AZ91D镁合金筒形件拉深工艺研究

摘 要：基于H1F60小松伺服压力机，采用电磁感应模内加热系统，对1 mm厚的AZ91D镁合金薄板在不同工艺参数条件下的拉深成形性能进行了研究。研究结果表明：在室温下，板料不能成形圆筒件，温度升高到100 ℃后，板料被成功拉深成圆筒件，板料的极限拉深比随温度先快速上升，后缓慢上升，最后下降，400 ℃时，极限拉深比达到最大值1.91，此温度下板料的拉深性能最好；而当压边力、冲压速度增大后，板料的拉深性能却随之降低。

关键词：AZ91D镁合金；温度；压边力；冲压速度；极限拉深比

中图分类号：TG146.2

文献标识码：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

镁合金具有密度小、比强度和比刚度高、阻尼减震性好、电磁屏蔽性能强、易回收等优点，现已经被广泛应用于航空、航天、汽车、3C产品等领域^［1-5］。目前，镁合金产品大多是由铸造工艺生产制造的，但是在镁合金铸件中容易出现各种难以消除的缺陷，导致铸造成本升高，很大程度上限制了镁合金的应用^［6-9］。通过塑性加工和热处理工艺生产制造的镁合金产品具有更加优异的力学性能，比如强度更高、延展性更好等^［10］，因此研究镁合金的塑性变形对拓宽镁合金的应用具有重要意义。镁合金的密排六方晶体结构使其在常温下塑性很差，温度升高后，塑性明显提高^［11］，因此研究镁合金的热成形对实际加工生产更具有指导意义。本文以镁合金薄板的拉深变形为研究对象，重点研究了温度、压边力、冲压速度对板料拉深成形性能的影响。

1 实验材料

实验选用1 mm厚的AZ91D镁合金薄板，其化学组成如表1所示。实验采用不同直径的小圆片，根据《GB/T 15825.3—2008金属薄板成型性能与试验方法》的要求制备试样，每组准备6个试样，相邻两组试样的直径差为1.25 mm。实验测定不同工艺条件下材料的极限拉深直径。极限拉深直径是一组试样出现“三破三不破”时的直径，也即是材料的临界拉深直径，再根据凸模直径即可计算出极限拉深比（LDR），根据极限拉深比LDR的大小可以判断出材料的成形性能，LDR值越大，板料的成形性能越好，塑性也越好。

2 实验设备与模具

实验设备为H1F-60小松伺服压力机，如图1所示。该压力机利用AC伺服马达直接驱动，采用数字伺服控制，可任意设定滑块的运动方式，根据成形对象来设定运动方式，因此，提高了成形性、加工精度及通用性。采用“电磁感应模内加热”系统，并且配有一套冷却系统，可有效降低模具的损耗。压边力由凹模上方的压边机构提供，并由传感器对不同阶段的压边力进行感测，进而实现对压边力的准确控制。另外，该压力机可以通过编程滑块速度从而实现对冲压速度的控制。根据冲压手册，凸凹模间隙选取为板料厚度的1.1倍，凸凹模圆角半径选择为板料厚度的5倍，模具的具体尺寸如表2所示。

3 不同温度下的极限拉深比测定实验

首先，研究AZ91D镁合金板料在室温下的成形情况，实验设置冲压速度为额定值的10%（2.5 mm/s），压边力为5 kN，无润滑，所用坯料直径为32 mm，实验结果如图2所示。6个试样均发生破裂，然后无论怎样改变压边力和冲压速度，均发生破裂，说明室温下AZ91D镁合金塑性很差。

然后研究AZ91D镁合金板料在100～470 ℃温度范围内的成形情况，在100 ℃时，对坯料直径为35.00，36.25，37.50，38.75，40.00 mm的每组试样分别进行拉深实验，实验结果如图3所示。当坯料直径为35.00 mm时，6个试样均未破裂；坯料直径为36.25 mm时，2个试样发生了破裂；4个试样未破裂；当坯料直径为37.5 mm时，出现了“三破三不破”；坯料直径继续增大到38.75 mm时，5个试样出现破裂；而当坯料直径达到40.00 mm时，6个试样均发生了破裂。因此，37.50 mm即为100 ℃时的极限拉深直径，LDR为1.43，极限拉深系数为0.699。

