基于3種驅(qū)動(dòng)方式的鎂合金覆蓋件柔性砂模拉深試驗(yàn)與仿真研究

韓昕宇，王鴻雨，呂關(guān)想，王欣雨

（大連海事大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，遼寧 大連 116026）

0 引言

鎂合金具有比強(qiáng)度高、減震降噪性能好等優(yōu)點(diǎn)，在材料輕量化中具有廣闊的應(yīng)用前景[1]。雖然變形鎂合金零件綜合力學(xué)性能好且制造成本較低，但是鎂合金因在室溫下塑性較差限制了其工業(yè)應(yīng)用，開發(fā)先進(jìn)的鎂合金塑性成形工藝成為當(dāng)下研究的熱點(diǎn)之一[2-4]。鎂合金覆蓋件在3C、汽車以及生活用品中應(yīng)用廣泛[5]，覆蓋件通常采用板材拉深成形的方法進(jìn)行加工[6]。由于拉深成形具有加工方法簡(jiǎn)單、幾何形狀準(zhǔn)確、可加工復(fù)雜零件等優(yōu)點(diǎn)，金屬板材拉深成形工藝的研究具有重要意義[7]。板材拉深成形通常采用剛性模進(jìn)行加工，但由于剛性模的制造及維護(hù)成本較高[8-9]，而柔性介質(zhì)一般具有可回收性，降低了模具的制造成本[10-11]。與剛性模拉深成形工藝對(duì)比，柔性介質(zhì)具有良好的流動(dòng)性，能改善板材與模具零件間的接觸狀態(tài)，且柔性介質(zhì)成形還能顯著提高零件的成形性，避免剛性模成形零件易破裂等缺點(diǎn)[12]，因此學(xué)者們針對(duì)柔性模拉深成形進(jìn)行了研究。

根據(jù)傳力介質(zhì)形態(tài)不同，柔性介質(zhì)可分為氣體[13]、液體[14]、粘性介質(zhì)[15]以及固體介質(zhì)[16]等。氣體、液體以及粘性介質(zhì)在使用時(shí)必須具備嚴(yán)格的密封環(huán)境，且使用成本高。而砂子作為拉深成形的傳力介質(zhì)時(shí)不需要考慮密閉環(huán)境，且砂子具有耐高溫、可回收、流動(dòng)性較好等優(yōu)點(diǎn)，既能滿足鎂合金的最佳變形溫度，又能提高模具通用性[17]，因此選擇砂子作為傳力介質(zhì)。

為探究拉深過程中鎂合金板材成形性能的影響，郭曉明等研究了不同溫度對(duì)AZ31 鎂合金板材的成形性[18]，呼嘯等在研究中發(fā)現(xiàn)隨溫度的升高，鎂合金成形質(zhì)量得到明顯提升[19]。板料厚度也是影響成形性能的重要因素，鎂合金的成形性能隨板料厚度的增加而降低[20]。在變形時(shí)為保證零件的成形質(zhì)量以及尺寸精確度，LEE S M 等同樣發(fā)現(xiàn)模具尺寸也是重要影響因素[21]，且由于砂子具有流動(dòng)性，可以更好地貼合模具，能填充較小且復(fù)雜的形狀，使零件尺寸更加精確。在進(jìn)一步研究中發(fā)現(xiàn)成形后鎂合金零件不同位置的顯微組織有所差異[22]，且力學(xué)性能得到較大提高[23]。綜上所述，根據(jù)眾多學(xué)者的研究成果，以下將選擇溫度、板料厚度以及填砂高度3個(gè)核心變量進(jìn)行研究。

為研究砂子作為傳力介質(zhì)對(duì)鎂合金板材拉深成形結(jié)果的影響，針對(duì)剛性模和砂模柔性拉深成形進(jìn)行對(duì)比分析，并通過砂子分別代替剛性凸模或凹模實(shí)現(xiàn)砂凸模驅(qū)動(dòng)或砂凹模驅(qū)動(dòng)。采用有限元模擬與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，分析了不同工藝參數(shù)對(duì)鎂合金覆蓋件拉深性能的影響，并通過宏微觀協(xié)同驗(yàn)證的方法證明了有限元模擬的準(zhǔn)確性，最終得到具有良好性能的復(fù)雜形狀鎂合金覆蓋件的成形策略。

1 鎂合金拉深成形有限元模型建立

在Pro/E 軟件中建立模型，并輸入ABAQUS 軟件中進(jìn)行有限元模擬，選擇凹模底部中心O點(diǎn)為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，在有限元模擬中模具裝配剖面示意圖如圖1所示。

