登錄  |  注冊
english
河北华利机械配件有限公司

鎂合金摩托車手把管超塑脹形工藝研究

2013/7/5 15:12:51

 

王建甫, 楊永順, 李學烤, 劉祎冉

( 河南科技大學材料科學與工程學院, 河南洛陽471003)

摘要: 設計了一套鎂合金管材脹形成形裝置, 對鎂合金摩托車手把管的超塑性脹形成形進行了實驗研究, 並通過實驗確定了鎂合金管超塑脹形的成形工藝。其主要工藝參數爲: 成形溫度340370 , 脹形初始壓力2.02.2MPa, 軸向壓力1.01.5 MPa, 隨著脹形的進行, 脹形壓力分階段逐步加載到10 MPa。在此工藝條件下, 成形出的管子尺寸精度高, 壁厚均勻, 無減薄現象。用超塑性脹形技術提高了鎂合金的塑性成形能力, 並實現了摩托車手把管的精密成形, 提高了材料利用率, 降低了成本。

關鍵詞: ; 脹形; 鎂合金; 超塑性

目前, 鎂合金的研究及应用引起了世界各国的重视, 鎂合金消费量在全球呈持续高速增長趋势。鎂合金具有密度小, 比強度、比剛度高, 阻尼減震性、切削加工性、導熱性好, 電磁屏蔽能力強,鑄造性能和尺寸穩定性好等優點, 同時, 鎂資源很豐富, 且鎂合金産品易于回收利用, 具有環保特性。因此, 鎂合金被誉爲“21 世紀綠色工程材料”,近些年來在汽車工業、航空航天、電子工業等領域的應用迅速增加, 發展前景看好[1-2]

鎂合金是密排六方结构, 滑移系少, 在常溫下其塑性較低, 成形性能差。因此大多数鎂合金制品都是用铸造(壓鑄、熔鑄等)方法成形[3-5], 而用擠壓、軋制、鍛造等塑性成形方法[6]加工的鎂合金制品很少。鎂合金摩托车手把具有质量轻, 吸振性好, 增加了騎乘的舒適性, 但是像某型号摩托车手把管这样的鎂合金産品, 因其形狀複雜, 目前還沒有采用塑性方法生産。目前國內摩托車手把管基本上采用傳統的鋼管彎曲而成, 存在質量大、吸振性差等缺點。

采用超塑性氣脹成形技術可在一定溫度下獲得優良的塑性成形能力, 從而成形结构复杂的鎂合金零件[7]。本文主要介绍了利用超塑性脹形的方法实现鎂合金摩托车手把管的精密塑性成形, 管子截面尺寸可沿軸線方向逐漸變化, 在模具內一次成形。其特點是所需設備簡單, 無需大型專用設備、成形精度高、材料利用率高、操作簡便、成本低。

1 實驗

1.1 實驗设备及材料

實驗设备采用YX32-315 液壓機( 公稱壓力爲3 150 kN) , 鎂合金管超塑脹形實驗装置及鎂合金管坯预热炉各一套。實驗用鎂合金管坯爲AZ91D, 內徑14 mm, 外徑22 mm, 965 mm。脹形后保持管子厚度基本不变, 中间段外徑最大, 28 mm, 最大外徑与两端外徑均匀过渡。

1.2 超塑脹形實驗装置及脹形方法

本實驗装置由模具、管子密封机构、加热机构、气压脹形机构及液压辅助机构組成。模具由上模1、下模5 組成, 主要提供管坯的脹形模腔,使管子精密成形爲所需形状; 管子密封機構由堵頭27 和控制堵頭的液壓缸38 組成, 用于管子的密封及提供管子脹形时所需的軸向補縮壓力;加熱機構由6 根加热棒組成, 上、下模各裝3 ,提供管子加熱所需的熱源; 气压脹形机构由一个气压缸組成, 通过液压泵向缸內充油压缩缸内空气达到脹形需要的一定压力的气压; 液压辅助机构主要是油箱、液压泵、液压阀等組成的可控油路, 按照所需完成一定的動作。具體操作過程是: 第一步, 把模具15 加熱到特定溫度, 然后把在炉中预热好的鎂合金管6 放入模具型腔中, 合模並給于一定的壓力F。第二步, 在液壓缸38 推動下使堵頭27 前進, 使堵頭密封管子兩端並給管子兩端施加一定的壓力。第三步, 向氣壓缸4 內充油, 達到一定的壓力, 保壓一定的時間, 使管子脹形并与模腔充分贴合。第四步, 卸掉氣壓缸壓力, 堵頭後退, 取出管子, 放入下一根預熱好的管坯, 开始新的脹形过程。

1.3 工藝參數選擇

1.3.1 脹形温度

镁晶体爲密排六方结构, 鎂基體的獨立滑移系少, 它的滑移系統只有基面滑移和錐面孿生, 5 個滑移系, 3 個幾何滑移系和兩個獨立滑移系, 室溫和低溫塑性較差, 但當變形溫度大于200℃時, 可以使鎂合金的滑移系增多, 鎂合金的塑性加工能力有明显的提高。鎂合金对变形时的应变速率有很高的敏感性, 當高速變形時, 很容易引起鎂合金的开裂。因此, 爲了保证脹形的成品率, 對其超塑性成形很有必要。

