鎂合金摩托車手把管超塑脹形工藝研究

王建甫, 楊永順, 李學烤, 劉祎冉

( 河南科技大學材料科學與工程學院, 河南洛陽471003)

摘要: 設計了一套鎂合金管材脹形成形裝置, 對鎂合金摩托車手把管的超塑性脹形成形進行了實驗研究, 并通過實驗確定了鎂合金管超塑脹形的成形工藝。其主要工藝參數為: 成形溫度340～370 ℃, 脹形初始壓力2.0～2.2MPa, 軸向壓力1.0～1.5 MPa, 隨著脹形的進行, 脹形壓力分階段逐步加載到10 MPa。在此工藝條件下, 成形出的管子尺寸精度高, 壁厚均勻, 無減薄現象。用超塑性脹形技術提高了鎂合金的塑性成形能力, 并實現了摩托車手把管的精密成形, 提高了材料利用率, 降低了成本。

關鍵詞: 管; 脹形; 鎂合金; 超塑性

目前, 鎂合金的研究及應用引起了世界各國的重視, 鎂合金消費量在全球呈持續高速增長趨勢。鎂合金具有密度小, 比強度、比剛度高, 阻尼減震性、切削加工性、導熱性好, 電磁屏蔽能力強,鑄造性能和尺寸穩定性好等優點, 同時, 鎂資源很豐富, 且鎂合金產品易于回收利用, 具有環保特性。因此, 鎂合金被譽為“21 世紀綠色工程材料”,近些年來在汽車工業、航空航天、電子工業等領域的應用迅速增加, 發展前景看好[1-2]。

鎂合金是密排六方結構, 滑移系少, 在常溫下其塑性較低, 成形性能差。因此大多數鎂合金制品都是用鑄造(壓鑄、熔鑄等)方法成形[3-5], 而用擠壓、軋制、鍛造等塑性成形方法[6]加工的鎂合金制品很少。鎂合金摩托車手把具有質量輕, 吸振性好, 增加了騎乘的舒適性, 但是像某型號摩托車手把管這樣的鎂合金產品, 因其形狀復雜, 目前還沒有采用塑性方法生產。目前國內摩托車手把管基本上采用傳統的鋼管彎曲而成, 存在質量大、吸振性差等缺點。

采用超塑性氣脹成形技術可在一定溫度下獲得優良的塑性成形能力, 從而成形結構復雜的鎂合金零件[7]。本文主要介紹了利用超塑性脹形的方法實現鎂合金摩托車手把管的精密塑性成形, 管子截面尺寸可沿軸線方向逐漸變化, 在模具內一次成形。其特點是所需設備簡單, 無需大型專用設備、成形精度高、材料利用率高、操作簡便、成本低。

1 實驗

1.1 實驗設備及材料

實驗設備采用YX32-315 液壓機( 公稱壓力為3 150 kN) , 鎂合金管超塑脹形實驗裝置及鎂合金管坯預熱爐各一套。實驗用鎂合金管坯為AZ91D, 內徑14 mm, 外徑22 mm, 長965 mm。脹形后保持管子厚度基本不變, 中間段外徑最大, 為28 mm, 最大外徑與兩端外徑均勻過渡。

1.2 超塑脹形實驗裝置及脹形方法

本實驗裝置由模具、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。模具由上模1、下模5 組成, 主要提供管坯的脹形模腔,使管子精密成形為所需形狀; 管子密封機構由堵頭2、7 和控制堵頭的液壓缸3、8 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, 上、下模各裝3 根,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油箱、液壓泵、液壓閥等組成的可控油路, 按照所需完成一定的動作。具體操作過程是: 第一步, 把模具1、5 加熱到特定溫度, 然后把在爐中預熱好的鎂合金管6 放入模具型腔中, 合模并給于一定的壓力F。第二步, 在液壓缸3、8 推動下使堵頭2、7 前進, 使堵頭密封管子兩端并給管子兩端施加一定的壓力。第三步, 向氣壓缸4 內充油, 達到一定的壓力, 保壓一定的時間, 使管子脹形并與模腔充分貼合。第四步, 卸掉氣壓缸壓力, 堵頭后退, 取出管子, 放入下一根預熱好的管坯, 開始新的脹形過程。

1.3 工藝參數選擇

1.3.1 脹形溫度

鎂晶體為密排六方結構, 鎂基體的獨立滑移系少, 它的滑移系統只有基面滑移和錐面孿生, 共5 個滑移系, 即3 個幾何滑移系和兩個獨立滑移系, 室溫和低溫塑性較差, 但當變形溫度大于200℃時, 可以使鎂合金的滑移系增多, 鎂合金的塑性加工能力有明顯的提高。鎂合金對變形時的應變速率有很高的敏感性, 當高速變形時, 很容易引起鎂合金的開裂。因此, 為了保證脹形的成品率, 對其超塑性成形很有必要。

