AZ31鎂合金板材溫熱電磁成形能力

孟正華 黃尚宇 胡建華 胡婷婷

1．現代汽車零部件技術湖北省重點實驗室，武漢，430070 2．武漢理工大學，武漢，430070

0 引言

近年來，以高強鋼、鋁合金、鎂合金及多種復合材料為代表的輕質、高強度難成形材料在汽車、航空航天器等先進制造領域的應用日益廣泛［1－4］。研究表明，溫熱（200～400℃）成形工藝可提高鎂合金板材的成形能力，因為溫度提升時，鎂合金晶體滑移系增多，并在熱變形過程中發生動態再結晶，從而使成形能力得到提高［5－13］。但是，溫熱成形中的潤滑、成形速度較慢及模具強度等問題仍有待進一步解決。張星等［14］采用Hopkinson壓桿沖擊壓縮試驗研究了應變速率為100～2000s－1時AZ31鎂合金的應力應變行為。研究結果顯示，在高應變速率沖擊載荷下，鎂合金板材的成形能力有很大提高。

電磁成形（electromagnetic forming，EMF）是一種高能高速成形方法，是利用瞬間的高壓脈沖磁場對制件進行間接或直接加工的高速率成形工藝，可以使工件獲得較好的成形性。相對于其他加工方法來說，電磁成形具有很多優勢：成形精度高且工件材料性能不變，加工過程可重復，且成形過程與工件無接觸，不需潤滑［15－18］。

筆者將電磁成形與溫熱成形結合起來，采用均勻壓力線圈［19］放電成形鎂合金板材，可提高鎂合金板材的成形能力及成形效率，并可有效避免單一溫成形工藝中的潤滑難題。通過溫熱電磁脹形實驗，得到AZ31鎂合金板材溫熱電磁成形極限圖，并分析其在不同情況下的成形能力。

1 實驗材料及方案

實驗所用材料為商用1．0mm厚的AZ31鎂合金交叉軋制板材，其主要成分含量如表1所示。將實驗材料進行均勻化退火處理（退火溫度為300℃，保溫1h后隨爐冷卻）。

表1 實驗用AZ31鎂合金板材元素質量分數 %

對實驗材料在室溫下進行準靜態單向拉伸實驗，得到材料的應力應變曲線，測得材料屈服強度σs為183MPa，拉伸強度σb為257MPa，伸長率δ為15．9%。

實驗在自主研制的WG－Ⅳ電磁成形機上進行，設備最大放電電壓為11kV，充電電容為10組110μF電容，最大能量約60kJ。

實驗采用的均勻壓力線圈由內部線圈、外殼和絕緣耐熱樹脂構成。內部線圈（共10匝）的方形截面尺寸為6mm×6mm，線圈與外殼均由黃銅機加工而成。絕緣耐熱樹脂充填在外殼與線圈間，樹脂固化后形成絕緣層，并使線圈與外殼粘結成整體。

溫熱電磁脹形實驗工裝如圖1a所示，液壓機沖頭提供鉗制力使線圈與工件緊密接觸，凹模內部設有電加熱棒，其產生的熱量通過凹模傳導至板材使鎂合金板材溫度上升。準靜態溫熱脹形實驗在液壓機上進行，準靜態溫熱脹形采用與溫熱電磁脹形相同的凹模，凸模為半球頭凸模，如圖1b所示。

圖1 實驗工裝圖

為獲得不同的應變值，實驗采用長100mm，寬度分別為100mm、90mm、70mm、50mm、30mm的試樣。進行脹形實驗前，先在試樣表面印上圓形網格以便成形后分析應變大小。

溫熱脹形時，液壓機沖頭在1mm／min的壓下速度下將板材脹形至出現裂紋；溫熱電磁成形通過逐步增大電磁成形設備的電壓以改變放電能力，進而增大作用在板材上的電磁力，使板材電磁脹形至出現裂紋。通過光學顯微鏡測量變形后試樣破裂區附近網格長短軸的長度，根據圓形網格的原始直徑計算出材料沿長度和寬度方向的對數應變ε1和ε2（ε1＜ε2），以ε2為橫坐標、以ε1為縱坐標即可繪制出該應變路徑下的成形極限點，在不同應變路徑下的極限點上方做一直線即得板料成形極限圖。由于本實驗中板材的極限圖測試主要是為了分析溫熱電磁脹形與準靜態脹形對成形能力的影響，因此測定其拉－拉區的極限應變值，取板材局部頸縮處的網格應變值或破裂處鄰近網格的應變值，繪制成形極限圖。

2 結果及分析

圖2和圖3是AZ31鎂合金板材在25℃至230℃下分別通過溫熱電磁成形和準靜態成形的成形極限圖。由圖2和圖3可知，在不同成形工藝下AZ31鎂合金板材的極限應變都隨溫度的升高而增大。隨著溫度的升高，鎂合金板材塑性變形能力不斷提高。這是因為鎂合金在室溫下只有基面滑移產生變形，在高溫條件下，更多的滑移系被激活，使鎂合金塑性大大提高［20］，因此在溫度提高時，材料在破裂前能夠獲得更大的變形。但圖2中25～150℃區間內的成形能力提高并不明顯，這表明溫度較低時，高應變速率對成形性能的影響不明顯；在溫度達到230℃后，晶體滑移系增多，變形能力改善，在高應變率的作用下，成形性能進一步得到提高。

圖2 AZ31板材在溫熱電磁成形下的成形極限圖

圖3 AZ31板材在準靜態成形下的成形極限圖

將溫熱電磁成形與準靜態成形的極限圖進行綜合比較，如圖4所示（略去圖2與圖3中的應變點）。由圖4可知，相比于準靜態成形，相同溫度條件下，電磁成形均可獲得更大的極限應變，這有利于提高材料的成形能力；100～150℃下，溫熱電磁成形極限已經達到準靜態溫熱成形在230℃左右的成形極限，這說明在工件獲得相同變形量時，溫熱電磁成形可以降低成形溫度，提高成形效率。對于溫熱電磁成形提高鎂合金成形能力的原因，我們分析認為：一方面，升溫狀態下，鎂合金晶體的更多滑移系被激活，使材料具備了一定的變形能力；另一方面，在高應變率下，慣性的作用及材料的應力應變行為的改變，使材料可獲得的極限應變增加。此外，工件各部分受均勻的磁壓力作用，參與變形的材料增多（準靜態下，由于摩擦的影響，材料受力不均，部分材料變形很少），從而在整體上體現出變形量的增加和成形能力的提高。

圖4 溫熱電磁成形與準靜態成形極限對比

3 結束語

本文將電磁成形與溫熱成形結合起來，在溫熱條件下放電成形AZ31鎂合金板材，是一種新的探索，根據溫熱電磁脹形實驗測試應變數據建立其在不同溫度條件下（25～230℃）的成形極限圖。研究結果表明，相比單一電磁成形和單一溫成形，溫熱電磁成形工藝能進一步提高鎂合金板材的成形能力。

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