郭俊卿，董朝閣，李金才，周蘭，楊雪梅，曹盛昌

(河南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南洛陽471003)

鎂合金的密度小，比強(qiáng)度和比剛度高，具有良好的阻尼減震性、導(dǎo)熱性和電磁屏蔽能力強(qiáng)等特點(diǎn)，還具有鎂資源儲(chǔ)量豐富、鎂合金產(chǎn)品易于回收的優(yōu)點(diǎn)，因而被譽(yù)為“21世紀(jì)綠色工程材料”。但鎂合金是密排六方結(jié)構(gòu)，滑移系少，常溫下塑性成形性能差，大多數(shù)鎂合金制品多采用鑄造工藝成形，而較少采用擠壓、軋制、鍛造等塑性成形方法[1－3]。利用鎂合金超塑性進(jìn)行氣脹成形可在特定溫度下成形結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鎂合金產(chǎn)品[4]。摩托車鋼制手把管傳統(tǒng)工藝是采用直管彎曲而成，存在吸振性差、質(zhì)量大等不足，而采用鎂合金材料制作的摩托車手把管，具有質(zhì)量輕、吸振性好、舒適性高的優(yōu)點(diǎn)，而鎂合金摩托車手把管的尺寸要求是中端外徑大于兩端，在長(zhǎng)度方向的壁厚保持一致，即變截面曲管，形狀較為復(fù)雜，采用塑性方法進(jìn)行加工困難。作者在對(duì)AZ91D鎂合金超塑性研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)變截面曲管超塑性脹形試驗(yàn)與彎曲試驗(yàn)，確定了其塑性成形工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了其精密塑性成形，獲得了尺寸與組織性能優(yōu)異的手把管制件，且該方法的成形設(shè)備簡(jiǎn)單、成形精度高、操作簡(jiǎn)便。

1 AZ91D鎂合金超塑性

根據(jù)拉伸試驗(yàn)，不同溫度下AZ91D鎂合金拉伸載荷與延伸率的關(guān)系曲線如圖1所示。

圖1 不同溫度下的拉伸曲線

隨著溫度的升高，鎂合金的延伸率不斷增加，當(dāng)變形溫度從280℃升至310℃時(shí)，延伸率從82%迅速增到120%，同時(shí)流動(dòng)應(yīng)力顯著下降至0.6 kN，表明從310℃開始AZ91D鎂合金表現(xiàn)出超塑性;升溫至340℃，其延伸率達(dá)到了161%。當(dāng)溫度繼續(xù)增至370℃和400℃，高溫氧化作用使得該鎂合金的延伸率逐漸下降至115%和105%，這種延伸率隨溫度非單調(diào)性變化表明340℃是AZ91D鎂合金超塑性變形的最佳溫度。

圖2為擠壓態(tài)AZ91D鎂合金在340℃、不同應(yīng)變速率條件下拉伸的真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線?？梢缘贸觯?40℃、應(yīng)變速率為1×10－4s－1的變形條件下，擠壓態(tài)AZ91D鎂合金在超塑性變形過程中不會(huì)出現(xiàn)明顯的加工硬化和加工軟化現(xiàn)象，也不會(huì)出現(xiàn)明顯的應(yīng)力峰，流動(dòng)穩(wěn)定性高，并經(jīng)過大變形后失穩(wěn)斷裂;在相同溫度下，隨著應(yīng)變速率的增加，真實(shí)應(yīng)力峰值也增加，應(yīng)變硬化和應(yīng)變軟化現(xiàn)象都變得更加明顯，尤其是當(dāng)應(yīng)變速率達(dá)到1×10－1s－1時(shí)，該鎂合金基本沒有流變階段，真實(shí)應(yīng)力達(dá)到最大值后就出現(xiàn)了失穩(wěn)斷裂。

