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河北華利機械配件有限公司

鎂合金手把管精密塑性成形研究

2013/7/5 15:14:59

 

郭雲漢1,陳拂曉2,楊永順2,郭俊卿2

( 1 洛陽秦漢冷鍛有限公司,河南洛陽471003; 2 河南科技大學材料科學與工程學院,河南洛陽471003)

摘要:利用拉伸、壓縮試驗對鑄態AZ91D 鎂合金的應力應變曲線進行了研究。試驗結果表明,鑄態鎂合金在高溫下表現出較低的流變應力,能夠實現塑性加工成形。在優化塑性成形工藝方案基礎上,利用超塑脹形與壓彎工藝進行了鎂合金摩托車手把管塑性加工试验,并成功试制出了合格産品。

關鍵詞:AZ91D; 摩托車手把管; 超塑脹形; 壓彎

鎂是地殼中含量最豐富的元素之一,其豐度居第八位,約占地殼組成的2 5%; 其密度是鋁的2 /3,比強度與比剛度都較高。因其具有質輕、抗震、高阻尼性、高導熱性、抗電磁幹擾和易于回收等優點,日益受到汽車、電子通信、航空航天等領域的青睐。近年來,隨著鎂合金加工技術和價格兩大瓶頸的逐步突破,全球鎂合金用量急劇增長,應用範圍不斷擴大,正成爲繼鋼鐵、鋁合金之後的第三大金屬結構工程材料,被譽爲“21 世紀綠色工程材料”[1]。鎂晶體爲密排六方結構,室溫和低溫塑性較差。目前鎂合金的研究和應用主要集中在鑄造鎂合金,特別是壓鑄鎂合金上,變形鎂合金的研究和應用剛剛起步。鎂合金常溫下塑性較低,但其在特定的組織、變形溫度及變形速率下,具有超塑性變形的能力,可以獲得很高的伸長率和很小的變形抗力,故可以利用其特定溫度下較好的塑性變形能力來實現形狀複雜結構件的成形

2]。筆者在鑄態鎂合金AZ91D 塑性研究的基础上,研究了镁合金大排量摩托車手把管的塑性加工工艺,简要介绍了精密塑性成形技术在镁合金成形中的应用。

1 镁合金摩托車手把管

普通摩托車的手把管( 見圖1a) 由钢管利用塑性弯曲工艺加工,且管件的内、外径保持不变。而在进口等大排量摩托车上多采用镁合金曲管,外形是中间粗、两端细,但壁厚保持同样厚度。其优点是质量轻,不仅能够提高燃油经济性综合指标,而且还可改善车辆的噪音、振动,同时镁合金优异的热变形及能量吸收能力也可大幅提高行驶的安全性能。镁合金摩托車手把管( 見圖1b) 的精密塑性成形采用超塑性脹形與彎曲工藝。其關鍵是: 直管在脹形階段既要實現中間部分的脹形,還要保證壁厚與兩段未變形部分保持一致。

2 AZ91D 應力-應變曲線

鑄態鎂合金AZ91D 單向拉伸試驗在WQ4100其具有恒應變速率拉伸功能。溫度範圍從280 400 ℃,初始應變速率1 × 10 4 1 × 10 1 s 1AZ91D 镁合金應力-應變曲線見圖2 340 ℃时不同应变速率下的應力-應變曲線如图2b 所示。從圖中可以看出,在較高的應變速率( 1 × 10 1 s 1 ) 拉伸時,在開始變形階段,隨著真應變的迅速增加,在達到峰值後迅速下降,未出現超塑性變形所持有的准穩態變形階段; 當應變速率降到1 × 10 4 s 1 時,在變形的開始階段曲線呈現出應變硬化效應,當真應變達到0 15 時,應力應變曲線轉入相對穩態流變階段,此時,合金表現出良好的超塑性,其延伸率達到487%

