镁合金变截面曲管塑性成形工艺参数研究

郭俊卿，董朝阁，李金才，周兰，杨雪梅，曹盛昌

(河南科技大学材料科学与工程学院，河南洛阳471003)

镁合金的密度小，比强度和比刚度高，具有良好的阻尼减震性、导热性和电磁屏蔽能力强等特点，还具有镁资源储量丰富、镁合金产品易于回收的优点，因而被誉为“21世纪绿色工程材料”。但镁合金是密排六方结构，滑移系少，常温下塑性成形性能差，大多数镁合金制品多采用铸造工艺成形，而较少采用挤压、轧制、锻造等塑性成形方法[1－3]。利用镁合金超塑性进行气胀成形可在特定温度下成形结构复杂的镁合金产品[4]。摩托车钢制手把管传统工艺是采用直管弯曲而成，存在吸振性差、质量大等不足，而采用镁合金材料制作的摩托车手把管，具有质量轻、吸振性好、舒适性高的优点，而镁合金摩托车手把管的尺寸要求是中端外径大于两端，在长度方向的壁厚保持一致，即变截面曲管，形状较为复杂，采用塑性方法进行加工困难。作者在对AZ91D镁合金超塑性研究的基础上，根据变截面曲管超塑性胀形试验与弯曲试验，确定了其塑性成形工艺参数，实现了其精密塑性成形，获得了尺寸与组织性能优异的手把管制件，且该方法的成形设备简单、成形精度高、操作简便。

1 AZ91D镁合金超塑性

根据拉伸试验，不同温度下AZ91D镁合金拉伸载荷与延伸率的关系曲线如图1所示。

图1 不同温度下的拉伸曲线

随着温度的升高，镁合金的延伸率不断增加，当变形温度从280℃升至310℃时，延伸率从82%迅速增到120%，同时流动应力显著下降至0.6 kN，表明从310℃开始AZ91D镁合金表现出超塑性;升温至340℃，其延伸率达到了161%。当温度继续增至370℃和400℃，高温氧化作用使得该镁合金的延伸率逐渐下降至115%和105%，这种延伸率随温度非单调性变化表明340℃是AZ91D镁合金超塑性变形的最佳温度。

图2为挤压态AZ91D镁合金在340℃、不同应变速率条件下拉伸的真实应力应变曲线。可以得出，在340℃、应变速率为1×10－4s－1的变形条件下，挤压态AZ91D镁合金在超塑性变形过程中不会出现明显的加工硬化和加工软化现象，也不会出现明显的应力峰，流动稳定性高，并经过大变形后失稳断裂;在相同温度下，随着应变速率的增加，真实应力峰值也增加，应变硬化和应变软化现象都变得更加明显，尤其是当应变速率达到1×10－1s－1时，该镁合金基本没有流变阶段，真实应力达到最大值后就出现了失稳断裂。

图2 不同应变速率下的真实应力真实应变曲线

2 镁合金变截面曲管成形工艺

该镁合金变截面曲管主要应用于大排量摩托车手把，其塑性成形工艺设计为:由AZ91D镁合金棒料超塑挤压为镁合金直管，尺寸为外径φ22 mm，内径φ14 mm，然后在胀形装置的模具中进行超塑胀形(如图3所示)，实现管坯中间胀粗，获得壁厚均匀而外径变化的镁合金管(如图4所示)，再利用弯曲模具经过两次弯曲加工出变截面曲管(如图5所示)。

图3 管材胀形装置

图4 零件胀形部位尺寸

图5 管材弯曲成形

试验在YX32-315型液压机上进行，超塑胀形的操作过程是:模具1、5 加热到设定温度，把炉中预热340～370℃的镁合金管6 放入模腔中，合模并施加一定的压力F;在液压缸3、8 推动下使堵头2、7前进密封管子两端并给管子两端施加一定的压力;向气压缸4 内充油，达到一定的压力并保压一定的时间，使管子胀形到与模腔充分贴合;最后，卸掉气压缸压力，堵头后退，取出镁合金直管。

镁合金摩托车手把管胀形完成后，进入弯曲成形阶段。管材的弯曲按弯曲方式可分为绕弯、推弯、压弯和滚弯。由于要求弯曲精度和外观质量要求较高，经综合分析后选用压弯的方法成形。首先把胀形后的直管放入图3中模具的a 腔弯曲出两个外弧，再放入模具b 腔弯曲出两个内弧。

