AZ31B鎂合金板材電致塑性漸進(jìn)成形研究.pdf

1、作為21世紀(jì)的“朝陽金屬”，鎂合金具有低密度、高比強(qiáng)度/剛度、強(qiáng)阻尼、易回收等諸多優(yōu)點(diǎn)，有著非常廣闊的發(fā)展前景。近年來，結(jié)構(gòu)輕量化和環(huán)境保護(hù)需求的加劇，更加促進(jìn)了鎂合金在航空航天、交通運(yùn)輸、電子通訊等制造業(yè)領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。然而，鎂合金晶格的密排六方結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其室溫延展性較差，嚴(yán)重制約了鎂合金的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。板材漸進(jìn)成形作為一種柔性近凈成形加工工藝，通過對(duì)板材逐次局部成形代替整體成形以提高板材成形性能，是當(dāng)今先進(jìn)制造技術(shù)的重要發(fā)展方向之一。作

2、為高能量場(chǎng)在塑性成形中的應(yīng)用，電致塑性效應(yīng)能夠顯著提高難成形材料的成形性能，被廣泛關(guān)注，但其電流密度閾值要求高，限制了其應(yīng)用。單點(diǎn)漸進(jìn)成形工藝中，工具頭與板材接觸面積小，能有效滿足電致塑性高電流密度閾值的要求。電致塑性效應(yīng)與漸進(jìn)成形技術(shù)的結(jié)合，能夠顯著提高鎂合金板材的成形性能和制件成形質(zhì)量，推動(dòng)鎂合金成形工藝的發(fā)展，具有重要的理論意義與工程價(jià)值。
　　本文以提高鎂合金板材成形性能為目的，將電致塑性效應(yīng)引入板材漸進(jìn)成形工藝，提出鎂合

3、金板材電致塑性漸進(jìn)成形技術(shù)，并對(duì)其成形工藝、成形機(jī)理以及電致塑性效應(yīng)作用機(jī)制進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究與機(jī)理分析，主要工作和研究成果如下:
　　(1)提出了鎂合金板材電致塑性漸進(jìn)成形方法，論證了其可行性與技術(shù)優(yōu)勢(shì)。基于理論分析，對(duì)成形系統(tǒng)進(jìn)行自主設(shè)計(jì)研究，搭建了電致塑性漸進(jìn)成形實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。針對(duì)具體工況，對(duì)成形過程摩擦機(jī)理進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究與理論分析，研究結(jié)果表明，電致塑性漸進(jìn)成形摩擦方式為載流混合摩擦，二硫化鉬涂層是其較理想潤(rùn)滑劑，在實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定導(dǎo)電的前

4、提下能起到良好的潤(rùn)滑作用。結(jié)合具體實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)成形實(shí)施過程和成形質(zhì)量控制進(jìn)行了理論分析，為后續(xù)試驗(yàn)研究提供了理論指導(dǎo)。
　　(2)基于響應(yīng)曲面分析方法，研究了電致塑性漸進(jìn)成形各關(guān)鍵工藝參數(shù)對(duì)板材成形性能的影響規(guī)律及顯著性。研究結(jié)果表明，電脈沖參數(shù)對(duì)板材成形極限有著最顯著的影響，隨著電脈沖參數(shù)的增加，板材成形極限明顯增大;進(jìn)給速率和層間步進(jìn)量均與成形極限響應(yīng)值呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，且顯著性水平相近，工具頭直徑對(duì)板材成形極限無顯著影響;電脈沖

5、參數(shù)與進(jìn)給速率/工具頭直徑、進(jìn)給速率和層間步進(jìn)量存在較顯著的交互作用。基于正交試驗(yàn)，研究了電致塑性漸進(jìn)成形工藝參數(shù)對(duì)制件成形幾何精度和表面硬度的影響規(guī)律及顯著性。研究結(jié)果表明，電脈沖參數(shù)是制件成形精度的最顯著影響因素，隨著電脈沖參數(shù)增加，制件幾何精度明顯提高;較低的進(jìn)給速率、合適尺寸的中等層間步進(jìn)量與工具頭直徑可明顯減小制件成形高度誤差，而較小的工具頭直徑可導(dǎo)致斜壁過多彈性變形積累，明顯增大成形回彈角度;對(duì)于制件表面硬度，只有選擇合適尺

6、寸的中等工具頭直徑時(shí)可見其較明顯提高，其他因素對(duì)其無顯著影響。經(jīng)綜合分析，選取電脈沖參數(shù)、進(jìn)給速率、層間步進(jìn)量和工具頭直徑分別為80V/400Hz、800mm/min、0.2mm和8mm的參數(shù)組合時(shí)，板材成形性能和制件成形質(zhì)量較好。相對(duì)室溫不加電漸進(jìn)成形，此工藝參數(shù)下的電致塑性漸進(jìn)成形可大幅提高鎂合金板材成形能力。
　　(3)基于成形工藝研究結(jié)果，選擇合理成形參數(shù)，開展了電致塑性漸進(jìn)成形實(shí)驗(yàn)，結(jié)合理論分析，從成形過程溫度、成形力、

