AZ31B镁合金板材冲压成形性能研究

AZ31B镁合金板材冲压成形性能研究

陈 林,汪凌云,卢志文

(重庆大学材料科学与工程学院,重庆400044)

摘要:由于镁合金板材的冲压产品具有较好的力学性能和表面质量而成为镁合金材料应用的一个趋势。然而,目前它的许多成形性能参数尚未研究,这也影响了镁合金冲压成形工艺的设计。为了研究镁合金薄板的冲压成形性能,试验得到了一些成形性能参数,并为镁合金冲压成形的有限元模拟提供了重要的试验参数。关键词:镁合金;冲压成形性能;应变强化指数;厚向异性系数

中图分类号:TG1467.22 文献标识码:A 文章编号:1007-7235(2006)01-0031-04

ResearchtopropertyofAZ31Bmagnesiumalloysheetdrawing

CHENLin,WANGLing2yun,LUZhi2wen

(CollegeofMaterialsScienceandEngineering,ChongqingUniversity,Chongqing400044,China)

Abstract:Productofdrawnmagnesiumalloysheetwillbeatrendoftheuseofitbecauseofit.sexcellentmechanicproperty.How2ever,manyparameterofformingpropertyofofmagnesiumhaven.tbeenresearched,anditimpedeseriouslythestampingformingen2geering.Inthispaper,sometypicalexperimentwasstudiedandsomeimportantparametershavebeenconcluded.Theseresultcanal2sobetheessentialparametersthatusedinfiniteelementsimulationofstampingformingofmagnesiumalloy.

Keywords:magnesiumalloy;stampingformability;work-hardeningexponential;thecoefficientofnormalanisortopy

镁合金是结构材料中密度最低的金属,具有比强度高、刚度好、电磁界面防护性强等特点,被誉为

/21世纪绿色工程金属结构材料0,在航空航天,汽车、电子信息、民用家电等领域均已得到广泛的应用,并且具有广阔的应用前景和开发潜力。变形镁合金由于优异的性能以及在不同领域的特殊用途,使其成为镁合金材料研究与开发领域中不可缺少的一个组成部分。镁合金热冲压成形性能与钢板、铝板在室温下的冲压性能相近。采用板材的冲压成形工艺成形的零件具有较好的力学性能和表面质量。因此镁合金板材的冲压成形性能和工艺的研究是扩大镁合金应用的关键所在。

目前,关于镁合金板材特别是薄板冲压工艺的研究报道不多。本文通过试验研究了变形镁合金AZ31B的薄板(厚为0.8mm)的冲压成形性能,并分析得到了一些具有使用价值的数据。 收稿日期:2005-08-06

1 试验材料和试验方法

(1)常温力学性能试验

试验中所用材料为AZ31B合金板材,厚度0.8mm。为显示工艺方法对性能的影响,采用单向轧制和交叉轧制的板材进行试验。试验目的是为了测定材料常温下的力学性能参数。涉及到的与板材冲压成形性能有关的参数有屈服强度、抗拉强度、伸长

[124]

率、应变强化指数和厚向异性指数。试验过程依照GBPT228-20025金属材料室温

[5]

拉伸试验方法6进行。试验时分别在板材的轧向(RD)、横向(TD)和45b方向取样(如图1)。

(2)弯曲试验

试验用厚为1.5mm的热轧板。按照GBPT232-19995金属材料弯曲试验方法6标准规定的试样标准和试验方法进行了弯曲试验,以测定板材的弯曲试

第一作者简介:陈 林(1982-),男,安徽宣城人,重庆大学材料学院硕士研究生,主要研究方向为变形镁合金冲压成形研究。

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图1 板材拉伸试样取样示意图

验性能[6]

。

(3)冲压试验

为考察薄板的冲压性能,对薄板进行了实物冲压试验。由于杯形件拉伸是板料拉伸成形中最普遍和最有代表性的工序,而且是评价板料成形性能的重要试验方法,因此实物冲压是在型号为J44-58的55t底传动双动拉伸压力机上冲压出杯形件。其板料在外部加热,模具由于条件所限未能加热。

2 试验结果及分析

2.1 常温力学性能试验

表1给出了试验得到的板材的力学性能数据。一般,Rp0.2小的材料容易屈服,即材料在小的应力下容易流动,成形后回弹小,贴模性和定形性较好;Rm越大的材料综合成形性能越好。而材料的屈强比Rp0.2PRm则反映了材料从发生塑性变形到断裂时的变形能力。一般来说具有较小屈服强度和较大抗拉

强度的材料的应变强化指数n值也较大[7]

,材料的冲压成形性能也越好。其值越小,板材由屈服到破裂的塑性变形阶段长,抗破裂性好;实际上通过改善轧制工艺和退火制度可以提高材料的抗拉强度。在本试验中得到的抗拉强度达到了270NPmm2

,材料的伸长率最小达到了22%。同时可以看出材料性能存在着明显的各向异性。

表1 AZ31B镁合金交叉轧制退火态0.84mm厚的

板材的力学性能

取样方向RmP(N#mm-2)Rp0.2P(N#mm-2)

