AZ31B鎂合金十字杯形拉深件熱沖壓成形數值模擬分析及模具工藝優化

周淑容

(四川職業技術學院,四川 遂寧 629000)

AZ31B鎂合金十字杯形拉深件熱沖壓成形數值模擬分析及模具工藝優化

周淑容

(四川職業技術學院,四川 遂寧 629000)

本文是以AZ31B鎂合金為研究對象，基于PAM-STAMP有限元分析平臺，針對十字杯形拉深件進行熱機耦合數值模擬，對成形過程的應力變化、溫度場變化等進行分析，總結了各種工藝參數對鎂合金塑性成形性能的影響規律，重點探討了板料形狀、凹模圓角大小、摩擦因數以及壓邊力大小對成形質量的影響，得出了較好的解決方案.

AZ31B鎂合金；十字杯形件熱拉深；沖壓成形；數值模擬

隨著汽車、電子產業的發展，對鎂合金產品的需求越來越大，特別是鎂合金薄板的需求量在顯著增加.鎂合金薄板所生產出的零件力學性能和組織性能良好，成本較低.但是由于常用的鎂合金都具有密排六方的晶體結構[1]，因而一直以來鎂合金都被認為在室溫下的成形極限數值很低，沖壓性能差，難以拉深出形狀復雜的制件.所以其主要加工方式是壓鑄，不利于保護環境.

近年來大量學者研究表明，當鎂合金板料加熱到200°C以上的時候晶體結構的第一級錐面｛1011｝、｛1021｝滑移系被激活，塑性變形能力開始提高，當溫度加熱到225℃時，第二級錐面的｛1122｝滑移系被激活，鎂合金的塑性能力會進一步的提高[2].由于溫度是影響鎂合金塑性變形的一個主要因素，近年來國內外許多學者都對鎂合金熱沖壓成形和有限元模擬做了很多的研究，但是，對鎂合金熱沖壓成形的研究幾乎都局限在筒形件、方形杯以及錐形杯這樣的模型上面.

本文則是以AZ31B鎂合金為研究對象，基于PAM-STAMP有限元分析平臺，針對十字杯形件進行熱機耦合數值模擬，對成形過程的應力變化、溫度場變化等進行分析，總結了各種工藝參數對鎂合金塑性成形性能的影響規律，重點探討了板料大小形狀、凹模圓角、摩擦因數以及壓邊力對成形質量的影響，得出了較好的解決方案.而運用數值模擬手段能有效模擬AZ31B鎂合金薄板熱拉深成形規律，對鎂合金熱拉深工藝參數設計和模具結構設計具有重要意義，利用模擬手段進行重復性實驗，可節約大量的時間和財力.

1 十字杯形熱沖壓成形數值模擬分析

AZ31B鎂合金十字杯形工件、毛坯及模具模型如圖1所示.

圖1 AZ31B鎂合金十字杯形模型

由于該模型為對稱模型，從提高計算速度的角度出發，通常采用對稱模型結構，通過設置邊界條件等計算其1/4模型.基于pro/E三維設計平臺，創建其1/4模型.將其導入PAM-STRAMP中創建有限元模型，同時設置熱模型相關參數，在模擬中采用自適應化網格劃分.拉深深度為40mm，壓邊圈、凹模、板料三者溫度為250℃，凸模的溫度為100℃，壓邊力大小為800kN，沖壓速度為10mm/sec，模型因數為0.12.

1.1 自適應化網格劃分

拉深過程中，隨著拉深深度的增加，板料不斷將網格劃分得更加細小，從而有利于板料的成形.在本次實驗中，當拉深深度為8mm的時候側壁的網格已經出現畸變，當拉深深度達到12mm時側壁的網格畸變程度很大，說明此處變形量很大.

1.2 主應變分布云圖分析

在拉深的初始階段，凸模圓角部分的變形最為劇烈，使得此處應變值最大.在拉深過程的后階段，板料的變形量開始往側壁和凹模圓角處轉移，使得在側壁或者凹模圓角處產生最大應變，因此在此階段凹模圓角和筒壁部分是拉深后階段板料的減薄量最大的地方.圖2是在拉深深度為12mm時，在零件上取了不同的7個點所做出的主應變變化曲線，從曲線中得知，在十字杯形側壁的最大主應變達到了1.86，此時板料的減薄現象非常嚴重，如果繼續拉深，則會出現開裂.

圖2 不同拉深時刻主應變分布云圖

1.3 板料溫度分布

本次實驗凹模、板料和壓邊圈的溫度都設置為250℃，凸模溫度為100℃，拉深速度為10mm/sec，圖3為拉深深度為12mm時零件上不同點的溫度所做出的曲線，由曲線可知，板料溫度從板料中心向板料邊緣依次遞減，這是由于在拉深的過程中，250℃的板料與100℃的凸模接觸，發生大量熱量損失引起的.

圖3 拉深不同時刻板料溫度的分布圖

1.4 板料厚度分布云圖

在板料拉深成形的過程中，各部分的變形程度不均勻，在拉深的初始階段凸模圓角部分首先發生變形，隨著拉深深度的增加，板料的減薄從凸模圓角部分向十字杯形的側壁轉移.結合模擬分析的結果可知，本次試驗減薄趨勢特別大，圖4是在拉深深度為12mm時，在零件上取8個點所繪制成的曲線，結合圖得知，十字杯形側壁部分板料厚度最小值為0.16952mm，從而得出在此情況下，不能拉深出我們需要的零件.