3 成形工艺参数确定

镁合金变截面曲管塑性成形的关键在于其胀形阶段，既要实现中部内外直径的变大，还要保证壁厚保持一致。镁合金直管壁仅在内压胀形力作用下，径向尺寸变大壁厚减薄，为保证制件壁厚保持一致，必须在轴向施加一定压力进行补缩。胀形压力 (内压)过大时，胀形后管件中部的壁厚就会小于两端部分，甚至胀裂胀破;如果轴向压力过大时，又易在管件中部发生扭曲。因此，轴向压力与胀形压力之间的匹配是否恰当、加载路径是否合理对镁合金直管胀形质量具有重要影响。

3.1 轴向压力选择

镁合金直管胀形时，在变形区及过渡区的壁厚发生减薄现象，在变形程度最大部位，即外径最大处容易发生胀裂。在工艺计算时，既要考虑最小厚度满足成形要求和使用要求，也要考虑平均厚度和最终成形的几何尺寸。

利用有限元数值模拟技术，对镁合金直管胀形时的轴向压力进行优化设计。管坯壁厚为4 mm，根据计算，镁合金直管胀形压力为6.5 MPa。将轴向压力分别设为0、1、2 MPa，对不同轴向压力时胀形后管壁厚度及减薄率进行数值模拟，计算结果如表1所示。可以看出，在内压为0～2 MPa时，随着轴压的增加，成形区的最大厚度也相应地增厚，在1～2 MPa时壁厚接近，轴向压力取1.5 MPa。

表1 不同轴向压力对应的管壁厚度

3.2 胀形压力选择

管材胀形时，胀形力与时间可以是正比例关系，即胀形力加载路径为线性加载。胀形力加载也可以是阶梯型，即胀形压力升至2 MPa 后保压一段时间后跃升至4.5 MPa，保压后分别跃升至7、10 MPa，以实现对变形速率更有效地控制。不同加载方式下最大变形处的管壁厚度变化如图6所示。

图6 加载方式对最小壁厚的影响

采用线性加载时，胀形压力从0分别升至2、4、6、8、10 MPa，随着胀形压力梯度增大，成形件最小壁厚也逐渐增大，减薄率减小。即胀形压力变化率大，可使管坯在较高压力下成形，成形速度快，减薄区来不及过度减薄[5]。

采用阶梯型加载时，当胀形压力增大时，成形最小厚度变大，减薄率变小;但压力超过一定值后，随变形压力增大而成形最小厚度又变小。胀形压力在5～7 MPa时，成形结果最理想，原因是随变形压力增大变形时间缩短截面增大处的局部减薄得到缓解;但是压力过大时，由于变形过快，变形过渡区金属向变形区的流动相对减缓，导致变形区减薄显著。

3.3 弯曲工艺参数

由于镁合金在室温下塑性较差，弯曲时易出现裂纹或折断现象，故弯曲前应对镁合金管先进行加热，加热温度选为180～250℃。

4 塑性成形试验

根据AZ91D镁合金超塑性及胀形试验研究结果，对变截面曲管超塑胀形及弯曲工艺进行试验。镁合金直管超塑胀形温度选为340～370℃，胀形初始压力2.0 MPa，轴向压力设为1.0～1.5 MPa，随着胀形的进行，胀形压力分阶段加载到10 MPa。经加工试制，镁合金管胀形后的壁厚均匀、无减薄现象，贴模比较充分，外形尺寸精确，成品率比较高。经胀形的镁合金管在180～250℃温度条件下，在压弯模上经二次弯曲，得到了合格的变截面曲管，壁厚均匀，过渡均匀光滑，弯曲处没有裂纹或折断现象，如图7所示。

图7 变截面曲管塑性成形制品

5 结论

镁合金低温下塑性成形困难，可以通过提高温度，在超塑性状态进行塑性成形，获得复杂形状的零件。

对镁合金直管进行超塑胀形成形时，控制好合理的温度，轴向压力、胀形压力的大小及相互匹配关系是能否实现超塑胀形的关键。

镁合金直管超塑胀形温度选为340～370℃，胀形、轴向压力可取1.5 MPa，胀形初始压力为2.0 MPa，并分阶段加载到10 MPa，弯曲阶段的成形温度选为180～250℃，获得了壁厚均匀、组织致密、表面光滑、尺寸符合要求镁合金变截面曲管。

【1】黎文献.镁及镁合金[M].长沙:中南大学出版社，2005.

【2】叶久新，陈明安.镁合金及其成型技术在工业中的应用[J].湖南大学学报，2002，29(3):112－116.

【3】张土宏，王忠堂.镁合金的塑性加工技术[J].金属成形工艺，2002，21(5):1－4.

【4】吴立鸿，王盼，关绍康.镁合金超塑性及其成形技术进展[J].合金加工技术，2009，37(2):10－12.

【5】袁安营，王忠堂，张士宏.管材液压胀形有限元模拟[J].计算机辅助工程，2006，15:370－372.