周淑容

（四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程系，四川 遂寧 629000）

鎂合金是目前發(fā)現(xiàn)的最輕的合金材料之一，具有高強(qiáng)度、良好的散熱性、導(dǎo)電性，以及優(yōu)良的減震性能和機(jī)加工性能。關(guān)鍵它還能100%的被回收再利用，因此應(yīng)用特別廣泛[1-5]。

但鎂合金在室溫下的成形性能很差，當(dāng)板料拉深到一定程度的時候很容易出現(xiàn)破裂[6]。所以，為提高鎂合金的應(yīng)用性，人們開始探索怎樣提高其塑性加工能力。

隨著研究的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高，大多數(shù)變形鎂合金的抗拉強(qiáng)度以及屈服強(qiáng)度急劇下降，伸長率卻顯著增加。所以，人們開始思考在加熱條件下，采用板料成形方法來加工鎂合金，是否能提高其應(yīng)用性能？

本文采用圓筒形件來做AZ31B 鎂合金冷熱沖壓實(shí)驗(yàn)，采用有限元模擬的結(jié)果，解釋熱沖壓在塑性變形中所起的作用，引出對鎂合金進(jìn)行熱沖壓的必要性和重要性，分析在冷熱沖壓中板料厚度的變化規(guī)律、應(yīng)力應(yīng)變的分布等異同。

1 圓筒形件有限元模擬實(shí)驗(yàn)

1.1 模型建立

模型如圖1.1（a）所示，料厚為1mm。由于該模型為對稱模型，所以只需創(chuàng)建其1/4，即可滿足實(shí)驗(yàn)要求，如圖1.1（b）所示。

圖1.1 圓筒形件CAD 模型

圖1.2 所示為AZ31B 鎂合金圓筒形件模型，將其導(dǎo)入到pam-stamp 中采用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分。

圖1.2 有限元模型

1.2 AZ31B 材料模型的建立

在本次試驗(yàn)中采用Hill48 材料的屈服準(zhǔn)則[7]，其屈服函數(shù)是：

其中：F、G、H、N 是與材料各向異性參數(shù)相關(guān)的系數(shù)，當(dāng)F=G=1，N=3 時就等同于Mised 屈服準(zhǔn)則。Hill48 準(zhǔn)則是最簡單的一種各向異性材料模型，與其相關(guān)的材料參數(shù)主要是：

其中：R11=1；

在pam-stamp 中建立AZ31B 鎂合金材料模型，其中彈性模量450GPa，泊松比0.35，密度1.77kg/m^3，熱容系數(shù)3.6476×108J/Kg.℃。

1.3 條件設(shè)置

（1）設(shè)定模具和板料在熱沖壓條件下的溫度及屬性。冷沖壓板料及模具的溫度都為室溫25℃，如表1-2 所示：

表1-2 板料及模具的溫度和屬性的設(shè)定

（2）壓邊圈壓邊力和沖頭運(yùn)動速度設(shè)定,如表1-3 所示。

表1-3 壓邊力和沖壓速度

（3）設(shè)定邊界條件：由于我們只選擇了模型的1/4 作為實(shí)驗(yàn)，所以在設(shè)定邊界條件時需對模型的對稱面施加約束。

（4）Inter-Object（接觸）關(guān)系設(shè)置：設(shè)定接觸關(guān)系主要是為了確定模型動作部分的主從關(guān)系。在設(shè)定過程中，模具各零部件之間的間隙取1.1 倍板料厚度，模型因數(shù)取0.12。

（5）將修改好的.PSP 文件，運(yùn)用pam-stamp 中的LAUNCHER 中的求解器求解計(jì)算，計(jì)算結(jié)果保存為res 文件格式。

