鎂合金手把管精密塑性成形研究

郭云漢1，陳拂曉2，楊永順2，郭俊卿2

( 1． 洛陽秦漢冷鍛有限公司，河南洛陽471003; 2． 河南科技大學材料科學與工程學院，河南洛陽471003)

摘要:利用拉伸、壓縮試驗對鑄態AZ91D 鎂合金的應力應變曲線進行了研究。試驗結果表明，鑄態鎂合金在高溫下表現出較低的流變應力，能夠實現塑性加工成形。在優化塑性成形工藝方案基礎上，利用超塑脹形與壓彎工藝進行了鎂合金摩托車手把管塑性加工試驗，并成功試制出了合格產品。

關鍵詞:AZ91D; 摩托車手把管; 超塑脹形; 壓彎

鎂是地殼中含量最豐富的元素之一，其豐度居第八位，約占地殼組成的2． 5%; 其密度是鋁的2 /3，比強度與比剛度都較高。因其具有質輕、抗震、高阻尼性、高導熱性、抗電磁干擾和易于回收等優點，日益受到汽車、電子通信、航空航天等領域的青睞。近年來，隨著鎂合金加工技術和價格兩大瓶頸的逐步突破，全球鎂合金用量急劇增長，應用范圍不斷擴大，正成為繼鋼鐵、鋁合金之后的第三大金屬結構工程材料，被譽為“21 世紀綠色工程材料”［1］。鎂晶體為密排六方結構，室溫和低溫塑性較差。目前鎂合金的研究和應用主要集中在鑄造鎂合金，特別是壓鑄鎂合金上，變形鎂合金的研究和應用剛剛起步。鎂合金常溫下塑性較低，但其在特定的組織、變形溫度及變形速率下，具有超塑性變形的能力，可以獲得很高的伸長率和很小的變形抗力，故可以利用其特定溫度下較好的塑性變形能力來實現形狀復雜結構件的成形

［2］。筆者在鑄態鎂合金AZ91D 塑性研究的基礎上，研究了鎂合金大排量摩托車手把管的塑性加工工藝，簡要介紹了精密塑性成形技術在鎂合金成形中的應用。

1 鎂合金摩托車手把管

普通摩托車的手把管( 見圖1a) 由鋼管利用塑性彎曲工藝加工，且管件的內、外徑保持不變。而在進口等大排量摩托車上多采用鎂合金曲管，外形是中間粗、兩端細，但壁厚保持同樣厚度。其優點是質量輕，不僅能夠提高燃油經濟性綜合指標，而且還可改善車輛的噪音、振動，同時鎂合金優異的熱變形及能量吸收能力也可大幅提高行駛的安全性能。鎂合金摩托車手把管( 見圖1b) 的精密塑性成形采用超塑性脹形與彎曲工藝。其關鍵是: 直管在脹形階段既要實現中間部分的脹形，還要保證壁厚與兩段未變形部分保持一致。

2 AZ91D 應力－應變曲線

鑄態鎂合金AZ91D 單向拉伸試驗在WQ4100其具有恒應變速率拉伸功能。溫度范圍從280 ～400 ℃，初始應變速率1 × 10 － 4 ～ 1 × 10 － 1 s － 1。AZ91D 鎂合金應力－應變曲線見圖2， 340 ℃時不同應變速率下的應力－應變曲線如圖2b 所示。從圖中可以看出，在較高的應變速率( 1 × 10 － 1 s － 1 ) 拉伸時，在開始變形階段，隨著真應變的迅速增加，在達到峰值后迅速下降，未出現超塑性變形所持有的準穩態變形階段; 當應變速率降到1 × 10 － 4 s － 1 時，在變形的開始階段曲線呈現出應變硬化效應，當真應變達到0． 15 時，應力應變曲線轉入相對穩態流變階段，此時，合金表現出良好的超塑性，其延伸率達到487%。

3 鎂合金手把管精密塑性成形

3． 1 鎂合金手把管超塑脹形

本試驗裝置由模具、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，如圖3 所示。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外形; 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，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由油箱、液壓泵、液壓閥等組成的可控油路，按照脹形所需完成一定的動作。1) 加載路徑的選擇。影響管材脹形的工藝因素主要是脹形內壓和軸向壓力的匹配關系。根據理論計算和DYNAFORM 數值模擬結果，由于軸向壓力的取值范圍很小，在軸向壓力為1． 5 MPa 時，設計了4 條加載路徑，如圖4 所示。結果表明，在加載路徑4 的加載條件下，脹形后管材沿軸線厚度變化最小，且壁厚沿軸線變化誤差為1． 4%。

2) 成形過程。模具( 1、5) 加熱到特定溫度后，把預熱好的鎂合金直管( 6) 放入模具型腔中，合模并給于一定的壓力F; 液壓缸( 3、8) 推動堵頭( 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; 向氣壓缸( 4) 內充油，達到一定的壓力、保壓，使管子脹形并與模腔充分貼合。最后，卸除氣壓缸壓力，堵頭后退，鎂合金直管脹形完成。

本試驗裝置中，將液壓壓力轉換為氣壓壓力的關鍵部分就是氣缸( 4) ，當液壓油進入氣缸時壓縮空氣、氣缸與模具內的管材內腔通過堵頭連通，進而使管材內腔產生高壓，促使管材脹形。

3) 模具加熱機構。鎂合金管材超塑脹形時，模具必須加熱到超塑性溫度。加熱裝置放在上下模中，熱源是六根加熱棒，每根長1 200 mm，功率1 000W。模具上打有深孔，插入熱電偶測溫，用可控硅溫控儀控溫。

4) 密封裝置設計。管端密封是保持脹形壓力的關鍵。本工藝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]到本試驗采用的脹形壓力介質為氣體，對密封有更嚴格的要求，可以對密封堵頭工作部分做鍍硬鉻處理，然后拋光。試驗過程也證明了這種密封方法的有效性。

5) 液壓系統設計。液壓系統( 液壓機本身的液壓系統除外) 的作用主要是: 通過液壓/氣壓轉換裝置提供脹形所需的內壓力; 通過一定的動作提供脹形時管材兩端所需的軸向壓縮力及管端的密封以防止漏氣。

3． 2 鎂合金手把管壓彎成形

鎂合金摩托車手把管脹形完成后，進入彎曲成形階段。由于彎曲精度和外觀質量要求較高，經過對摩托車手把管形狀的綜合分析，最終選用壓彎的方法成形，即在液壓機上利用模具對管坯進行彎曲的加工方法。該法工藝簡單，尺寸精確。把脹形后的直管放入模具中彎曲出兩個外弧，再彎曲出兩個內弧。由于鎂合金在室溫下塑性較差，彎曲時易出現裂紋或折斷現象，彎曲前應對鎂合金管先進行加熱，加熱溫度可在180 ～ 250 ℃。鎂合金摩托車手把管精密塑性成形產品如圖5 所示。

4 結論

鎂合金雖然在室溫下塑性較低，塑性加工能力較差，但在350 ～ 450 ℃時塑性明顯提高，適宜進行塑性成形，可采用精密塑性成形技術對鎂合金產品進行塑性加工。

采用超塑脹形、壓彎工藝可實現對鑄態AZ91D鎂合金摩托車手把管的塑性加工。經脹形的鎂合金Fig． 5 Motorcycle Handlebar after Bulging ＆ Bending管在180 ～ 250 ℃溫度條件下二次彎曲，得到了合格的摩托車手把管，過渡均勻光滑，彎曲處沒有裂紋或折斷現象。但脹形階段的溫度、軸向壓力和脹形壓力之間的配合需進一步研究。