鎂合金薄板差溫拉深成形模具溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張濤 喻祖建 劉祥偉

重慶科技學(xué)院冶金與材料工程學(xué)院， 重慶 401331

鎂合金作為輕質(zhì)金屬結(jié)構(gòu)材料，其優(yōu)異的性能已引起人們廣泛的關(guān)注[1]。實(shí)驗(yàn)測(cè)定AZ31B的室溫延伸率只有15%左右[2]，表明其室溫塑性差，不能滿足沖壓成形要求。研究表明，溫度是影響鎂合金塑性的一個(gè)重要因素[3][4]，而差溫拉深是提高板材拉深性能的一項(xiàng)重要工藝措施[5][6]。本文設(shè)計(jì)了電阻環(huán)形線圈加熱凸模和壓邊圈、恒溫冷卻水對(duì)凸模進(jìn)行冷卻、PID溫度控制器控溫的鎂合金差溫拉深模具溫度控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)在使用中反饋及時(shí)、溫控精度高、模具溫度分布均勻，提高了鎂合金薄板的成形性能。

1 模具加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在板材的拉深成形過程中，與壓邊圈和凹模接觸的坯料作為變形區(qū)將產(chǎn)生劇烈的塑性變形，要求該部分材料塑性較好；而與凸模接觸的材料只起到傳力的作用，不參與變形，要求強(qiáng)度較高。鎂合金的塑性隨溫度升高而升高的同時(shí)其抗拉強(qiáng)度下降[5]。因此鎂合金板材拉深成形模具中，凹模和壓邊圈必須進(jìn)行加熱以提高該部分材料的塑性，凸模需要冷卻以保持其抗拉強(qiáng)度不變。

1.1 加熱裝置設(shè)計(jì)

沖壓模具的加熱以電加熱方式為主，目前主要是在模具中插入電加熱棒進(jìn)行加熱，這種方式所需的加熱棒較多，模具溫度分布不均勻，靠近加熱棒位置溫度高，遠(yuǎn)離加熱棒位置的溫度低，模具存在較大的溫差，這對(duì)溫度極為敏感的鎂合金材料的塑性變形極為不利。為了改進(jìn)電加熱棒加熱不均的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)的凹模電阻環(huán)形線圈加熱裝置如圖1所示，壓邊圈的加熱裝置與凹模的加熱裝置類似。在凹模的加熱板上設(shè)計(jì)出加熱管槽，管槽的外形與凹模輪廓形狀相似，電阻環(huán)形加熱線圈的結(jié)構(gòu)形式與加熱管槽形狀一致。制造時(shí)，將加熱線圈放入加熱管槽中，并在兩者的間隙中填入具有良好導(dǎo)熱性的絕緣陶瓷材料。該加熱裝置中，加熱線圈布置形式與凹模輪廓形狀相似，模具溫度分布均勻；在加熱板上只有一個(gè)加熱線圈，溫度控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單、精確，加熱裝置維修方便；在加熱線圈與加熱管槽中填入陶瓷材料，既起到了絕緣的效果，也提高了加熱效率，并且可以避免加熱線圈因傳熱不良而產(chǎn)生過熱現(xiàn)象，還可防止模具在使用過程中的震動(dòng)碰撞損壞加熱線圈；加熱板的背面開設(shè)隔熱材料存放槽，熱量損失少，對(duì)模具非加熱部位和成形設(shè)備的影響小，模具也具有較高的強(qiáng)度和剛度。

圖1 加熱裝置結(jié)構(gòu)形式

1.2 加熱功率計(jì)算

電加熱模具所需總功率可按下式計(jì)算：

差溫拉深模具中，凹模和壓邊圈的外徑和內(nèi)孔直徑完全一致，只是厚度不一致。設(shè)模板（凹模、壓邊圈）外徑為D，內(nèi)孔直徑為d，模板厚度為H，模具材料的密度為g，模具鋼鍛造后其密度g=8200Kg/cm3，則模板的重量 為G：

將式（2）代入式（1）得模板加熱所需功率為：

取模具升溫速率為10℃/min，根據(jù)模具相關(guān)尺寸計(jì)算得到凹模和壓邊圈加熱線圈功率為0.4KW。

2 加熱溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

拉深凹模與壓邊圈均采用PID溫度控制器調(diào)整所需要的溫度。溫度控制系統(tǒng)主要組成零件包括PID控制器、固體繼電器和K型熱電偶等組成。K型熱電偶放置在壓邊圈和凹模外側(cè)所鉆出的側(cè)溫孔內(nèi)，并將測(cè)量的溫度傳遞到PID控制器PID控制器利用比例、積分和微分方法計(jì)算出控制量，控制固體繼電器的通斷從而控制電阻環(huán)形線圈的工作狀態(tài)，達(dá)到控制壓邊圈和凹模實(shí)際溫度的目的。溫度控制系統(tǒng)原理圖如圖2所示。該控制系統(tǒng)控制過程響應(yīng)快，調(diào)節(jié)量小，控制精度高，溫度控制偏差為±0.1℃。

圖2 溫度控制系統(tǒng)原理圖

3 凸模冷卻裝置設(shè)計(jì)

凸模溫度對(duì)鎂合金薄板的拉深成形性影響較大。為了提高鎂合金的成形性，將拉深凸模設(shè)計(jì)成中空結(jié)構(gòu)形式，并利用模溫機(jī)輸入循環(huán)冷卻水降低溫度的水冷式結(jié)構(gòu)形式，如圖3所示。裝配時(shí)，將進(jìn)水管焊接在模板上，再與凸模裝配固定，進(jìn)水口水管要伸入凸模底部。為了防止使用時(shí)冷卻水滲漏，在凸模與模板之間、入水口水咀與模板之間、出水口水咀與模板之間裝配時(shí)要采取密封措施。

4 結(jié)語

利用循環(huán)冷卻水對(duì)凸模進(jìn)行冷卻、電阻環(huán)形線圈加熱凸模和壓邊圈、PID溫度控制器控溫的鎂合金差溫拉深模具溫度控制系統(tǒng)，溫度控制性能良好，實(shí)現(xiàn)了鎂合金薄板的差溫拉深，保證了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

[1]喻祖建，李建輝，楊成林等．鎂合金薄板沖壓成形技術(shù)研究進(jìn)展[J]．熱加工工藝，2012(9)：116-120

[2]于勇．AZ31B鎂合金板材拉伸力學(xué)性能的各向異性研究[D]．大連海事大學(xué)，2009

[3]Qun-Feng Chang, Da-Yong Li, Ying-Hong Peng, etc. Experimental and numerical study of warm deep drawing of AZ31 magnesium alloy sheet[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2007,47:436-443

[4]S.H. Zhang, K. Zhang, Y.C. etc. Deep-drawing of magnesium alloy sheets at warm temperatures[J]. Journal of Materials Processing Technology,2007,185:147-151

[5]E.Doege，K.Droder．Sheet metal forming of magnesium wrought alloys—formability and process technology．Journal of Materials Processing Technology，2001(115)：14～19

[6]喻祖建，李建輝．鎂合金薄板差溫拉深模具設(shè)計(jì)[J]．機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2012(7)：259-261