2 圓筒形件冷熱沖壓有限元模擬實(shí)驗(yàn)對比

2.1 板料厚度分布對比

圖1.3 為板料厚度的對比圖。圖（a）為冷沖壓時板料厚度變化的模擬結(jié)果。從（a）圖中我們可以發(fā)現(xiàn)，在側(cè)壁上的板料變薄非常嚴(yán)重，其最小板料厚度值幾乎接近0。從這個實(shí)驗(yàn)我們可以看出，AZ31B鎂合金在室溫下成形性能較差；圖（b）為溫度在2500C 沖壓時，用有限元模擬其板料厚度變化的結(jié)果，取點(diǎn)區(qū)域與冷沖壓時相同，也是從筒底區(qū)到凸緣區(qū)，在此區(qū)域取11 個點(diǎn)，做出板料厚度變化曲線。從（b）圖中我們可以得出，在側(cè)壁上的板料厚度值變化不大，最小直徑將近0.84mm。

通過板料在冷熱沖壓時，板料厚度變化曲線的對比，我們可以知道，AZ31B 鎂合金通過熱沖壓成形可以大大提高板料塑性，增加其延伸率，從而使拉深過程中側(cè)壁處的板料厚度可以保持在0.84mm 左右。

圖1.3 冷熱沖壓板料厚度變化對比

2.2 沖壓力分析對比

圖1.4 所示為AZ31B 鎂合金在冷熱沖壓過程中沖頭受力情況變化圖。從圖中我們發(fā)現(xiàn)：

區(qū)別一、在冷沖壓過程中，最大沖壓力約為20KN；而在熱沖壓成形中，沖頭最大的沖壓力僅為3.2KN，約為冷沖壓沖壓力的1/6。由此可知，采用熱沖壓成形AZ31B 鎂合金，可以大大降低壓力機(jī)噸位要求，從而達(dá)到節(jié)約能源，降低成本的目的。

區(qū)別二、熱沖壓成形過程中，沖頭的沖壓力在整個沖壓過程中都比較平穩(wěn)，這從另一方面證明了該模型在熱沖壓成形的過程中板料變化比較平穩(wěn)，材料的塑性變形能力在加熱的情況下得到了很大的改善；而冷沖壓成形過程中沖頭沖壓力的變化比較劇烈，在0～1.8s 之間從0 KN 增加到了20KN。這是由于AZ31B 鎂合金在室溫下塑性變形能力差，從而使得沖壓力在短時間內(nèi)劇烈的增加。在1.8s 之后，冷沖壓過程中的沖壓力直線下降，這是由于板料減薄十分嚴(yán)重，沖頭往下運(yùn)動的時候沒有阻力，因而沖壓力明顯減小。

圖1.4 冷熱沖壓沖壓力

2.3 主應(yīng)變對比

圖1.5 為模型拉深深度為16mm 時冷、熱沖壓主應(yīng)變分布對比圖。從圖中可以得出，冷沖壓時，側(cè)壁上的主應(yīng)變約為0.3，說明板料側(cè)壁的變化量較大；熱沖壓時，在側(cè)壁上的主應(yīng)變變化不大，最大值約為0.1，說明板料在熱沖壓成形過程中應(yīng)變小，板料的延伸率得到了很大的改善。在冷沖壓時，相同板料在拉深到16mm 時，即出現(xiàn)材料減薄的情況，而在熱沖壓時，當(dāng)材料拉深到30mm 時，材料仍未出現(xiàn)明顯減薄情況。

圖1.5 拉深深度為16mm 冷熱沖壓主應(yīng)變分布對比

3 結(jié)語

綜上所述，AZ31B 鎂合金在室溫下的成形性能很差，在室溫下拉深時，材料減薄嚴(yán)重，容易出現(xiàn)拉深裂紋的質(zhì)量缺陷，拉深件高度受到一定的限制。隨著溫度的提高，AZ31B 鎂合金應(yīng)力降低，延伸率增大其成形性能得到了極大的改善，另外，隨著溫度的上升，其需要的沖壓力也大大降低，從而能夠降低壓力機(jī)的噸位要求，實(shí)現(xiàn)節(jié)能，降低了成本。