Rp0.2PRmAP%0b269.81690.6262245b275.51720.6242490b

279.1

175

0.627

22.3

2.1.1 应变强化指数n的测定

一般来说材料的硬化规律服从指数曲线

R=kEn

式中:n是板料的应变硬化指数;k是硬化系数;R是

真实应力;E是真实应变。

设试样断面积为A,则外力F有: F=RA当材料拉伸到产生缩颈时,F有极大值,所以

dF=RdA+dRA=0

dRPR=-dAPA=dEnkEn-1

PkEn

.dE=dE

即 n=EB

上式表明:n的物理意义等于材料拉伸时刚要出现缩颈时的应变EB,也是最大均匀应变。所以应变强化指数反映在成形中的作用是:当板材某点应力较其邻近部分大时,其较大的应变由于应变强化,增加了抵抗进一步变形的能力,故有将变形转移到邻近

部分的作用,延缓了该点缩颈的到来,使较大的板面有更为均匀的应变。以拉为主的零件成形时,n值小的材料,由于变形不均匀,变形大的部位又不能迅速硬化,易于产生裂纹;n值大的材料则相反,促使各部位变形趋于均匀,还可改善胀形成形极限。以压为主的零件成形时,n值大的材料,应变均化能力强,危险断面的承载能力高。

此外,近年来板料成形极限曲线(FLD)在板料冲压生产的应用得到日益广泛,人们已越来越注重应用FLD来解决冲压生产中的实际问题,如:测出冲压件最大变形处的应变,对比FLD分析成形状态及安全裕度;合理选材及检验模具修正的效果[8]

。

随着有限元数值模拟技术的发展

[9210]

,人们通过采用

合适的屈服准则和塑性本构关系及不同的拉伸失稳准则,可以对材料的FLD进行理论预测

[6,8]

,并且这

种预测的结果与试验结果比较吻合。这就解决了试

验测定FLD曲线时工作量大、耗时长、试验数据分散度大、应用不便的缺点。

表2为根据试验数据求得的三个方向试样的应变强化指数n的值。其试验过程和计算方法依照GBPT5028-19995金属薄板拉伸应变硬化指数(n值)

试验方法6进行[11]

。从表2中可以看出,AZ31B薄板的n值在轧向、横向和斜向的差别都不大。研究发现,单向轧制时板材的n值约为0.164,所以采用交叉轧制的方法能够显著提高薄板的加工硬化性能。一般来讲,冷轧板的n值在0.2~0.27之间。可以看出镁合金的n值较低,这也是镁合金常温下冲压容易产生破裂的一个原因。

表2 板材应变强化指数n值

方向0b45b90bn

0.181

0.183

0.178

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2.1.2 板材各向异性系数的测定

轻 合 金 加 工 技 术LAFT 33

异性要小,因此成形时的变形不均现象也要小,这有利于提高冲压成品的平整度。同时可以看出,材料在45b方向上的r值要高于其他方向上的,所以材料

在这个方向上的变形性能较好。

表3 板材的各向异性系数

轧制方法方向rr0b1.36

交叉轧制45b1.821.56

90b1.22

0b1.23

单向轧制45b1.591.29

90b0.76

板料的各向异性系数,分为厚向异性系数r与平面各向异性系数vr。厚向异性系数r是以单向拉伸中宽度方向的真应变e2和厚度方向的真应变e3之比(r=e2Pe3)表示。一般来说,r值随薄板的方向(和轧制方向形成的角度)不同而变化,这种现象称为材料的各向异性。r值是根据从0b、45b、90b三个方向截取的试样的测量值取平均数得到的。即

r=

r0+2r45+r90

3

当r>1时,板料在宽度方向收缩比厚度变薄更容易些;当r<1时,板料在厚度方向变薄比宽度方向收缩更容易些。r值越大,材料在拉2拉和压2压状态下的变形抵抗力越大,在拉2压应变状态下的变形抵抗力越小,这意味着在以拉为主的拉2压应变状态下,r值越大,传力区的抗拉强度越大,而变形区的变形抵抗力越小。同时,r值越大,板料抵抗失稳变薄的能力越大,越能发挥拉伸失稳前的最大强度,拉动凸缘部分,形成更深的压延件。在杯形件的成形中,板材平面方向比厚度方向更容易变形,从而使拉伸件在径向收缩时不容易起皱,消耗的拉伸力小,危险断面不容易起皱,有利于板料的拉伸成形。

通常板的平面各向异性系数用vr表示。vr是板材平面内不同方向上厚向性系数r的平均差别,即厚向异性指数r值在板面上随方向的变化。vr的大小决定了圆筒形拉延件上边缘凸耳的形成程度,而不影响薄板的成形性能。其值为

vr=

r0+r90-2r45

2 平面各向异性vr反映在压延上表现为杯形压延件上边凸耳的形成。vr>0,拉延件凸耳出现在0b与90b方向;vr<0,拉延件凸耳出现在45b方向。文献[6]的研究结果指出,减小vr值,提高r45值,可以降低主应变值,提高成形能力;在相同的r值的情况下,减小vr值,会获得更大的成形高度。因此冲压用板料性能改善的一个重要方向就是提高r值和降低平面各向异性系数vr。