圖1 有限元模擬中的模具裝配剖面示意圖

在研究中，網(wǎng)格劃分如圖2 所示，AZ31 鎂合金板材應(yīng)用四節(jié)點(diǎn)縮減積分殼單元S4R 進(jìn)行網(wǎng)格劃分；砂子模型則采用保證位移求解精度的前提下能提高計(jì)算效率的線性縮減積分六面體單元C3D8R進(jìn)行網(wǎng)格劃分；其他模具零件則設(shè)置為離散剛體，采用R3D4剛體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

圖2 有限元模擬中的網(wǎng)格劃分

在有限元模擬中AZ31 鎂合金密度為1.78 g/mm3，彈性模量為45 000 MPa，泊松比為0.35，鎂合金的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖3所示。砂子的本構(gòu)模型選擇Drucker-Prager模型，該模型能夠精確擬合在高壓下顆粒狀土壤材料的體積變化和摩擦狀態(tài)。砂子脹角、摩擦角及流動(dòng)應(yīng)力比分別為17.5°、34.1°和0.816，密度為1.28 × 10-6g/mm3，彈性模量為12 MPa，泊松比為0.3。

圖3 鎂合金應(yīng)力應(yīng)變曲線

2 拉深試驗(yàn)與有限元結(jié)果分析

根據(jù)變形結(jié)果將覆蓋件分為5 個(gè)區(qū)域，如圖4所示，其中區(qū)域1、3、5分別為覆蓋件側(cè)壁、平臺(tái)和底部凸臺(tái)部分，區(qū)域2、4為過渡區(qū)域。

圖4 鎂合金覆蓋件分區(qū)

2.1 溫度對(duì)拉深性能的影響

拉深溫度是影響鎂合金板材拉深成形效果的重要因素，為研究溫度對(duì)鎂合金板材成形的影響，將溫度變量設(shè)置為250、300、350 ℃。不同溫度的厚度分布云圖如圖5 所示，根據(jù)圖5 可知，隨拉深溫度的升高，覆蓋件的部分區(qū)域減薄率逐漸增大。這是因?yàn)殡S溫度的升高，鎂合金塑性增強(qiáng)的同時(shí)屈服強(qiáng)度下降，金屬的流動(dòng)性增強(qiáng)，導(dǎo)致板材減薄。在剛性模和砂凹模驅(qū)動(dòng)過程中，由于隨凸模不斷向下移動(dòng)，區(qū)域2、5首先與凸模接觸而受到較大的拉應(yīng)力，減薄主要發(fā)生在區(qū)域2、5。而在砂凸模驅(qū)動(dòng)過程中，覆蓋件底部區(qū)域減薄較大，并且隨溫度的升高減薄區(qū)域由區(qū)域5 中心逐漸向外擴(kuò)大為區(qū)域3、4。由于砂子被放置在板材頂部，成形時(shí)砂子與板材充分接觸，導(dǎo)致板材受到更大的拉應(yīng)力，主要減薄區(qū)域發(fā)生在覆蓋件底部。

圖5 不同溫度鎂合金試驗(yàn)結(jié)果與厚度分布

對(duì)覆蓋件進(jìn)行觀察，在剛性模驅(qū)動(dòng)中，不同拉深溫度下覆蓋件形狀幾乎相同，且區(qū)域3、5 呈現(xiàn)平面狀，如圖5 所示。當(dāng)拉深溫度為250 ℃時(shí)，覆蓋件的區(qū)域5 拐角處有輕微裂紋，區(qū)域1 長(zhǎng)邊處向內(nèi)凹陷。當(dāng)拉深溫度為300、350 ℃時(shí)，覆蓋件沒有破裂，且區(qū)域1形狀平整未向內(nèi)凹陷。在砂凸模驅(qū)動(dòng)過程中，當(dāng)拉深溫度為250、350 ℃時(shí)，覆蓋件的區(qū)域5 呈球冠狀，區(qū)域2 的4 個(gè)圓角處形狀不明顯。當(dāng)拉深溫度為250 ℃時(shí)，區(qū)域4 發(fā)生輕微破裂。然而在砂凹模驅(qū)動(dòng)過程中，不同拉深溫度對(duì)覆蓋件形狀影響小，覆蓋件的形狀輪廓清晰平整。當(dāng)拉深溫度為250、350 ℃時(shí)，區(qū)域2 的圓角區(qū)域均出現(xiàn)裂紋。綜上所述，300 ℃時(shí)覆蓋件成形效果最好，但砂模驅(qū)動(dòng)成形的覆蓋件輪廓更加清晰，由于砂子有良好的流動(dòng)性，在變形時(shí)砂子能帶動(dòng)板材與模具零件充分貼合，使覆蓋件的形狀曲線更加清晰。