3 鎂合金手把管精密塑性成形

3 1 镁合金手把管超塑脹形

本試驗裝置由模具、管子密封機構、加熱機構、氣壓脹形機構及液壓輔助機構組成,如圖3 所示。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外形; 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時所需的軸向補縮壓力; 加熱機構由6 根加熱棒組成,提供管子加熱所需的熱源;氣壓脹形機構由一個氣壓缸組成,通過液壓泵向缸內充油壓縮缸內空氣達到脹形需要的一定壓力的氣壓; 液壓輔助機構主要是由油箱、液壓泵、液壓閥等組成的可控油路,按照脹形所需完成一定的動作。1) 加載路徑的選擇。影響管材脹形的工藝因素主要是脹形內壓和軸向壓力的匹配關系。根據理論計算和DYNAFORM 數值模擬結果,由于軸向壓力的取值範圍很小,在軸向壓力爲1 5 MPa 時,設計了4 條加載路徑,如圖4 所示。結果表明,在加載路徑4 的加載條件下,脹形後管材沿軸線厚度變化最小,且壁厚沿軸線變化誤差爲1 4%

2) 成形過程。模具( 15) 加熱到特定溫度後,把預熱好的鎂合金直管( 6) 放入模具型腔中,合模並給于一定的壓力F; 液壓缸( 38) 推動堵頭( 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; 向氣壓缸( 4) 內充油,達到一定的壓力、保壓,使管子脹形並與模腔充分貼合。最後,卸除氣壓缸壓力,堵頭後退,鎂合金直管脹形完成。

本試驗裝置中,將液壓壓力轉換爲氣壓壓力的關鍵部分就是氣缸( 4) ,當液壓油進入氣缸時壓縮空氣、氣缸與模具內的管材內腔通過堵頭連通,進而使管材內腔産生高壓,促使管材脹形。

3) 模具加热机构。镁合金管材超塑脹形时,模具必须加热到超塑性温度。加热装置放在上下模中,热源是六根加热棒,每根长1 200 mm,功率1 000W。模具上打有深孔,插入熱電偶測溫,用可控矽溫控儀控溫。

4) 密封裝置設計。管端密封是保持脹形壓力的關鍵。本工藝采用的密封形式是錐台形沖頭壓入法,這種密封方式具有密封效果好、生産效率高、便于操作等優點。考慮到本試驗采用的脹形壓力介質爲氣體,對密封有更嚴格的要求,可以對密封堵頭工作部分做鍍硬鉻處理,然後抛光。試驗過程也證明了這種密封方法的有效性。

5) 液壓系統設計。液壓系統( 液壓機本身的液壓系統除外) 的作用主要是: 通過液壓/氣壓轉換裝置提供脹形所需的內壓力; 通過一定的動作提供脹形時管材兩端所需的軸向壓縮力及管端的密封以防止漏氣。

3 2 镁合金手把管壓彎成形

镁合金摩托車手把管胀形完成后,进入弯曲成形阶段。由于弯曲精度和外观质量要求较高,经过对摩托車手把管形状的综合分析,最终选用壓彎的方法成形,即在液压机上利用模具对管坯进行弯曲的加工方法。该法工艺简单,尺寸精确。把胀形后的直管放入模具中弯曲出两个外弧,再弯曲出两个内弧。由于镁合金在室温下塑性较差,弯曲时易出现裂纹或折断现象,弯曲前应对镁合金管先进行加热,加热温度可在180 250 ℃。镁合金摩托車手把管精密塑性成形産品如图5 所示。

4 結論

鎂合金雖然在室溫下塑性較低,塑性加工能力較差,但在350 450 ℃时塑性明显提高,适宜进行塑性成形,可采用精密塑性成形技术对镁合金産品进行塑性加工。

采用超塑脹形、壓彎工艺可实现对铸态AZ91D镁合金摩托車手把管的塑性加工。经胀形的镁合金Fig 5 Motorcycle Handlebar after Bulging Bending管在180 250 ℃温度条件下二次弯曲,得到了合格的摩托車手把管,过渡均匀光滑,弯曲处没有裂纹或折断现象。但胀形阶段的温度、轴向压力和胀形压力之间的配合需进一步研究。

 

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