7、應(yīng)變狀態(tài)三方面對(duì)電致塑性漸進(jìn)成形機(jī)理進(jìn)行了研究。成形溫度研究結(jié)果表明，成形板材定點(diǎn)溫度由工具頭實(shí)時(shí)位置與工具頭實(shí)時(shí)溫度決定，僅在該點(diǎn)處于當(dāng)前成形區(qū)附近時(shí)溫度較高，且高溫階段持續(xù)時(shí)間很短;成形溫升速率受電脈沖參數(shù)、工具頭直徑、制件成形角度影響，與進(jìn)給速率和層間步進(jìn)量無關(guān)，與電流值呈正相關(guān)，與工具頭尺寸和制件成形角度呈負(fù)相關(guān)。成形力研究表明，板材軸向成形力隨加工深度增加，先逐漸增大，后逐漸趨于穩(wěn)定，最后在電脈沖持續(xù)作用下呈現(xiàn)出降低趨勢(shì);橫向

8、成形力只在工具頭運(yùn)動(dòng)軌跡的切向產(chǎn)生，無徑向力存在，因此，橫向力在X，Y方向的分力隨工具頭圓周運(yùn)動(dòng)過程呈正弦規(guī)律交替變化且總相差π/2相位;電脈沖參數(shù)、層間步進(jìn)量以及成形角度是影響成形力的較顯著因素，其次是進(jìn)給速率，工具頭直徑對(duì)成形力影響不顯著;最大軸向力與電脈沖參數(shù)變化呈負(fù)相關(guān)，與進(jìn)給速率、層間步進(jìn)量、工具頭直徑以及成形角度成正相關(guān)。通過試驗(yàn)手段獲取了成形板材不同加載路徑下的應(yīng)變場(chǎng)分布以及極限應(yīng)變點(diǎn)的應(yīng)變歷史，研究結(jié)果表明，漸進(jìn)成形過程

9、板材成形區(qū)應(yīng)變歷史為快速急劇變形過程，對(duì)于方錐臺(tái)形件模型直線加載區(qū)域，其應(yīng)變狀態(tài)基本為平面應(yīng)變，而圓錐臺(tái)形件模型為圓周加載，其應(yīng)變狀態(tài)向雙向拉伸形式發(fā)展;較優(yōu)參數(shù)下的電致塑性漸進(jìn)成形可使鎂合金板材達(dá)到很高的成形極限。
　　(4)基于控制電脈沖參數(shù)的漸進(jìn)成形試驗(yàn)和單向拉伸試驗(yàn)，研究了不同電脈沖參數(shù)對(duì)鎂合金電致塑性效應(yīng)的影響規(guī)律，并結(jié)合理論模型，對(duì)電致塑性效應(yīng)模式進(jìn)行了分析。研究結(jié)果表明，鎂合金板材的電致塑性效應(yīng)主要取決于脈沖有效值電

10、流密度，隨著脈沖有效值電流密度的增加，板材漸進(jìn)成形性能明顯提高。對(duì)于電致塑性單拉變形，板材流動(dòng)應(yīng)力隨脈沖有效值電流密度的增加逐漸降低，而板材的斷裂延伸率在達(dá)到一定值后不再增加，甚至呈現(xiàn)出降低趨勢(shì)，表明鎂合金板材的電致塑性拉伸變形存在一個(gè)最優(yōu)電脈沖參數(shù)范圍。另外，脈沖有效值電流密度對(duì)電致塑性效應(yīng)的決定作用，以及各工藝參數(shù)與電流密度的關(guān)系，是引發(fā)各工藝參數(shù)對(duì)電致塑性效應(yīng)存在交互影響作用的原因。電致塑性效應(yīng)存在非熱效應(yīng)，且其大小由脈沖峰值電流

11、密度決定。在脈沖有效值電流密度相同或相近時(shí)，具有高峰值電流密度的電脈沖能產(chǎn)生更加顯著的電致塑性效應(yīng)。電致塑性存在閾值效應(yīng)，當(dāng)脈沖有效值電流密度低于閾值時(shí)，板材成形性能隨脈沖有效值電流密度變化較小，電致塑性效應(yīng)不明顯，而當(dāng)其高過閾值后，電致塑性效應(yīng)會(huì)顯著增加。
　　(5)針對(duì)電致塑性漸進(jìn)成形制件與電致塑性單拉試樣，開展了微觀組織研究，探討了電脈沖提高鎂合金板材成形性能的微觀機(jī)理。研究結(jié)果表明，電脈沖可降低鎂合金板材動(dòng)態(tài)再結(jié)晶溫度，加

12、速動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過程，同時(shí)，可抑制斷裂孔洞的產(chǎn)生，從而提高鎂合金板材成形性能。電致塑性漸進(jìn)成形過程快速加熱、高溫持續(xù)時(shí)間短的特點(diǎn)，抑制了晶粒長(zhǎng)大，促進(jìn)鎂合金超細(xì)等軸晶粒的產(chǎn)生，為晶界滑移創(chuàng)造了先決條件，促使晶界滑移在較低溫度下發(fā)生。電致塑性拉伸變形過程中，大參數(shù)電脈沖可引發(fā)縮頸變形區(qū)瞬間高溫，使材料發(fā)生逆共晶反應(yīng)（α+β=L），從而在材料內(nèi)部變形區(qū)引發(fā)一定量液相的產(chǎn)生。合適數(shù)量的液相可優(yōu)化材料變形機(jī)制，使材料延展性提高，但當(dāng)液相數(shù)量過多時(shí)，