表3列出了根据试验求得的AZ31B薄板的r值。试验和计算方法按照GBPT5027-19995金属薄板塑性应变比(r值)试验方法6进行[2]

。从表3中可以看出,交叉轧制的板材的厚向异性系数值较单向轧制的板材的厚向异性系数值要显著增加,因此交叉轧制的板材的冲压成形性能比单向轧制的好;而前者的各向异性系数比后者的要大,即板材的各向

vr

-0.53

-0.61

2.2 弯曲试验

冲压成形分为弯曲、深拉延、胀形和伸长四类。板料的弯曲因素在冲压过程中是很难完全忽视的。例如压延过程中板料绕凹模圆角在拉伸作用下会进行弯曲和反弯曲的过程。此时的模具的圆角半径等工艺参数将会对板料的变形方式起重要的影响。薄板的弯曲试验模拟了板料对弯曲成形的适应性,为冲压模具的设计和工业生产中卷边和凸弯边成形工艺提供了一定的参考价值。图2为厚度为1.5mm的热轧板的弯曲试验结果。

图2 1.5mm厚的热轧板的弯曲试验结果

从图2中可以看出,板料0b方向的弯曲性能明显好于90b方向的弯曲性能。实际生产中,应尽可能采用最小弯曲半径,以避免材料的破裂。2.3 实物冲压试验

图3为杯形件冲压试验的模具和板料示意图,板料直径为16cm、厚为0.8mm的圆片,冲头直径为90mm。拉深的杯形件上分为五个区域:杯底区域、凸模圆角区域、杯壁区域、凹模圆角区域和突缘区域。零件的壁部是由突缘区域在压边圈和凹模的共同约束下,受到凸模的成形力的作用不断被拉入凹模内而形成的。因此,突缘区域也称为变形区,而杯壁区域则不再变形,称为传力区。冲头所对的杯底区域基本不变形,称为不变形区。利用应变分析的

方法[13215]

可以分析出五个区域的三个方向的主应变分布,如图4所示。图中可以看出,凸模圆角区域的

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厚向应变最大,说明该处材料减薄最为严重,因此这部分容易断裂。而整个拉伸变形材料不破坏的前提是冲压过程中的最大拉伸力要小于材料危险断面处的抗拉强度。

验后,通过调整冲头行程,在冷冲的条件下得到了完好的杯形件。图6即为试验中冷冲条件下得到的杯形件。这也充分说明了镁合金板材的冲压性能完全可以通过加工工艺和退火处理制度的改善而得到图3 杯形试验冲压示意图

图4 杯形件各区域应变分布示意图

图5为厚度为0.8mm的冷轧板材经退火处理后的杯形件拉深试验实物照片。一般来说,冲压件的失效形式主要有突缘变形区的起皱和杯壁与杯底圆角过度处的拉裂两种。冲头力过大,冲压速率过快,冲压温度过低,压边力过大,都会导致冲压过程中材料的塑性变形抗力超过其能承受的最大抗力,从而产生破裂;而压边力过小则会使突缘部分材料的周向压应力过大而使板料起皱。从图5中可以看出,a图中板材冷冲时出现了多处破裂现象;b图中板材经加热处理并减小冲头行程后未出现开裂现象,但由于压边力稍小而在边缘部分出现了明显的起皱现象;c图显示了在较b图增加冲头行程和压边力的情况下,板材在凸模圆角和凹模圆角间的部分出现了冲裂现象;图d显示的是在合理控制了加热温度、冲头行程和压边力的情况下得到的筒形件。由此可以看出,镁合金板材在合理控制了上述工艺参数后,完全可以获得较好的冲压效果。值得注意的是,在总结了图5a中冲头行程过大导致破裂的经

提高。

图5 厚度为0.8mm的冷轧板材退火后

的杯形拉深件实物照片

图6 冷冲条件下的杯形件示意图

3 结 论

(1)交叉轧制的AZ31B镁合金薄板比单向轧制

的具有更大的伸长率,更高的加工硬化性能和更大的厚向异性系数,从而具有更好的深冲性能。

(2)通过试验获得了常温下AZ31B板材的应变强化指数n、各向异性系数r和vr以及弯曲半径和弯曲角的关系,为镁合金板材冲压工艺的改善、模具设计和有限元仿真的研究提供了试验依据。(3)通过控制冲压温度,加热模具和调节冲压工艺参数,可以减少冲压过程中出现的拉裂和起皱。

(4)通过轧制工艺和退火制度的优化可以提高板材的性能,从而改善了材料的冲压性能。

(下转第54页)

54 LAFT(上接第34页)

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(上接第44页)

(2)采用喷射成形工艺制备的合金材料硅相明显细化,组织均匀度高,经热处理后合金中存在大量的Sc析出强化相。

(3)喷射成形制备的Al2810Si2410Cu2015Mg合金的力学性能及耐磨性能明显优于进口2218合金的,可以代替2218合金作为新型通讯用录像磁鼓材料。

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