【材料】提高镁合金拉深成形性的途径之工艺改进

镁合金拉深成形性能的提高除了取决于板材性能外，还有对其拉深工艺参数的优化。合理的拉深工艺参数可以有效抑制拉深过程中裂纹的过早出现，提高镁合金板材的拉深成形性。

由于镁合金是密排六方金属，所以基面滑移是镁合金中最易启动的滑移系。在室温下，基面滑移启动需要的临界分剪切应力约为0.5~0.7MPa，且随温度变化不大，柱面和锥面滑移所需的临界分剪切应力大，大约是基面滑移的100倍，且随温度升高急剧下降。当温度升高到573K时，柱面滑移与基面滑移的临界分剪应力CRSS 值相近。随着温度的升高，可以开动的滑移系逐渐增多。因此，在加热的条件下，镁合金具有很好的塑性变形能力。但是，随着温度的升高，镁合金的应变硬化指数n与塑性应变比r均降低，造成镁合金的均匀塑性变形能力变差，在厚度方向应变增大，这些都不利于镁合金的拉深成形。因此，选择合适的拉深温度，对于镁合金的拉深成形至关重要。

DoegeE在研究AZ31B、AZ61B和M1的成形性能时发现，AZ31B在200~250℃具有良好的成形性能，随后ChenFuh-kuo、张凯锋、PalaniswamyH和于彦东、李彩霞等研究温度对镁合金板材拉深性能影响时发现，200℃是AZ31镁合金拉深成形的最佳温度，极限拉深比(LDR)可以达到2.8。由于在拉深的过程中，凸模圆角部分容易发生集中应变，造成镁合金拉深件的过早开裂，为了提高其凸模圆角部分板材的抗变形能力，产生了差温拉深技术。差温拉深是一种利用毛坯法兰部分与凸模圆角部分的温度差，以改变毛坯法兰部分与凸模圆角部分毛坯的屈强比，从而提高拉深极限的方法。

SYoshihara等采用局部加热与冷却的方式，并结合采用变压边力技术，成功拉深出115 mm 深的筒形件，极限拉伸比(LDR)达到5.0，但其板材温度需要加热到400℃，很容易发生氧化，且浪费能源。尹德良在研究镁合金的非等温拉深性能时发现，当板材的温度高于 150℃时，凸模的温度应控制在 50 ~90℃，这样可以得到较大的LDR，并且在板材温度为200℃时得到最大LDR，这样虽然降低了板材的温度，但是同时需要控制凸模的温度，使实验设备更加复杂。HuangTB等通过冷却水控制冲头温度在10~15℃，0.50 mm厚的板材在加热到 200℃时LDR达到2.5，并且可以简化试验设备。因此，通过冷却水控制凸模温度，并选择合适的板材温度，保持合适的温度梯度，得到满足应用要求的拉深比，是研究温度对镁合金拉深性能影响的主要内容。

镁合金板材极限拉深比随温度的变化

Variation of limiting drawing ratio for magnesium alloy sheet with forming temperature

在镁合金的拉深成形过程中，随拉深速度的提高，变形抗力增大，所需的拉深力也相应增大，从而导致变形过程中拉深件所受应力增加，使材料容易破裂，降低材料的极限拉深比。

拉深速度对镁合金拉深性能的影响受温度的制约，GAmbrogio等研究发现拉深速度对镁合金板材拉深性能的影响取决于拉深温度，当温度在 200℃时，随着拉深速度的增加，拉深性能降低，当温度在 250℃和 300℃时，随着速度的增加，拉深性能反而得到提高。苌群峰等在研究镁合金的温热成形性能时发现，在极限拉深温度150℃以上，其拉深性能对拉深速度不太敏感，在极限拉深温度150℃，极限拉深速度15mm/s 时得到LDR为3.0。而RenLM等研究发现镁合金在较高温度时对拉深速度更加敏感，其在150℃时的最大拉深速度为6 mm/min，250℃时的极限拉深速度为120mm/min。当拉深速度较大时，其对LDR的影响逐渐减小。因此，在进行镁合金拉深成形模拟时，必须考虑拉深速度的影响，选择合适的拉深速度，既可以提高镁合金的拉深性能，又可以提高生产效率。