爲了确定鎂合金挤压管坯的超塑性温度区间, 沿管坯軸向線切割加工出“工”字形薄片拉伸試樣, 280400 ℃之間以v=6 mm/min 的恒速度做超塑性拉伸試驗, 每个试样的保温时间爲20min, 溫度間隔是30 , 2 爲拉伸后的拉伸力-伸長量曲线圖。

從圖中可以看到, 隨著溫度的升高, AZ91D鎂合金的伸長率不断增加, 310 ℃開始AZ91D鎂合金表现出超塑性, 繼續升溫至340 , 最大伸長率达到了161%。當溫度繼續增至370 ℃和400 , 由于高溫氧化的作用, AZ91D 鎂合金的伸長率逐降到115%105%, 伸長率随温度的这种非单调变化表明340 ℃是AZ91D 鎂合金超塑性变形的最佳温度。在實驗中取310370 ℃作爲鎂合金管的脹形温度。

1.3.2 初始壓力選擇

初始内压是超塑脹形成形工艺的重要参数,该值选取的是否合适直接决定了脹形过程的成败。对于本文的鎂合金管脹形来说, 初始脹形径向没有束缚, 爲了保证管子不被胀破, 在管坯能夠變形屈服的情況下, 其初始內壓的選擇應盡量低一點.

1.3.3 軸向補縮壓力

轴向补缩是管子脹形工艺中又一个需要考虑的重要因素。根据设计要求, 脹形后的管子壁厚要求基本不变, 爲了保证脹形后壁厚无减薄, 必须给于合理的軸向壓力。軸向壓力的给定需要考虑管子两端与模具的摩擦力及维持管子塑性变形时所需的轴压力, 同時还要满足密封要求。

1.3.4 密封

管端密封在脹形过程中是保持脹形压力的关键。采用的密封形式是锥台形冲头压入法, 这种密封方式具有密封效果好、生产效率高、便于操作等优点。考虑到本實驗采用的脹形压力介质爲气体,對密封有更嚴格的要求, 需對密封堵頭工作部分做鍍硬鉻處理, 然后抛光。在實驗过程中也证明这种密封方法是很有效的。

2 實驗结果及分析

经过反复實驗, 最終得到合適的工藝參數: 脹形温度340370 , 脹形初始壓力2.0 2.2MPa, 軸向壓力1.01.5 MPa。在此工藝參數下,生产出了合格的産品( 见圖3)

压力等工艺参数对産品质量都有影响。温度太低, 脹形比较困难, 引起初始脹形压力变大, 初始變形壓力的變大, 由于變形過程不是理想的均勻變形, 管坯的局部就会脹形过快, 出現破裂; 溫度太高, 鎂合金氧化严重且易引起失稳或胀破。脹形初始壓力是整个脹形的关键, 壓力太小, 脹形速度很慢, 甚至脹不動; 壓力太大, 造成變形不均勻, 引起破裂。軸向壓力的选择不当对産品质量也有重要影响, 太小引起管壁變薄甚至引起密封不嚴, 漏氣; 太大主要是引起管坯失穩, 形成螺旋狀扭曲。

脹形压力是分阶段加载的。第一步, 給定初始壓力2.0 MPa, 保壓10 min, 開模查看中間部分已經貼模充分, 只有中间与两端的过渡部分脹形量不够; 第二步, 給定壓力4 MPa, 保壓5 min, 此时脹形区由中间向两端延伸, 但還不完全; 第三步,給定壓力6 MPa, 保壓3 min, 此时脹形完全, 基本成形; 第四步, 給定壓力10 MPa, 這一步主要是保證管壁完全貼模, 以防脹形不充分, 由于此时脹形在上一步已完成, 所以即使給定的壓力比較大也不會脹破。

3 結論

( 1) 鎂合金低温下塑性较差, 塑性加工困難,可以通過提高溫度, 在超塑性狀態下進行塑性加工, 成形出複雜的零件。

( 2) 在对鎂合金管超塑脹形成形时, 控制好合理的溫度, 找出最佳的軸向壓力和脹形压力之间的配合关系, 可以得到合格的産品。

( 3) 在本實驗中, 脹形温度340370 , 脹形初始壓力2.02.2 MPa, 軸向壓力1.01.5MPa, 隨著脹形的進行, 脹形压力分阶段加载到10 MPa。成形出的産品壁厚均勻、无减薄现象, 貼模比較充分, 外形尺寸精確, 成品率比較高。

( 4) 在脹形的初始阶段, 軸向壓力对提高脹形质量有明显效果, 在脹形后续阶段,軸壓的作用將明顯降低, 期间脹形压力加载是分阶段进行的。

华利膠木手轮