摘 要：基于H1F60小松伺服壓力機，采用電磁感應(yīng)模內(nèi)加熱系統(tǒng)，對1 mm厚的AZ91D鎂合金薄板在不同工藝參數(shù)條件下的拉深成形性能進行了研究。研究結(jié)果表明：在室溫下，板料不能成形圓筒件，溫度升高到100 ℃后，板料被成功拉深成圓筒件，板料的極限拉深比隨溫度先快速上升，后緩慢上升，最后下降，400 ℃時，極限拉深比達到最大值1.91，此溫度下板料的拉深性能最好；而當(dāng)壓邊力、沖壓速度增大后，板料的拉深性能卻隨之降低。

關(guān)鍵詞：AZ91D鎂合金；溫度；壓邊力；沖壓速度；極限拉深比

中圖分類號：TG146.2

文獻標(biāo)識碼：A

Study on deep drawing process of AZ91D magnesium alloy cylindrical parts

CHONG Xiwen，DENG Peiran，XU Hui

（College of Materials Science and Engineering，Shanghai University of Engineering Science，Shanghai 201620，China）

Abstract： In this experiment，based on the H1F60 Komatsu servo press，the deep drawing performance of 1 mm thick AZ91D magnesium alloy sheet under different process parameters was studied by using the electromagnetic induction in-mold heating system. The results show that at room temperature，the sheet metal can not form a cylindrical part. When the temperature rises to 100 ℃， the sheet metal is successfully drawn into a cylindrical part. The limit drawing ratio of the sheet metal increases rapidly first，then increases slowly and finally decreases with the temperature. At 400 ℃，the limit drawing ratio reaches a maximum value of 1.91，and the drawing performance of the sheet metal is the best at this temperature. When the blank holder force and stamping speed increase，the drawing performance of the sheet decreases.

Key words： AZ91D magnesium alloy; temperature; blank holder force; stamping speed; limit drawing ratio

0 引 言

鎂合金具有密度小、比強度和比剛度高、阻尼減震性好、電磁屏蔽性能強、易回收等優(yōu)點，現(xiàn)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車、3C產(chǎn)品等領(lǐng)域^［1-5］。目前，鎂合金產(chǎn)品大多是由鑄造工藝生產(chǎn)制造的，但是在鎂合金鑄件中容易出現(xiàn)各種難以消除的缺陷，導(dǎo)致鑄造成本升高，很大程度上限制了鎂合金的應(yīng)用^［6-9］。通過塑性加工和熱處理工藝生產(chǎn)制造的鎂合金產(chǎn)品具有更加優(yōu)異的力學(xué)性能，比如強度更高、延展性更好等^［10］，因此研究鎂合金的塑性變形對拓寬鎂合金的應(yīng)用具有重要意義。鎂合金的密排六方晶體結(jié)構(gòu)使其在常溫下塑性很差，溫度升高后，塑性明顯提高^［11］，因此研究鎂合金的熱成形對實際加工生產(chǎn)更具有指導(dǎo)意義。本文以鎂合金薄板的拉深變形為研究對象，重點研究了溫度、壓邊力、沖壓速度對板料拉深成形性能的影響。

1 實驗材料

實驗選用1 mm厚的AZ91D鎂合金薄板，其化學(xué)組成如表1所示。實驗采用不同直徑的小圓片，根據(jù)《GB/T 15825.3—2008金屬薄板成型性能與試驗方法》的要求制備試樣，每組準(zhǔn)備6個試樣，相鄰兩組試樣的直徑差為1.25 mm。實驗測定不同工藝條件下材料的極限拉深直徑。極限拉深直徑是一組試樣出現(xiàn)“三破三不破”時的直徑，也即是材料的臨界拉深直徑，再根據(jù)凸模直徑即可計算出極限拉深比（LDR），根據(jù)極限拉深比LDR的大小可以判斷出材料的成形性能，LDR值越大，板料的成形性能越好，塑性也越好。

2 實驗設(shè)備與模具

實驗設(shè)備為H1F-60小松伺服壓力機，如圖1所示。該壓力機利用AC伺服馬達直接驅(qū)動，采用數(shù)字伺服控制，可任意設(shè)定滑塊的運動方式，根據(jù)成形對象來設(shè)定運動方式，因此，提高了成形性、加工精度及通用性。采用“電磁感應(yīng)模內(nèi)加熱”系統(tǒng)，并且配有一套冷卻系統(tǒng)，可有效降低模具的損耗。壓邊力由凹模上方的壓邊機構(gòu)提供，并由傳感器對不同階段的壓邊力進行感測，進而實現(xiàn)對壓邊力的準(zhǔn)確控制。另外，該壓力機可以通過編程滑塊速度從而實現(xiàn)對沖壓速度的控制。根據(jù)沖壓手冊，凸凹模間隙選取為板料厚度的1.1倍，凸凹模圓角半徑選擇為板料厚度的5倍，模具的具體尺寸如表2所示。

3 不同溫度下的極限拉深比測定實驗

首先，研究AZ91D鎂合金板料在室溫下的成形情況，實驗設(shè)置沖壓速度為額定值的10%（2.5 mm/s），壓邊力為5 kN，無潤滑，所用坯料直徑為32 mm，實驗結(jié)果如圖2所示。6個試樣均發(fā)生破裂，然后無論怎樣改變壓邊力和沖壓速度，均發(fā)生破裂，說明室溫下AZ91D鎂合金塑性很差。

