高孝書(shū)，趙雪妮

（陜西科技大學(xué)，陜西 西安 710021）

本文選用1.0 mm厚AZ31B鎂合金板材作為研究對(duì)象，運(yùn)用DEFORM和DYNAFORM有限元數(shù)值模擬與熱沖壓試驗(yàn)相結(jié)合的手段，研究了影響沖壓成形性能的單工藝參數(shù)以及多工藝參數(shù)的組合。

1 單工藝參數(shù)的影響分析

1.1 凸模圓角的影響

本文研究了凸模圓角半徑Rp=0.75 mm、1.5 mm、3 mm、6 mm、12 mm的沖壓成形情況，直壁圓角半徑Rc=4 mm，壓邊力F=9 800 N，板材溫度Tb=250℃，凸模溫度Tp=100℃，由圖1和圖2可見(jiàn)，凸模圓角半徑（Rp）越大，最大沖壓成形深度越大，鎂合金的沖壓成形性能越好。

1.2 凹模直壁圓角的影響

如圖2所示，凹模直壁圓角半徑Rc=1 mm、3 mm、5 mm、7 mm、9 mm、11 mm、13mm，沖壓成形深度總體上隨凹模直壁圓角半徑的增大而增大，在Rc=9 mm時(shí)，最大沖壓成形深度達(dá)到最大值，繼續(xù)增大凹模直壁圓角半徑，沖壓成形性能降低，從而驗(yàn)證了Chen Fuh-kuo等提出存在最佳凹模直壁圓角半徑的論斷。

1.3 凸凹模間隙的影響

運(yùn)用DEFORM對(duì)凸凹模間隙Z=1.0 mm、1.1 mm、1.2 mm、1.3 mm、1.4 mm、1.5 mm的成形情況進(jìn)行模擬計(jì)算。結(jié)果如圖3和圖4所示，當(dāng)凸凹模間隙Z=1.0 mm時(shí)，Deform運(yùn)算第一步即出現(xiàn)破裂，板材與模具間阻力很大，破裂集中在凹模圓角處；當(dāng)凸凹模間隙Z=1.2 mm時(shí)，沖壓成形深度最大，成形質(zhì)量最好，與試驗(yàn)結(jié)果一致。當(dāng)凸凹模間隙Z大于1.2 mm時(shí)，板材的貼模性差，沖壓形狀不理想、成形精度不高。

1.4 變形溫度的影響

分別設(shè)定板材、凸模、凹模、壓邊圈溫度為50℃、100℃、150℃、200℃、250℃、300℃、350℃。從圖4可見(jiàn)，當(dāng)?shù)葴貨_壓成形溫度T0=250℃時(shí)，鎂合金筆記本外殼達(dá)到最大沖壓成形深度，試驗(yàn)結(jié)果表明，鎂合金的最佳沖壓成形溫度的取值范圍是230～270℃。差溫沖壓成形溫度與成形性能的關(guān)系如表1所示，當(dāng)凹/凸模組合為250/50℃時(shí)，AZ31B鎂合金筆記本外殼達(dá)到最大沖壓成形深度。

圖1 凸模圓角對(duì)沖壓成形性能的影響

圖2 凹模直壁圓角對(duì)沖壓成形性能的影響

1.5 沖壓速度的影響

試驗(yàn)研究沖壓速度分別為0.1 mm/s、1 mm/s、5 mm/s、10 mm/s、20 mm/s的成形性能，當(dāng)沖壓速度v=0.1 mm/s時(shí)，最大沖壓深度為29.5 mm，板材能夠完全進(jìn)入沖壓模具，試驗(yàn)和模擬得到的鎂合金最佳沖壓速度都是v=0.1 mm/s；當(dāng)沖壓速度v=1 mm/s時(shí)，最大沖壓深度為19.5 mm，鎂合金板材的沖壓成形性能最差，在沖壓成形初期就發(fā)生破裂，這是由于鎂合金板材的變形速度增加，流動(dòng)應(yīng)力增大，回復(fù)時(shí)間短，軟化不充分造成的。當(dāng)沖壓速度大于5 mm/s時(shí)，最大沖壓深度有所提高，但比沖壓速度為0.1 mm/s時(shí)的沖壓成形性能差。

圖3 凸凹模間隙對(duì)沖壓成形性能的影響

圖4 溫度對(duì)沖壓成形性能的影響

表1 差溫沖壓成形溫度與成形性能的關(guān)系

1.6 壓邊力的影響

DEFORM不能模擬板材的起皺情況，采用DYNAFORM有限元模擬AZ31B鎂合金筆記本外殼沖壓成形，壓邊力分別取F=0 kN、25 kN、50 kN、100 kN、200 kN，數(shù)值模擬結(jié)果如表2所示。當(dāng)壓邊力F＞50 kN時(shí)，AZ31B鎂合金板材在沖壓成形過(guò)程中發(fā)生了破裂現(xiàn)象；當(dāng)壓邊力F＜25 kN時(shí)，AZ31B鎂合金板材在沖壓成形過(guò)程中發(fā)生了起皺現(xiàn)象。綜合以上分析，最佳壓邊力F的取值范圍是25～50 kN。