实验温度升高到150 ℃，对坯料直径分别为40.00， 41.25， 42.50， 43.75， 45.00 mm的试样进行拉深，实验结果如图4所示。当坯料直径为42.50 mm时，出现“三破三不破”，即42.50 mm为150 ℃时的极限拉深直径，此时LDR值为1.62，极限拉深系数为0.617，说明温度升高后，材料的塑性得到改善。

温度继续分别升高到200， 250， 300， 350， 400， 450， 470 ℃，出现“三破三不破”时情况分别如图5所示，各温度下极限拉深尺寸如图6所示，图中m为极限拉深系数，极限拉深比随温度变化趋势图如图7所示。从图6和图7中可以看到，极限拉深比随温度升高呈现出先快速升高，再缓慢上升，最后下降的变化趋势，在400 ℃时达到最大值1.91，说明此温度下板料成形性能最好，塑性最好。温度继续升高后，板料的成形性能反而下降，一方面因为温度过高时，材料的抗拉强度过低，材料容易破裂，成形性降低；另一方面，因为温度比较接近固液相线区，材料的塑性也会降低。

4 不同压边力时的极限拉深比

在拉深过程中，压边力也是影响板料成形性能的一个重要因素，过大的压边力加载到板料上会抑制板材流动，增加板材与凹模和压边圈之间的摩擦力，导致拉深力增加。作用在危险截面上的，来自凸模圆角弯曲和压力作用产生的压应力会增大，更容易导致板料破裂。而当压边力过小时，进料阻力减小，使板料更容易起皱。因此在实际拉深过程中，为保证成形出合格的拉深件，应选择大小合适的压边力。

接下来，实验探究了极限拉深比随压边力的变化趋势。采用控制变量法，实验温度选择为400 ℃，冲压速度设定为额定值的10%（2.5 mm/s），无润滑，压边力分别设置为5，10，15，20，25 kN。实验结果如图8所示，随着压边力的增大，极限拉深比不断降低，当压边力增大到25 kN时，极限拉深比为1.75，板料的成形性能下降了8%。因此，在实际AZ91D镁合金板料拉深成形时，在保证不起皱的前提下，应尽可能选择小的压边力，从而可以使板料具有良好的成形性能。

5 不同冲压速度时的极限拉深比

拉深成形过程中，冲压速度的大小对拉深件的成形质量也有很大影响，过大的冲压速度会使材料内部的变形速率加快，变形抗力增大，使成形区材料的流入受到一定的限制，从而容易导致拉深件局部出现过分减薄而产生破裂。过小的冲压速度又会影响生产效率，所以在实际冲压加工时，选择合适的冲压速度也尤为重要。

接下来，继续探究极限拉深比随冲压速度的变化趋势。采用控制变量法，实验温度同样选择在400 ℃，压边力设定为5 kN。无润滑，冲压速度分别设置为额定值的10%（2.5 mm/s）、 20%（5 mm/s）、 30%（7.5 mm/s）、 40%（10 mm/s）、 50%（12.5 mm/s），实验结果如图9所示。从图中可以看到，极限拉深比随冲压速度的增大而不断降低，当冲压速度增大到50%（12.5 mm/s）时，LDR下降到1.77，说明，对于AZ91D镁合金板料，成形速度越慢，成形性能越好。因此在实际生产中，尽可能选择小的冲压速度。

6 结 论

（1） AZ91D镁合金薄板在常温下塑性很差，成形不出圆筒件，无论怎样改变工艺参数，均发生严重破裂，而当温度升高到100 ℃后，塑性得到明显改善，被成功拉深成圆筒件。

（2） 当变形温度在100～400 ℃区间内时，板料的极限拉深比随温度升高先快速上升，后缓慢上升，温度在400 ℃时，极限拉深比达到最大值1.91，拉深成形性能最好，温度继续升高后，极限拉深比降低，拉深成形性能下降。

（3） 压边力、冲压速度增大后，板料的极限拉深比随之降低，拉深成形性能下降。当压边力增大到25 kN时，极限拉深比下降到1.75；当冲压速度增大到50%（12.5 mm/s）时，极限拉深比下降到1.77。

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