2.2 板料厚度對(duì)拉深性能的影響

板料厚度是影響拉深性能的另一重要因素，結(jié)合上述分析，在300 ℃時(shí)討論不同板料厚度對(duì)拉深性能的影響，其中選擇的板料厚度為0.5、1.0、1.5 mm。圖6 所示為不同板料厚度鎂合金覆蓋件的試驗(yàn)結(jié)果與厚度分布對(duì)比，在剛性模驅(qū)動(dòng)過程中，隨板料厚度的增厚，區(qū)域5拐角處的減薄率逐漸減小，但區(qū)域2 的4 個(gè)圓角處減薄率逐漸增厚。在砂凸模驅(qū)動(dòng)過程中，主要減薄區(qū)域?yàn)楦采w件底部，隨板料厚度增厚，區(qū)域5 減薄率逐漸減小。在砂凹模驅(qū)動(dòng)過程中，隨板料厚度的增大，主要減薄區(qū)域除區(qū)域5拐角處外，還增加了區(qū)域2 的4 個(gè)圓角區(qū)，但在區(qū)域5 拐角處減薄率有所降低，說明增厚板料厚度在一定程度上抑制了板材的過度減薄，減小覆蓋件開裂風(fēng)險(xiǎn)，但板材過厚會(huì)導(dǎo)致覆蓋件成形更加困難，因此無法達(dá)到預(yù)期成形效果。

圖6 不同板料厚度鎂合金試驗(yàn)結(jié)果與厚度分布

如圖6所示，根據(jù)試驗(yàn)與有限元模擬結(jié)果可知，板料厚度對(duì)覆蓋件成形效果影響較大，當(dāng)板料厚度為1 mm 時(shí)，除砂凸模驅(qū)動(dòng)外，其余2 種驅(qū)動(dòng)方式成形的覆蓋件區(qū)域5均呈球冠狀，并在剛性模驅(qū)動(dòng)中，區(qū)域2 的圓角處有細(xì)小紋理，該處容易發(fā)生破裂。板料厚度為1.5 mm 時(shí)，3 種驅(qū)動(dòng)方式下覆蓋件未成形，并在砂凸模驅(qū)動(dòng)過程中，區(qū)域2的圓角處發(fā)生了嚴(yán)重破裂。由于板料厚度增厚，成形所需的應(yīng)力也隨之增加，板材越厚，覆蓋件成形越困難。

2.3 填砂高度對(duì)拉深性能的影響

當(dāng)拉深溫度為300 ℃、板料厚度為0.5 mm 時(shí)，選擇不同填砂高度對(duì)砂凸模和砂凹模驅(qū)動(dòng)進(jìn)行研究，其中砂凸模驅(qū)動(dòng)的填砂高度為6、10、14 mm，砂凹模驅(qū)動(dòng)的填砂高度為30、26、22 mm。

如圖7所示，在砂凸模驅(qū)動(dòng)中，減薄區(qū)域集中在覆蓋件底部。隨填砂高度的增加，主要減薄區(qū)域從區(qū)域5 底部中心不斷增加至區(qū)域3、4。覆蓋件底部區(qū)域的板材在雙向拉應(yīng)力的作用下開始就發(fā)生變形，因此板材底部厚度減薄。在砂凹模驅(qū)動(dòng)過程中，覆蓋件的減薄率明顯更小，主要減薄區(qū)域集中在區(qū)域5 的拐角處，且減薄率隨填砂高度的增加而逐漸增大。由于在砂凹模驅(qū)動(dòng)過程中板材下方被砂子填充，砂子能夠托住板材對(duì)其施加一定支撐力，使板材最終所受壓力更小，砂凹模驅(qū)動(dòng)時(shí)，覆蓋件的減薄較小。而區(qū)域5拐角處板材首先與凸模接觸受到壓力，由于該區(qū)域應(yīng)力相對(duì)集中，板材減薄明顯。

圖7 不同填砂高度鎂合金試驗(yàn)結(jié)果與厚度分布

如圖7 所示，在砂凸模驅(qū)動(dòng)下，填砂高度為6 mm 時(shí)，覆蓋件成形效果最好，覆蓋件的形狀呈清晰的盒形。當(dāng)填砂高度為10 mm 時(shí)，區(qū)域2 輪廓曲線不清晰，區(qū)域5 呈球冠狀。當(dāng)填砂高度為14 mm 時(shí)，由于部分區(qū)域板材減薄嚴(yán)重，限制了覆蓋件成形高度，該組覆蓋件的高度明顯小于填砂高度為6 mm時(shí)的覆蓋件高度。在砂凹模驅(qū)動(dòng)下，填砂高度為30 mm 時(shí)，覆蓋件形狀輪廓清晰，成形效果最好。填砂高度為26 mm 時(shí)，區(qū)域5 形狀輪廓明顯，但區(qū)域1 輕微向外擴(kuò)張，而填砂高度減小到22 mm 時(shí)，區(qū)域1 向外擴(kuò)張嚴(yán)重，區(qū)域5 幾乎未成形。當(dāng)填砂高度過小時(shí)，由于砂子無法完全包覆板材使區(qū)域1 側(cè)向無砂子支撐，此時(shí)該區(qū)域板材無法受到足夠的側(cè)向壓力的約束，導(dǎo)致區(qū)域1向外擴(kuò)張。

