变形镁合金板材拉深成形实验研究

论文摘要

镁合金作为新型轻合金材料越来越得到人们的关注,它具有密度低、比强度和比刚度高、抗震及减震性强、电磁屏蔽效果优异及易于回收等一系列优点。镁合金在电子、汽车、航空和航天等领域具有广阔的应用前景,被誉为是21世纪最具发展前途的金属材料。研究镁合金板成形规律、镁合金板热成形工艺技术对于实现镁合金板加工的实用化和产业化具有重要的现实意义和经济价值。变形镁合金比铸造镁合金晶粒细小,成分偏析低,具有较好的强度和塑性,是性能优良的镁合金。但是,由于镁为密排六方结构,塑性变形能力差,加工成品率低,制约了其应用。当加热到一定温度,使板材处于热塑性变形状态下其加工硬化过程不断被回复、再结晶过程所抵消。这样,镁合金板材处于一种低强度、高塑性的软化状态,成形性能会得到明显的改善。本文的主要目的就是研究变形镁合金的拉深工艺性能,改善其成形能力,从而扩展其应用范围。本课题选取冲压工艺中较为广泛应用的拉深工艺作为主要研究方向,选择目前应用最多和性能优异的变形镁合金AZ31,通过筒形件加热拉深试验,探索镁合金板料拉深成形工艺中的各项参数对成形性能的影响。设计并加工了镁合金板料拉深成形实验的模具。把凸模、凹模和压边圈等重要的工作零件设计成分体结构或活件结构,对于今后实验中的试模修模及各种调整将会有很大的便利。设计了一套模具加热装置。采用专用的加热炉可以保证对板料温度的精确控制,并防止板材加热过程中的氧化。模具加热采用在受热零件中加入加热棒进行加热的方式,并可通过在电路中设置交流接触器和数字温控仪实现对加热温度的设定和控制。压边力是拉深成形中很重要的工艺参数,本文对压边力提出了三种不同的提供方式,通过实验选择了较为合理的一种,并在此后的实验中作了进一步完善。采用了两种压边力大小的计算方式,并在试验中各自进行了验证。为今后镁合金板材拉深工艺的设计提供了一定的依据。温度是镁合金板材成形中重要的影响因素。本文通过试验归纳了加热状态下镁合金板材的成形特点,对其主要缺陷形式的特征及成因进行了分析,研究了加热使其塑性改善的表现和原因。阐明了温度对其成形性能的影响主要是在高温下激活了非基面的滑移系,滑移系的增加使滑移变得容易,从而使材料表现出了较好的塑性成形性能。初步探索了适于镁合金板材拉深成形的温度范围,认为在180℃～240℃范围内成形效果较好。模具结构参数对镁合金板材的塑性成形有重要影响。它包括凸模及凹模的圆角半径,凸、凹模间隙等。在凸模和凹模圆角半径分别为5mm和10mm的条件下做了试验并进行对比。选择了容易成形的圆角半径范围。对凸、凹模单边间隙的范围进行了探讨。选择了较合理的单边间隙。板材拉深实验的成形速度对成形效果也有很关键的影响。对此进行了初步探讨,认为在探索性试验的阶段,应该尽量采取较慢的成形速度,以防止材料破裂。因此选择液压机作为成形设备,并采用较合理的操作方式保证其顺利成形。分析了拉深过程中的摩擦和润滑特征,选用了两种适应于镁合金板料拉深成形的润滑剂,并对润滑部位的选择进行了分析。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 引言
• 1.1 金属镁及其合金的特性
• 1.2 镁合金的应用
• 1.3 镁合金的牌号及分类
• 1.3.1 镁合金的牌号
• 1.3.2 镁合金的分类
• 1.4 镁合金的塑性变形机理
• 1.4.1 镁合金的晶体结构与位错特征
• 1.4.2 镁合金中的独立滑移系
• 1.4.3 影响镁合金滑移的主要因素
• 1.4.4 镁合金的孪生
• 1.4.5 影响镁合金孪生的主要因素
• 1.5 镁合金板料成形的国内外研究现状
• 1.5.1 材料性能参数对冲压成形的影响
• 1.5.2 成形工艺参数对镁合金拉深性能的影响
• 1.6 本文的研究意义
• 1.7 本文的主要研究内容
• 第二章 拉深实验准备及模具设计
• 2.1 实验前期准备
• 2.1.1 实验目的
• 2.1.2 实验材料
• 2.1.3 设备选择
• 2.2 拉深模具设计计算
• 2.2.1 凸、凹模间隙
• 2.2.2 凸、凹模工作部分尺寸及公差
• 2.2.3 凸、凹模圆角半径
• 2.2.4 凸、凹模厚度
• 2.2.5 凸、凹模的分块结构
• 2.2.6 凹模与凹模套环、凸模与凸模固定块的配合尺寸及精度
• 2.2.7 压边圈尺寸设计
• 2.2.8 弹簧顶料机构
• 2.3 模具装配图
• 2.4 本章小结
• 第三章 拉深实验加热装置
• 引言
• 3.1 板料加热方法
• 3.2 模具加热装置
• 3.2.1 加热功率计算
• 3.2.2 加热系统设计
• 3.3 本章小结
• 第四章 镁合金板料冷拉深实验
• 4.1 实验过程及实验结果记录
• 4.1.1 φ90mm试片冷拉深实验
• 4.1.2 φ55mm试片冷拉深实验
• 4.2 实验结果初步分析
• 4.2.1 大多数试片冲压深度太浅
• 4.2.2 破裂形式和原因
• 4.2.3 筒底外缘存在的径向裂痕
• 4.2.4 凹模圆角处的压痕
• 4.2.5 法兰细微起皱
• 4.3 材料轧制状态对拉深成形的影响
• 4.4 压边方式及压边力对成形的影响
• 4.4.1 压边方式及实现方法
• 4.4.2 初始的压边力计算方法及试验验证
• 4.5 试片中心孔的作用
• 4.6 成形速度及设备的选择
• 4.7 本章小结
• 第五章 镁合金板料热拉深实验
• 5.1 对模具的修改
• 5.2 加热实验过程及现场记录
• 5.2.1 实验安排
• 5.2.2 实验记录
• 5.2.3 试片破裂形式和原因的分析
• 5.3 压边力的计算方法验证
• 5.3.1 压边力的重新计算
• 5.3.2 关于改变压边力加载路径的设想和试验
• 5.4 成形温度对拉深过程的影响
• 5.4.1 温度对镁合金板料塑性的影响机理
• 5.4.2 镁合金塑性成形温度研究
• 5.4.3 实验结果分析
• 5.5 模具圆角半径对板料成形的影响
• 5.5.1 模具圆角半径的影响分析
• 5.5.2 实验验证及分析
• 5.6 模具间隙对板料成形的影响
• 5.7 摩擦力及润滑剂的选用
• 5.7.1 摩擦的作用及润滑的必要性
• 5.7.2 润滑剂的选择
• 5.7.3 润滑部位的确定及分析
• 5.8 改进的加热拉深实验
• 5.9 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间完成的论文
• 攻读硕士学位期间参与的科研项目
• 学位论文评阅及答辩情况表