然后研究AZ91D鎂合金板料在100～470 ℃溫度范圍內(nèi)的成形情況，在100 ℃時，對坯料直徑為35.00，36.25，37.50，38.75，40.00 mm的每組試樣分別進行拉深實驗，實驗結(jié)果如圖3所示。當(dāng)坯料直徑為35.00 mm時，6個試樣均未破裂；坯料直徑為36.25 mm時，2個試樣發(fā)生了破裂；4個試樣未破裂；當(dāng)坯料直徑為37.5 mm時，出現(xiàn)了“三破三不破”；坯料直徑繼續(xù)增大到38.75 mm時，5個試樣出現(xiàn)破裂；而當(dāng)坯料直徑達到40.00 mm時，6個試樣均發(fā)生了破裂。因此，37.50 mm即為100 ℃時的極限拉深直徑，LDR為1.43，極限拉深系數(shù)為0.699。

實驗溫度升高到150 ℃，對坯料直徑分別為40.00， 41.25， 42.50， 43.75， 45.00 mm的試樣進行拉深，實驗結(jié)果如圖4所示。當(dāng)坯料直徑為42.50 mm時，出現(xiàn)“三破三不破”，即42.50 mm為150 ℃時的極限拉深直徑，此時LDR值為1.62，極限拉深系數(shù)為0.617，說明溫度升高后，材料的塑性得到改善。

溫度繼續(xù)分別升高到200， 250， 300， 350， 400， 450， 470 ℃，出現(xiàn)“三破三不破”時情況分別如圖5所示，各溫度下極限拉深尺寸如圖6所示，圖中m為極限拉深系數(shù)，極限拉深比隨溫度變化趨勢圖如圖7所示。從圖6和圖7中可以看到，極限拉深比隨溫度升高呈現(xiàn)出先快速升高，再緩慢上升，最后下降的變化趨勢，在400 ℃時達到最大值1.91，說明此溫度下板料成形性能最好，塑性最好。溫度繼續(xù)升高后，板料的成形性能反而下降，一方面因為溫度過高時，材料的抗拉強度過低，材料容易破裂，成形性降低；另一方面，因為溫度比較接近固液相線區(qū)，材料的塑性也會降低。

4 不同壓邊力時的極限拉深比

在拉深過程中，壓邊力也是影響板料成形性能的一個重要因素，過大的壓邊力加載到板料上會抑制板材流動，增加板材與凹模和壓邊圈之間的摩擦力，導(dǎo)致拉深力增加。作用在危險截面上的，來自凸模圓角彎曲和壓力作用產(chǎn)生的壓應(yīng)力會增大，更容易導(dǎo)致板料破裂。而當(dāng)壓邊力過小時，進料阻力減小，使板料更容易起皺。因此在實際拉深過程中，為保證成形出合格的拉深件，應(yīng)選擇大小合適的壓邊力。

接下來，實驗探究了極限拉深比隨壓邊力的變化趨勢。采用控制變量法，實驗溫度選擇為400 ℃，沖壓速度設(shè)定為額定值的10%（2.5 mm/s），無潤滑，壓邊力分別設(shè)置為5，10，15，20，25 kN。實驗結(jié)果如圖8所示，隨著壓邊力的增大，極限拉深比不斷降低，當(dāng)壓邊力增大到25 kN時，極限拉深比為1.75，板料的成形性能下降了8%。因此，在實際AZ91D鎂合金板料拉深成形時，在保證不起皺的前提下，應(yīng)盡可能選擇小的壓邊力，從而可以使板料具有良好的成形性能。

5 不同沖壓速度時的極限拉深比

拉深成形過程中，沖壓速度的大小對拉深件的成形質(zhì)量也有很大影響，過大的沖壓速度會使材料內(nèi)部的變形速率加快，變形抗力增大，使成形區(qū)材料的流入受到一定的限制，從而容易導(dǎo)致拉深件局部出現(xiàn)過分減薄而產(chǎn)生破裂。過小的沖壓速度又會影響生產(chǎn)效率，所以在實際沖壓加工時，選擇合適的沖壓速度也尤為重要。

接下來，繼續(xù)探究極限拉深比隨沖壓速度的變化趨勢。采用控制變量法，實驗溫度同樣選擇在400 ℃，壓邊力設(shè)定為5 kN。無潤滑，沖壓速度分別設(shè)置為額定值的10%（2.5 mm/s）、 20%（5 mm/s）、 30%（7.5 mm/s）、 40%（10 mm/s）、 50%（12.5 mm/s），實驗結(jié)果如圖9所示。從圖中可以看到，極限拉深比隨沖壓速度的增大而不斷降低，當(dāng)沖壓速度增大到50%（12.5 mm/s）時，LDR下降到1.77，說明，對于AZ91D鎂合金板料，成形速度越慢，成形性能越好。因此在實際生產(chǎn)中，盡可能選擇小的沖壓速度。

6 結(jié) 論

（1） AZ91D鎂合金薄板在常溫下塑性很差，成形不出圓筒件，無論怎樣改變工藝參數(shù)，均發(fā)生嚴(yán)重破裂，而當(dāng)溫度升高到100 ℃后，塑性得到明顯改善，被成功拉深成圓筒件。

（2） 當(dāng)變形溫度在100～400 ℃區(qū)間內(nèi)時，板料的極限拉深比隨溫度升高先快速上升，后緩慢上升，溫度在400 ℃時，極限拉深比達到最大值1.91，拉深成形性能最好，溫度繼續(xù)升高后，極限拉深比降低，拉深成形性能下降。

（3） 壓邊力、沖壓速度增大后，板料的極限拉深比隨之降低，拉深成形性能下降。當(dāng)壓邊力增大到25 kN時，極限拉深比下降到1.75；當(dāng)沖壓速度增大到50%（12.5 mm/s）時，極限拉深比下降到1.77。

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