圖2 不同應(yīng)變速率下的真實(shí)應(yīng)力真實(shí)應(yīng)變曲線

2 鎂合金變截面曲管成形工藝

該鎂合金變截面曲管主要應(yīng)用于大排量摩托車手把，其塑性成形工藝設(shè)計(jì)為:由AZ91D鎂合金棒料超塑擠壓為鎂合金直管，尺寸為外徑φ22 mm，內(nèi)徑φ14 mm，然后在脹形裝置的模具中進(jìn)行超塑脹形(如圖3所示)，實(shí)現(xiàn)管坯中間脹粗，獲得壁厚均勻而外徑變化的鎂合金管(如圖4所示)，再利用彎曲模具經(jīng)過兩次彎曲加工出變截面曲管(如圖5所示)。

圖3 管材脹形裝置

圖4 零件脹形部位尺寸

圖5 管材彎曲成形

試驗(yàn)在YX32-315型液壓機(jī)上進(jìn)行，超塑脹形的操作過程是:模具1、5 加熱到設(shè)定溫度，把爐中預(yù)熱340～370℃的鎂合金管6 放入模腔中，合模并施加一定的壓力F;在液壓缸3、8 推動(dòng)下使堵頭2、7前進(jìn)密封管子兩端并給管子兩端施加一定的壓力;向氣壓缸4 內(nèi)充油，達(dá)到一定的壓力并保壓一定的時(shí)間，使管子脹形到與模腔充分貼合;最后，卸掉氣壓缸壓力，堵頭后退，取出鎂合金直管。

鎂合金摩托車手把管脹形完成后，進(jìn)入彎曲成形階段。管材的彎曲按彎曲方式可分為繞彎、推彎、壓彎和滾彎。由于要求彎曲精度和外觀質(zhì)量要求較高，經(jīng)綜合分析后選用壓彎的方法成形。首先把脹形后的直管放入圖3中模具的a 腔彎曲出兩個(gè)外弧，再放入模具b 腔彎曲出兩個(gè)內(nèi)弧。

3 成形工藝參數(shù)確定

鎂合金變截面曲管塑性成形的關(guān)鍵在于其脹形階段，既要實(shí)現(xiàn)中部?jī)?nèi)外直徑的變大，還要保證壁厚保持一致。鎂合金直管壁僅在內(nèi)壓脹形力作用下，徑向尺寸變大壁厚減薄，為保證制件壁厚保持一致，必須在軸向施加一定壓力進(jìn)行補(bǔ)縮。脹形壓力 (內(nèi)壓)過大時(shí)，脹形后管件中部的壁厚就會(huì)小于兩端部分，甚至脹裂脹破;如果軸向壓力過大時(shí)，又易在管件中部發(fā)生扭曲。因此，軸向壓力與脹形壓力之間的匹配是否恰當(dāng)、加載路徑是否合理對(duì)鎂合金直管脹形質(zhì)量具有重要影響。

3.1 軸向壓力選擇

鎂合金直管脹形時(shí)，在變形區(qū)及過渡區(qū)的壁厚發(fā)生減薄現(xiàn)象，在變形程度最大部位，即外徑最大處容易發(fā)生脹裂。在工藝計(jì)算時(shí)，既要考慮最小厚度滿足成形要求和使用要求，也要考慮平均厚度和最終成形的幾何尺寸。

利用有限元數(shù)值模擬技術(shù)，對(duì)鎂合金直管脹形時(shí)的軸向壓力進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。管坯壁厚為4 mm，根據(jù)計(jì)算，鎂合金直管脹形壓力為6.5 MPa。將軸向壓力分別設(shè)為0、1、2 MPa，對(duì)不同軸向壓力時(shí)脹形后管壁厚度及減薄率進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算結(jié)果如表1所示?？梢钥闯?，在內(nèi)壓為0～2 MPa時(shí)，隨著軸壓的增加，成形區(qū)的最大厚度也相應(yīng)地增厚，在1～2 MPa時(shí)壁厚接近，軸向壓力取1.5 MPa。

表1 不同軸向壓力對(duì)應(yīng)的管壁厚度

3.2 脹形壓力選擇

管材脹形時(shí)，脹形力與時(shí)間可以是正比例關(guān)系，即脹形力加載路徑為線性加載。脹形力加載也可以是階梯型，即脹形壓力升至2 MPa 后保壓一段時(shí)間后躍升至4.5 MPa，保壓后分別躍升至7、10 MPa，以實(shí)現(xiàn)對(duì)變形速率更有效地控制。不同加載方式下最大變形處的管壁厚度變化如圖6所示。