圖4 拉深不同時刻板料厚度分布結果

本次熱沖壓模擬實驗板料減薄量很大，可能存在如下原因：壓邊力過大、模型因數過大、凹模法蘭部分的圓角過小、板料自身的形狀和大小影響其沖壓成形等.

2 十字杯形件熱拉深工藝方案

根據以上熱拉深模擬結果，制定了如下工藝方案。

方案一：AZ31B鎂合金十字杯形1/4模型,拉深深度為40mm.壓邊圈、凹模、板料三者為溫度為250℃，凸模的溫度為100℃；壓邊力大小為800kN；沖壓速度為10mm/sec；模型因數為0.12.

方案二：在方案一實驗的基礎上，將凹模法蘭處的圓角半徑為0.5mm修改為1.5mm，其他的條件都不變.有限元模擬結果表明：改變模具結構即將凹模法蘭處的圓角半徑為0.5mm修改為1.5mm后能夠大大的提升板料的延伸率，能夠成形深度為25mm的制件，但還不能成形出40mm深度的十字杯形制件.分析出現這兩種情況的原因如下：第一，板料自身大小不夠或者形狀上還有待改進；第二，壓邊力較小；第三，模型因數過大.

方案三：在方案二實驗的基礎上，將壓邊力從800kN增加到1000kN，其他的條件都不變.增加壓邊力之后，板料厚度增加現象得到明顯控制，方案二中，由于板料厚度增加，最大厚度為1.75mm，增大壓邊力之后板料最大厚度為1.24mm；同時，板料的成形性能也得到一定的提升，成形深度從25mm增加到32mm.

盡管在增大壓邊力之后成形質量得到了很大的改善，但是仍然沒法拉深出深度為40mm的十字杯形制件，分析原因如下：第一，板料的大小不夠或者板料自身的形狀不合理；第二，可能是模型因數過大，導致板料的減薄量仍然比較大.

方案四：在方案三的基礎上，將板料形狀改變為直徑為148mm的圓形板料，板料如圖5所示.增加板料的大小后，能夠成形拉深深度為40mm的十字杯形制件，但是部分板料減薄十分嚴重，方案四有限元模擬的結果可知仍然不能得到合格的制品.此處出現板料減薄嚴重的原因可能有：第一，模具自身的模型形狀；第二，板料形狀的制約，板料自身的形狀影響在塑性變形中材料的流動；第三，模型因數過大.

圖5 方案四下的板料模型

方案五：在方案四實驗的基礎上將模型因數改小，將0.12改為0.05.

與方案四相比，雖然本次板料減薄嚴重的區域明顯減小，但仍然存在減薄區域，說明將模型因數改為0.05的辦法仍然不能解決方案四出現的問題.原因可能如下：第一，模具自身的模型形狀.該區域所在側壁相比其他地方材料流動困難；第二，板料形狀的制約.板料自身的形狀影響在塑性變形中材料的流動.

方案六：基于上述實驗的結果，再次調整實驗方案，在方案五的基礎上將模型因數改為0.02.可以清楚看到板料增厚現象基本上減小到最低，板料的延伸率也得到極大提高，在拉深深度為40mm時，板料的最小厚度為0.847342mm；圖6為板料自適應化網格劃分的結果，圖中網格不存在畸變的現象，從而證明本次實驗結果比較合理.

圖6 方案六下的板料模型

通過以上方案的不斷優化，得到的最佳成形方案如表1所示。

表1 優化后的熱拉深工藝方案

3 結論

（1）拉深模擬結果表明:凸模圓角與凹模圓角部位是拉深件應力較大區域，變形量大.拉深變形首先發生在凸模圓角部位，隨后向筒壁轉移.凸模圓角部位為拉深易開裂區，筒壁開裂傾向小于凸模圓角部位，凹模圓角與平面凸緣部分的板料容易增厚.

（2）有限元模擬結果表明：隨著模型因數的增大，板料的減薄量越大，又一次驗證了模型因數越大，越不利于AZ31B鎂合金的熱拉深.

（3）模擬結果表明：壓邊力也是影響一個重要的因數，隨著壓邊力的變化，鎂合金拉深成形質量也隨之變化.

（4）模擬結果表明：坯料形狀對薄板拉深成形性能的影響是非常明顯的，合理的坯料外形有助于改善拉深過程中工件的應力應變分布，提高拉深極限，使得工件厚度變化比較均勻，成形質量高.當毛坯形狀為方形切邊板料時，在凹模、板料和壓邊圈溫度為250℃、凸模溫度為100℃、摩擦因數為0.12、壓邊力為1000K N的工藝參數下，能夠成形出拉深深度為32mm的制件，此時板料最大減薄量為0.167mm；當毛坯形狀為圓形板料時，在凹模、板料和壓邊圈溫度為250℃、凸模溫度為100℃、摩擦因數為0.02、壓邊力為1000K N的工藝參數下，能夠成形出拉深深度為40mm的制件，此時板料最大減薄量為0.152mm.所以該零件選用圓形坯料是較為適宜的.

[1]褚興榮.變形鎂合金板料沖壓成形性能的實驗研究[D].濟南：山東大學,2009.

[2]彭穎紅,唐偉琴,張少睿,等.基于滑移_孿生耦合模型的鎂合金多晶體塑性成形分析[J].塑性工程學報，2009，16（5）:2-4.

責任編輯：張隆輝

TH16

A

1672-2094(2014)04-0152-03

2014-05-08

周淑容（1977-），女，四川仁壽人，四川職業技術學院機械工程系講師，碩士.