鎂合金材料的擠壓成形工藝優化研究

王 鵬，李媛媛，孫旭東，董新飛

（西部金屬材料股份有限公司，陜西 西安 710201）

我國鎂資源儲量約占全球的67%，是我國的優勢礦產資源。鎂的熔點在648℃，鎂合金密度小約（1.74g/cm3～1.85g/cm3）的密度，比鋁合金與鋅合金更輕，還不到鋼1/4，對減重和降耗意義重大，另外，鎂合金減震性良好，具有非常突出的電磁屏蔽性以及阻尼性，彈性模量與人骨相當，且易降解，因此，目前已在在航天、航空、高鐵、汽車以及生物醫療等領域開始規模化應用。在各種電子通訊產品以及電腦中，鎂合金材料有著普遍的應用[1]。但是采用該成型工藝進行一些零件生產過程當中，與高性能鎂合金零件技術要求還存在很大差距，所以限制了這些零件的生產應用。相較于壓鑄方法生產的零件，通過塑性精密成型工藝進行鎂合金零件生產，不僅具有非常強的承載性，同時抗沖擊力非常強，因此，在鎂合金材料生產過程當中加強塑性成型工藝的研究受到了普遍關注。在塑性指標上鎂合金通常延伸率＜1000，非常敏感變形時形成的拉應力，承受力不高，常常出現脆性斷裂，對應用塑性成形技術造成很大影響。所以在變形鎂合金零件生產過程中，多是采用擠壓方法進行生產。下文將鎂合金錐形殼體作為此次研究對象，探索分析MB2鎂合金材料反擠成形工藝，其工藝過程通過實驗方法進行優化，可以進行合格擠壓件的量化生產[2]。

1 鎂合金殼體擠壓成形工藝過程

圖1 鎂合金殼體示意圖

圖1上體零件呈現杯狀非對稱性深孔特征，MB2是其主要材料，要求擠壓成型后的零件上表面上需加工外，其他表面則不用進行加工。該殼體零件屬于異型特征的桶型非對稱件，在擠壓時受材料不均勻流動影響，擠壓脫模也呈現不均勻的受力狀態，使得反擠壓成型困難較為突出。具體工藝流程為：下料→電爐加熱→墩粗→反擠壓→后續機加工上表面。

2 擠壓成形試驗

（1）成形溫度范圍。室溫條件下鎂合金擠壓棒材具有較低的延伸率（12%），為了更好的確保材料流動性，控制發生缺陷問題，通過熱反擠壓成型工藝進行成型。

很多鎂合金無法通過熱處理，對其鍛后形成強化。倘若具有很高的加溫度以及很長的保溫時間，再加上頻繁的加熱，就會增大晶粒尺寸，使得在結晶更加充分，降低鎂合金的屈服強度以及抗拉強度，所以對加熱溫度以及保溫時間進行合理的控制是非常重要的。

鎂合金材料成型過程中具有劇烈的流動，但因殼體壁較薄，對其成形力造成很大影響，需要保持較高的溫度來進一步增強金屬的流動性，但不可長時間保溫，通過相關試驗，應當控制在420℃～440℃等溫度對胚料進行加熱，并控制在三個小時以內的保溫時間，這樣不僅利于成型，同時，還能使零件成形后的機械性能得到進一步增強。

在熱傳導系數上鎂合金非常大，250℃時能夠達到101.8W/m°K的熱傳導系數，超過鋼2倍之多，如果接觸室溫下的模具，會迅速地降低其溫度，影響其塑性，增大其成型力，降低充填性，所以應當通過加熱與保溫方法所以應當通過加熱與保溫方法，對模具進行處理。試驗過程中，通過3個電阻絲（1.5kW）加熱凹模模特，能夠確保模具處于200℃～250℃的溫度。

（2）坯料尺寸確定。該零件橫截面呈現扇形不規則特征，如果利用形狀為圓形截面的毛坯，在截面中材料流動較為劇烈，會與模具接觸面形成較大的摩擦力，使其拉應力得到進一步增強，但鎂合金材料塑性較差，這就極易導致材料出現開裂情況。通過分析與相關計算，毛坯形狀初步設計為殼體底截面形狀的實心坯料，參見圖2。

為了有效控制加熱次數以及生產成本，利用該坯料進行零件反擠壓成型，首沖頭作用影響，坯料發生墩粗變形，之后沖頭不斷下行，形成反擠壓變形，因流動的金屬，不斷增大上表面截面面積，造成其兩側圓角位置，難以很好地流動，無法有效充滿。

圖2 下料毛坯圖

為了使圓角部分充填性得到更好的改善，對毛坯截面尺寸進一步增大，將毛坯截面形狀，選擇為零件中間截面尺寸與形狀選擇，與零件毛坯截面相比較小的部分為正擠壓，超過該毛坯截面的部分為反擠壓，同時有效降低了截面存在的差別，有效改善了材料的流動性，利于零件各個部分都良好的充填與成型。

（3）模具設計。鎂合金材料常常達到26.81um/m°K，T凹模材料3Cr2W8V，熱膨脹系數較高為11.71um/m°K，將b模保溫溫度進行T凹設置，T終設置為終鍛溫度，T沖設置為沖頭溫度，可以通過以下公式計算擠壓模凸凹模尺寸：

該零件成型過程中，在保溫溫度上凹模應當控制在250℃，以350℃溫度進行終鍛，并保持150℃沖頭溫度。

（4）沖頭形式及模具結構。該零件為杯狀深孔非對稱性的殼體，如果垂直放置零件內側直面，在擠壓成型過程中側向壓力（非對稱）會對沖頭造成很大影響，同時錐面外側金屬壁厚度會不斷變薄，如果具有較大的沖頭剛度，可以確保殼體壁厚精度，如果沖頭沒有較大強度，將會引發彈性變形，致使出現不均勻的壁厚特征。

垂直放置的內側面凹模，零件成形后超過2mm的壁厚差。為了將成形過程中沖頭出現的偏載情況有效控制，通過相應的研究和計算，在中心線位置對中放置凹模與沖頭，能夠將成形時出現的偏載力有效控制，是零件的壁厚得到了有效控制，可以確保零件成形后，能夠從凹模中順利的取出，其下側設有頂桿，卸料裝置裝在沖頭上。

3 結論

鎂合金材料比剛度和比強度非常突出，同時減震性、阻尼性以及切削加工、電磁屏蔽和表面處理與拋光等方面的性能都非常優越，在減輕機構重量，增強行走與飛行器具方面有著非常突出的作用，所以加強鎂合金技術的開發與應用意義重大。文中結合鎂合金錐形殼體成形工藝探索分析MB2鎂合金材料反擠成形工藝，在合理的加熱溫度下，擠壓成形性較好，非常適宜于隨性壓縮狀態的成形。