圖6 加載方式對(duì)最小壁厚的影響

采用線性加載時(shí)，脹形壓力從0分別升至2、4、6、8、10 MPa，隨著脹形壓力梯度增大，成形件最小壁厚也逐漸增大，減薄率減小。即脹形壓力變化率大，可使管坯在較高壓力下成形，成形速度快，減薄區(qū)來不及過度減薄[5]。

采用階梯型加載時(shí)，當(dāng)脹形壓力增大時(shí)，成形最小厚度變大，減薄率變小;但壓力超過一定值后，隨變形壓力增大而成形最小厚度又變小。脹形壓力在5～7 MPa時(shí)，成形結(jié)果最理想，原因是隨變形壓力增大變形時(shí)間縮短截面增大處的局部減薄得到緩解;但是壓力過大時(shí)，由于變形過快，變形過渡區(qū)金屬向變形區(qū)的流動(dòng)相對(duì)減緩，導(dǎo)致變形區(qū)減薄顯著。

3.3 彎曲工藝參數(shù)

由于鎂合金在室溫下塑性較差，彎曲時(shí)易出現(xiàn)裂紋或折斷現(xiàn)象，故彎曲前應(yīng)對(duì)鎂合金管先進(jìn)行加熱，加熱溫度選為180～250℃。

4 塑性成形試驗(yàn)

根據(jù)AZ91D鎂合金超塑性及脹形試驗(yàn)研究結(jié)果，對(duì)變截面曲管超塑脹形及彎曲工藝進(jìn)行試驗(yàn)。鎂合金直管超塑脹形溫度選為340～370℃，脹形初始?jí)毫?.0 MPa，軸向壓力設(shè)為1.0～1.5 MPa，隨著脹形的進(jìn)行，脹形壓力分階段加載到10 MPa。經(jīng)加工試制，鎂合金管脹形后的壁厚均勻、無減薄現(xiàn)象，貼模比較充分，外形尺寸精確，成品率比較高。經(jīng)脹形的鎂合金管在180～250℃溫度條件下，在壓彎模上經(jīng)二次彎曲，得到了合格的變截面曲管，壁厚均勻，過渡均勻光滑，彎曲處沒有裂紋或折斷現(xiàn)象，如圖7所示。

圖7 變截面曲管塑性成形制品

5 結(jié)論

鎂合金低溫下塑性成形困難，可以通過提高溫度，在超塑性狀態(tài)進(jìn)行塑性成形，獲得復(fù)雜形狀的零件。

對(duì)鎂合金直管進(jìn)行超塑脹形成形時(shí)，控制好合理的溫度，軸向壓力、脹形壓力的大小及相互匹配關(guān)系是能否實(shí)現(xiàn)超塑脹形的關(guān)鍵。

鎂合金直管超塑脹形溫度選為340～370℃，脹形、軸向壓力可取1.5 MPa，脹形初始?jí)毫?.0 MPa，并分階段加載到10 MPa，彎曲階段的成形溫度選為180～250℃，獲得了壁厚均勻、組織致密、表面光滑、尺寸符合要求鎂合金變截面曲管。

【1】黎文獻(xiàn).鎂及鎂合金[M].長(zhǎng)沙:中南大學(xué)出版社，2005.

【2】葉久新，陳明安.鎂合金及其成型技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，29(3):112－116.

【3】張土宏，王忠堂.鎂合金的塑性加工技術(shù)[J].金屬成形工藝，2002，21(5):1－4.

【4】吳立鴻，王盼，關(guān)紹康.鎂合金超塑性及其成形技術(shù)進(jìn)展[J].合金加工技術(shù)，2009，37(2):10－12.

【5】袁安營(yíng)，王忠堂，張士宏.管材液壓脹形有限元模擬[J].計(jì)算機(jī)輔助工程，2006，15:370－372.