為了確定鎂合金擠壓管坯的超塑性溫度區間, 沿管坯軸向線切割加工出“工”字形薄片拉伸試樣, 在280～400 ℃之間以v=6 mm/min 的恒速度做超塑性拉伸試驗, 每個試樣的保溫時間為20min, 溫度間隔是30 ℃, 圖2 為拉伸后的拉伸力-伸長量曲線圖。

從圖中可以看到, 隨著溫度的升高, AZ91D鎂合金的伸長率不斷增加, 從310 ℃開始AZ91D鎂合金表現出超塑性, 繼續升溫至340 ℃, 最大伸長率達到了161%。當溫度繼續增至370 ℃和400 ℃, 由于高溫氧化的作用, AZ91D 鎂合金的伸長率逐降到115%和105%, 伸長率隨溫度的這種非單調變化表明340 ℃是AZ91D 鎂合金超塑性變形的最佳溫度。在實驗中取310～370 ℃作為鎂合金管的脹形溫度。

1.3.2 初始壓力選擇

初始內壓是超塑脹形成形工藝的重要參數,該值選取的是否合適直接決定了脹形過程的成敗。對于本文的鎂合金管脹形來說, 初始脹形徑向沒有束縛, 為了保證管子不被脹破, 在管坯能夠變形屈服的情況下, 其初始內壓的選擇應盡量低一點.

1.3.3 軸向補縮壓力

軸向補縮是管子脹形工藝中又一個需要考慮的重要因素。根據設計要求, 脹形后的管子壁厚要求基本不變, 為了保證脹形后壁厚無減薄, 必須給于合理的軸向壓力。軸向壓力的給定需要考慮管子兩端與模具的摩擦力及維持管子塑性變形時所需的軸壓力, 同時還要滿足密封要求。

1.3.4 密封

管端密封在脹形過程中是保持脹形壓力的關鍵。采用的密封形式是錐臺形沖頭壓入法, 這種密封方式具有密封效果好、生產效率高、便于操作等優點?？紤]到本實驗采用的脹形壓力介質為氣體,對密封有更嚴格的要求, 需對密封堵頭工作部分做鍍硬鉻處理, 然后拋光。在實驗過程中也證明這種密封方法是很有效的。

2 實驗結果及分析

經過反復實驗, 最終得到合適的工藝參數: 脹形溫度340～370 ℃ , 脹形初始壓力2.0 ～2.2MPa, 軸向壓力1.0～1.5 MPa。在此工藝參數下,生產出了合格的產品( 見圖3) 。

壓力等工藝參數對產品質量都有影響。溫度太低, 脹形比較困難, 引起初始脹形壓力變大, 初始變形壓力的變大, 由于變形過程不是理想的均勻變形, 管坯的局部就會脹形過快, 出現破裂; 溫度太高, 鎂合金氧化嚴重且易引起失穩或脹破。脹形初始壓力是整個脹形的關鍵, 壓力太小, 脹形速度很慢, 甚至脹不動; 壓力太大, 造成變形不均勻, 引起破裂。軸向壓力的選擇不當對產品質量也有重要影響, 太小引起管壁變薄甚至引起密封不嚴, 漏氣; 太大主要是引起管坯失穩, 形成螺旋狀扭曲。

脹形壓力是分階段加載的。第一步, 給定初始壓力2.0 MPa, 保壓10 min, 開模查看中間部分已經貼模充分, 只有中間與兩端的過渡部分脹形量不夠; 第二步, 給定壓力4 MPa, 保壓5 min, 此時脹形區由中間向兩端延伸, 但還不完全; 第三步,給定壓力6 MPa, 保壓3 min, 此時脹形完全, 基本成形; 第四步, 給定壓力10 MPa, 這一步主要是保證管壁完全貼模, 以防脹形不充分, 由于此時脹形在上一步已完成, 所以即使給定的壓力比較大也不會脹破。

3 結論

( 1) 鎂合金低溫下塑性較差, 塑性加工困難,可以通過提高溫度, 在超塑性狀態下進行塑性加工, 成形出復雜的零件。

( 2) 在對鎂合金管超塑脹形成形時, 控制好合理的溫度, 找出最佳的軸向壓力和脹形壓力之間的配合關系, 可以得到合格的產品。

( 3) 在本實驗中, 脹形溫度340～370 ℃, 脹形初始壓力2.0～2.2 MPa, 軸向壓力1.0～1.5MPa, 隨著脹形的進行, 脹形壓力分階段加載到10 MPa。成形出的產品壁厚均勻、無減薄現象, 貼模比較充分, 外形尺寸精確, 成品率比較高。

( 4) 在脹形的初始階段, 軸向壓力對提高脹形質量有明顯效果, 在脹形后續階段,軸壓的作用將明顯降低, 期間脹形壓力加載是分階段進行的。