為了有效防止起皺和變形失穩(wěn)缺陷，需要設(shè)計(jì)合理的拉延筋，計(jì)算最優(yōu)拉延筋參數(shù)。本試驗(yàn)中采用等效拉延筋模型替代傳統(tǒng)的真實(shí)拉延筋模型，對(duì)壓邊力F=25 kN的AZ31B鎂合金板材分別加載f=928.241 N/mm（10%、20%、30%、40%）的等效拉延筋阻力，數(shù)值模擬結(jié)果如表3所示。

表2 壓邊力對(duì)沖壓成形的影響

表3 等效拉延筋對(duì)沖壓成形的影響

隨著等效拉延筋阻力f增大，最大邊界運(yùn)動(dòng)和最大總體位移量不斷減小，板材邊界運(yùn)動(dòng)位移逐漸變小，有效解決了板材收縮幅度過(guò)大和起皺失穩(wěn)缺陷等問(wèn)題。在安全成形范圍內(nèi)，等效拉延筋阻力f越大，板材沖壓成形的效果越好。當(dāng)?shù)刃Ю咏钭枇=278.472 N/mm（30%）時(shí)，板材開(kāi)始出現(xiàn)破裂。因此，最優(yōu)等效拉延筋阻力f的取值范圍是185.648（20%）～278.472 N/mm（30%）。

2 多工藝參數(shù)組合的影響分析

上述單參數(shù)的最優(yōu)取值是在其他因素不變的情況下得出的，具有片面性和不完整性，而實(shí)際沖壓生產(chǎn)是多種因素相互影響、共同作用的結(jié)果，需要進(jìn)行合理的組合方案試驗(yàn)。為了減少多因素組合的試驗(yàn)量，本文采用正交試驗(yàn)法，以較少的試驗(yàn)次數(shù)找出較優(yōu)的試驗(yàn)結(jié)果。本文采用最大沖壓成形深度作為正交試驗(yàn)參考指標(biāo)，基本試驗(yàn)條件與單因素試驗(yàn)保持一致，設(shè)定正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案為凸模圓角半徑、凹模溫度、凸模溫度、壓邊力的四因素四水平試驗(yàn)方案，共進(jìn)行16次正交試驗(yàn)，正交試驗(yàn)的因素水平如表4所示，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示，正交試驗(yàn)結(jié)果分析如表6所示，因素與指標(biāo)趨勢(shì)如圖5所示。

表4 正交試驗(yàn)因素水平表

表6 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)求解極差，確定單因素對(duì)AZ31B鎂合金筆記本外殼沖壓成形深度影響的主次順序?yàn)橥鼓A角半徑（A）→壓邊力（D）→凹模溫度（B）→凸模溫度（C）。

對(duì)AZ31B鎂合金筆記本外殼沖壓成形深度影響較優(yōu)的組合為A4B4C3D1。當(dāng)AZ31B鎂合金筆記本外殼成形參數(shù)采用凸模圓角半徑Rp=12 mm（A4），凹模及板材溫度Tb=300℃（B4），凸模溫度Tp=100℃（C3），壓邊力F=4 900 N（D1）時(shí)，板材的最大沖壓成形深度為H=42.5 mm，明顯優(yōu)于此前試驗(yàn)中的最大沖壓成形深度H=39 mm。

圖5 因素與指標(biāo)趨勢(shì)圖

3 結(jié)論

本文分析了單工藝參數(shù)對(duì)AZ31B鎂合金筆記本外殼沖壓成形性能的影響，其最優(yōu)取值為：凸模圓角半徑Rp=12 mm，凹模直壁圓角半徑Rc=9 mm，凸凹模間隙Z=1.2 mm，等溫沖壓成形溫度T0取值范圍是230～270℃，差溫沖壓成形溫度組合為凹/凸模250/50℃，沖壓成形速度v=0.1 mm/s，壓邊力F取值范圍是25～50 kN，等效拉延筋阻力f取值范圍是185.648（20%）～278.472 N/mm（30%）。

確定了對(duì)沖壓成形深度影響的先后順序?yàn)椋和鼓A角半徑→壓邊力→凹模溫度→凸模溫度。

對(duì)沖壓成形深度影響的較優(yōu)的組合為A4B4C3D1。

參考文獻(xiàn)：

［1］李文娟.AZ31B鎂合金板材成形性能研究［D］.濟(jì)南：山東大學(xué)，2012.

［2］Chen F K，Huang T B，Chang C K.Deep drawing of square cups with magnesium alloy AZ31 sheets［J］.International Journal of Machine，2003（43）：1553.

［3］楊柳.鎂合金方盒形件溫?zé)崂畛尚卧囼?yàn)研究［D］.秦皇島：燕山大學(xué)，2014.

［4］王敬偉.基于DYNAFORM的AZ31鎂合金零件拉深成形過(guò)程模擬與預(yù)測(cè)［D］.太原：太原理工大學(xué)，2012.

［5］高孝書(shū).拉延筋對(duì)316L不銹鋼手機(jī)外殼沖壓成形性能的影響研究［J］.科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2017（32）：80-81.

［6］劉瑞江，張業(yè)旺，聞崇煒，等.正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)和分析方法研究［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2010（09）：52-55.