AZ31B鎂合金板材電致塑性漸進成形研究.pdf

1、作為21世紀的“朝陽金屬”，鎂合金具有低密度、高比強度/剛度、強阻尼、易回收等諸多優(yōu)點，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)境保護需求的加劇，更加促進了鎂合金在航空航天、交通運輸、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)導致其室溫延展性較差，嚴重制約了鎂合金的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。板材漸進成形作為一種柔性近凈成形加工工藝，通過對板材逐次局部成形代替整體成形以提高板材成形性能，是當今先進制造技術(shù)的重要發(fā)展方向之一。作

2、為高能量場在塑性成形中的應(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。單點漸進成形工藝中，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，推動鎂合金成形工藝的發(fā)展，具有重要的理論意義與工程價值。
　　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)引入板材漸進成形工藝，提出鎂合

3、金板材電致塑性漸進成形技術(shù)，并對其成形工藝、成形機理以及電致塑性效應(yīng)作用機制進行了實驗研究與機理分析，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成形方法，論證了其可行性與技術(shù)優(yōu)勢。基于理論分析，對成形系統(tǒng)進行自主設(shè)計研究，搭建了電致塑性漸進成形實驗平臺。針對具體工況，對成形過程摩擦機理進行實驗研究與理論分析，研究結(jié)果表明，電致塑性漸進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滑劑，在實現(xiàn)穩(wěn)定導電的前

4、提下能起到良好的潤滑作用。結(jié)合具體實驗平臺，對成形實施過程和成形質(zhì)量控制進行了理論分析，為后續(xù)試驗研究提供了理論指導。
　　(2)基于響應(yīng)曲面分析方法，研究了電致塑性漸進成形各關(guān)鍵工藝參數(shù)對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;進給速率和層間步進量均與成形極限響應(yīng)值呈負相關(guān)關(guān)系，且顯著性水平相近，工具頭直徑對板材成形極限無顯著影響;電脈沖

5、參數(shù)與進給速率/工具頭直徑、進給速率和層間步進量存在較顯著的交互作用?；谡辉囼灒芯苛穗娭滤苄詽u進成形工藝參數(shù)對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;較低的進給速率、合適尺寸的中等層間步進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致斜壁過多彈性變形積累，明顯增大成形回彈角度;對于制件表面硬度，只有選擇合適尺

6、寸的中等工具頭直徑時可見其較明顯提高，其他因素對其無顯著影響。經(jīng)綜合分析，選取電脈沖參數(shù)、進給速率、層間步進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，板材成形性能和制件成形質(zhì)量較好。相對室溫不加電漸進成形，此工藝參數(shù)下的電致塑性漸進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成形實驗，結(jié)合理論分析，從成形過程溫度、成形力、

7、應(yīng)變狀態(tài)三方面對電致塑性漸進成形機理進行了研究。成形溫度研究結(jié)果表明，成形板材定點溫度由工具頭實時位置與工具頭實時溫度決定，僅在該點處于當前成形區(qū)附近時溫度較高，且高溫階段持續(xù)時間很短;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，與進給速率和層間步進量無關(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;橫向

8、成形力只在工具頭運動軌跡的切向產(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動過程呈正弦規(guī)律交替變化且總相差π/2相位;電脈沖參數(shù)、層間步進量以及成形角度是影響成形力的較顯著因素，其次是進給速率，工具頭直徑對成形力影響不顯著;最大軸向力與電脈沖參數(shù)變化呈負相關(guān)，與進給速率、層間步進量、工具頭直徑以及成形角度成正相關(guān)。通過試驗手段獲取了成形板材不同加載路徑下的應(yīng)變場分布以及極限應(yīng)變點的應(yīng)變歷史，研究結(jié)果表明，漸進成形過程

9、板材成形區(qū)應(yīng)變歷史為快速急劇變形過程，對于方錐臺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)下的電致塑性漸進成形可使鎂合金板材達到很高的成形極限。
　　(4)基于控制電脈沖參數(shù)的漸進成形試驗和單向拉伸試驗，研究了不同電脈沖參數(shù)對鎂合金電致塑性效應(yīng)的影響規(guī)律，并結(jié)合理論模型，對電致塑性效應(yīng)模式進行了分析。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，板材漸進成形性能明顯提高。對于電致塑性單拉變形，板材流動應(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到一定值后不再增加，甚至呈現(xiàn)出降低趨勢，表明鎂合金板材的電致塑性拉伸變形存在一個最優(yōu)電脈沖參數(shù)范圍。另外，脈沖有效值電流密度對電致塑性效應(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，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)，當脈沖有效值電流密度低于閾值時，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，而當其高過閾值后，電致塑性效應(yīng)會顯著增加。
　　(5)針對電致塑性漸進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理。研究結(jié)果表明，電脈沖可降低鎂合金板材動態(tài)再結(jié)晶溫度，加

12、速動態(tài)再結(jié)晶過程，同時，可抑制斷裂孔洞的產(chǎn)生，從而提高鎂合金板材成形性能。電致塑性漸進成形過程快速加熱、高溫持續(xù)時間短的特點，抑制了晶粒長大，促進鎂合金超細等軸晶粒的產(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)化材料變形機制，使材料延展性提高，但當液相數(shù)量過多時，