LDR与温度和冲压速度的关系

The relationship among LDR and temperature and punch speed

压边力是影响薄板拉深成形质量的重要因素之一，其大小的控制在拉深成形中具有至关重要的地位。若压边力过小，则容易引起失稳起皱；若压边力过大，则会增大拉深负荷，从而引起拉深件破裂。所以，在拉深成形过程中，采取适当的压边力尤为重要。根据拉深过程中压边力是否变化以及压边方式的不同，可以分为恒定压边力、间隙固定式压边和变压边力等。

当采用固定压边力时，为避免破裂产生，压边力应有相应的最大值；当采用固定间隙压边方式时，c/t=1.05~1.17时（c为压边间隙，t为板材厚度），AZ31板材具有较佳的拉深成形性能，并且随着润滑条件的不同，压边间隙对成形性能的影响也有所不同。据研究，压边力在拉深过程中是随着拉深深度的增加不断变化的。因此，在变形过程中，采用合适的变压边力技术可以有效提高镁合金的拉深性能。SYoshihara等采用变压边力技术使镁合金板材在300℃的LDR从2.09提高到2.14。

Chang Qunfeng 等制定出压边力随拉深深度变化的曲线。采用此种加载方式，把镁合金的LDR从3.0提高到3.5，并使减薄率从15.21%降低到12.35%；

PengYinghong等采用类似的压边力加载方式，使镁合金方形杯件的拉深深度增加了13.2%。

在拉深过程中，板材沿拉深方向受正压力较小，可以将拉深变形板材位于压边圈与凹模部分受到的应力视为平面应力。当板材与模具间的摩擦系数较大时，由于摩擦力而引起的板材径向应力增大，从而导致拉深力增加，会增大已进入凸凹模之间变形后的板材承受的拉应力，使该部分板材易于断裂，因此，在拉深过程中需要使用润滑剂来减小板材与模具间的摩擦，延缓断裂的发生，从而提高镁合金的拉深性能。在选择润滑剂与润滑方式的同时，既要保证达到润滑条件，同时在拉深结束以后，杯件表面的润滑剂容易去除，因此，选择合适的润滑剂，对于镁合金的拉深成形以及成形后处理有重要的影响。

KMori等研究油基润滑剂、二硫化钼、聚四氟乙烯喷剂和聚四氟乙烯板材对镁合金拉深性能的影响，对于油基润滑剂、二硫化钼和聚四氟乙烯喷剂，断裂发生在冲头角处；对于聚四氟乙烯板材，断裂发生在板材的法兰边处，当凸凹模间隙为0.6mm，冲头圆角半径为2mm时，以二硫化钼为润滑剂的板材LDR可以达到1.7，其他的为1.65，表明二硫化钼对镁合金具有更好的润滑性。尹德良等在板料温度为150℃，冲头温度为70℃，拉深速度为0.5mm/s的条件下，研究了肥皂、硅油和水基石墨三种不同润滑剂对镁合金板材拉深性能的影响，结果表明肥皂的润滑效果最好。

模具的凸凹模半径也会影响镁合金的拉深性能。在拉深过程中，若凸模圆角半径Rp过小，则在拉深件底部产生过大的弯曲，使底部材料承受过大的弯曲应力，易引起底部弯曲断裂。凹模圆角半径rd，与Rp类似。Chen Fuhkuo 等在 200℃下研究镁合金AZ31 板材的方形杯件拉深性能，发现随 Rp增加，拉深深度逐渐增大。随着凹模角半径Rc的增大，拉深深度先增大后减小。最佳的凹凸模间隙应该保证零件外轮廓与壁厚在一定的公差范围内，并且在最小的拉深力下，保证零件有良好的表面质量。如果间隙过小，由于变形受限制，容易产生断裂；如果间隙过大，容易起皱。苌群峰等通过实验摸索出AZ31镁合金薄板适宜的拉深间隙为1.2δ，其中δ为板厚；高军等认为合适的凸凹模间隙为1.1δ，两者相差不大。

拉伸深度与凹模圆角半径的关系

Relations between die corner radius and drawing depth