减少超皱，有效地控制回 弹，提高局部压制和压花的能力【雏3 2 l 。平板琵坯电磁成形具有许多普通板料成形 方法所不具备的优点：由于成形速度高，导致材料的塑性提高，有利于成形强度 高、塑性差的材料，例如镁合金；可以只使用个凹模；能在高温下、惰性气体或 真空环境中加工，蠢且无需传压介质，保持荛坯光洁，准确控制能量，操作简单， 生产率高，环境污染少等优点。因此，镁合金平板毛坯的电磁成形具有很好的应 用前景及重要的研究价值1 3 3 - 3 4 1 。 2 1 电磁成形工艺设计要点 电磁成形可实现板材的各种冲压加工工序，电磁成形实验工装对工件的成形 效果有着直接的影响，电磁成形实验工装选择上，应该注意毛坯材料和形状，模 具和线圈结构设计，电容容量等对工件成形性能有影响的因素选择泌l 。 2 。1 。1 毛坯的选择 由电磁成形的基本原理可知，在电磁成形时，由于放电线圈交变脉冲磁场的 作用使毛坯内产生感应电流的结果，为毛坯提供产生塑性变形所需要的作用力。 因此，只有毛坯材料是良电导体的条件下，才可能产生感应电流，进行电磁成形。 盘于金属导电材料的导电性并不相同，导电率差的材料，可以用放电频率较高战 电磁成形机稍补偿，但加大了能量的损耗。也可以用导电率高的材料做驱动片进 行电磁成形，但电磁成形时能量受到损耗，成形效率较低。金、银、铜、铝、镁 和它们的各种合金，导电性能好，是适合于电磁成形加工的金属材料，成形效率 高。 对于导电性缝较差的坯料，在用于电磁成形方法加工时，为了提高变形过程 的效率，应该在毛坯和成形线圈之间放置一个“驱动片 ，利用驱动片的高导电 性，使其带动低导电性材料变形。驱动片材料应具有良好的导电性和低强度，生 产中常用退火的紫铜制作驱动片，驱动片的形状应保证能够产生较大的磁场力， 对毛坯的合理作用和尽量小地消耗能量，因此，驱动片的厚度要适宜，太薄时， 1 3 武汉理j 大学硕十学位论文 由于趋肤效应，磁场会扩散透过驱动片，作用力减小，驱动片太厚时，则由于驱 动片本身的变形所耗耗能量太大，而减少了工件的变形效果。 毛坯的几何形状必须保证感应电流不受阻碍，畅通无阻，因此毛坯的形状尽 量设计为方形，至少保证工件变形区域内工件形状能避免感应电流产生断路，而 降低电磁力的作用区域，影响成形效果。而且电磁成形作用的毛坯上不应开有细 长的孔和通槽，以免切断感应电流的通路，影响成形效果。从原理上讲，电磁成 形毛坯的厚度与尺寸的上限是没有的，只要电磁成形机的能量足够，大尺寸零件 的成形应当不成问题的，但是，目前最大的电磁成形机的能量是5 0 0 l ( j ，而且电 磁成形的能量利用率不高，随着能量的增大，损耗也逐渐增大。因此，从经济角 度出发，电磁成形零件的厚度和尺寸均不宜过大。电磁成形零件的厚度也不宜过 小，由于电流趋肤效应的影响，导致电磁成形效率低，而且严重时可能影响效果， 电磁成形的最小厚度决定于被加工金属的种类，电磁