2.4 差異化驅(qū)動(dòng)方式對(duì)拉深性能的影響

根據(jù)上述分析，發(fā)現(xiàn)覆蓋件容易破裂的位置通常是厚度云圖中減薄率較大的區(qū)域，驗(yàn)證了有限元模擬的準(zhǔn)確性。為了進(jìn)一步探究不同驅(qū)動(dòng)方式下鎂合金板材拉深成形的特征，將分別從宏觀和微觀2 個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比，將拉深溫度控制為300 ℃、板料厚度為0.5 mm，且砂凸模驅(qū)動(dòng)和砂凹模驅(qū)動(dòng)的填砂高度分別為6、30 mm。

首先針對(duì)覆蓋件y方向的誤差進(jìn)行計(jì)算，由于覆蓋件具有對(duì)稱性，選擇1/4 模型作為研究對(duì)象，得到圖8所示的誤差示意圖。覆蓋件的誤差保持在較小的范圍內(nèi)，其中區(qū)域1的誤差相對(duì)較大。

圖8 鎂合金覆蓋件形狀及誤差

為了更加直觀地觀察3 種驅(qū)動(dòng)方式的差異，選擇覆蓋件短邊截面繪制輪廓曲線，如圖9 所示。與剛性模驅(qū)動(dòng)成形的覆蓋件相比，由于在砂模驅(qū)動(dòng)成形時(shí)板材一側(cè)為柔性體，砂凸模驅(qū)動(dòng)成形的覆蓋件與凹模更加貼合，而砂凹模驅(qū)動(dòng)成形的覆蓋件與凸模更加貼合。在砂凸模驅(qū)動(dòng)和砂凹模驅(qū)動(dòng)中，覆蓋件區(qū)域5的拐角區(qū)域輪廓曲線更加清晰。這是因?yàn)樵谏澳ｒ?qū)動(dòng)方式下砂子具有較好的流動(dòng)性，能有效填充板材與模具零件之間的曲面。在拉深過程中，砂子能始終與板材接觸而改善板材的應(yīng)力狀態(tài)，也提高了成形后覆蓋件與模具零件之間的貼合度。

圖9 覆蓋件與模具短邊截面輪廓曲線

隨后分析變形前后鎂合金不同位置的微觀組織，選擇覆蓋件短邊截面的5 個(gè)位置進(jìn)行分析。鎂合金變形前晶粒粗大，變形后晶粒明顯細(xì)化，如圖10 所示，A、B 和D 三個(gè)拐角位置有明顯的細(xì)小晶粒出現(xiàn)，但C 和E 兩個(gè)位置的晶粒與其他3 個(gè)位置的晶粒相比略微粗大。在剛性模驅(qū)動(dòng)下的晶粒尺寸明顯大于其他2 組，變形后以粗晶為主。在砂凸模驅(qū)動(dòng)中，由于砂子全程跟隨凸模流動(dòng)帶動(dòng)板材變形，導(dǎo)致板材變形嚴(yán)重，砂凸模驅(qū)動(dòng)中出現(xiàn)較多孿晶。在砂凹模驅(qū)動(dòng)中，A、B 和D 三個(gè)拐角位置出現(xiàn)了較多細(xì)小的晶粒，這是由于砂子的比熱容更大，散熱更慢，在拉深變形過程中板材溫度下降較慢，砂模驅(qū)動(dòng)中的板材塑性提高，導(dǎo)致板材變形程度更大，在砂模驅(qū)動(dòng)中的晶粒更細(xì)小。

圖10 變形前后鎂合金顯微組織

3 結(jié)束語

通過有限元模擬和拉深試驗(yàn)獲取了3種驅(qū)動(dòng)方式下鎂合金覆蓋件拉深成形的最佳工藝參數(shù)以及覆蓋件的成形特征，總結(jié)了不同工藝參數(shù)對(duì)差異化驅(qū)動(dòng)方式下鎂合金板材拉深成形的影響規(guī)律，主要結(jié)論如下。

（1）覆蓋件砂模成形效果良好，砂模拉深成形后的覆蓋件與模具零件貼合較好，使變形后覆蓋件的形狀尺寸更加精確。

（2）變形后的覆蓋件綜合性能得到明顯提升，其拐角處出現(xiàn)明顯的晶粒細(xì)化現(xiàn)象。

（3）砂子能夠在成形過程中更好地保護(hù)板材不破裂，采用砂模拉深成形能夠有效解決復(fù)雜鎂合金覆蓋件的高溫成形問題。