镁合金摩托车手把管超塑胀形工艺研究

王建甫, 杨永顺, 李学烤, 刘祎冉

( 河南科技大学材料科学与工程学院, 河南洛阳471003)

摘要: 设计了一套镁合金管材胀形成形装置, 对镁合金摩托车手把管的超塑性胀形成形进行了实验研究, 并通过实验确定了镁合金管超塑胀形的成形工艺。其主要工艺参数为: 成形温度340～370 ℃, 胀形初始压力2.0～2.2MPa, 轴向压力1.0～1.5 MPa, 随着胀形的进行, 胀形压力分阶段逐步加载到10 MPa。在此工艺条件下, 成形出的管子尺寸精度高, 壁厚均匀, 无减薄现象。用超塑性胀形技术提高了镁合金的塑性成形能力, 并实现了摩托车手把管的精密成形, 提高了材料利用率, 降低了成本。

关键词: 管; 胀形; 镁合金; 超塑性

目前, 镁合金的研究及应用引起了世界各国的重视, 镁合金消费量在全球呈持续高速增长趋势。镁合金具有密度小, 比强度、比刚度高, 阻尼减震性、切削加工性、导热性好, 电磁屏蔽能力强,铸造性能和尺寸稳定性好等优点, 同时, 镁资源很丰富, 且镁合金产品易于回收利用, 具有环保特性。因此, 镁合金被誉为“21 世纪绿色工程材料”,近些年来在汽车工业、航空航天、电子工业等领域的应用迅速增加, 发展前景看好[1-2]。

镁合金是密排六方结构, 滑移系少, 在常温下其塑性较低, 成形性能差。因此大多数镁合金制品都是用铸造(压铸、熔铸等)方法成形[3-5], 而用挤压、轧制、锻造等塑性成形方法[6]加工的镁合金制品很少。镁合金摩托车手把具有质量轻, 吸振性好, 增加了骑乘的舒适性, 但是像某型号摩托车手把管这样的镁合金产品, 因其形状复杂, 目前还没有采用塑性方法生产。目前国内摩托车手把管基本上采用传统的钢管弯曲而成, 存在质量大、吸振性差等缺点。

采用超塑性气胀成形技术可在一定温度下获得优良的塑性成形能力, 从而成形结构复杂的镁合金零件[7]。本文主要介绍了利用超塑性胀形的方法实现镁合金摩托车手把管的精密塑性成形, 管子截面尺寸可沿轴线方向逐渐变化, 在模具内一次成形。其特点是所需设备简单, 无需大型专用设备、成形精度高、材料利用率高、操作简便、成本低。

1 实验

1.1 实验设备及材料

实验设备采用YX32-315 液压机( 公称压力为3 150 kN) , 镁合金管超塑胀形实验装置及镁合金管坯预热炉各一套。实验用镁合金管坯为AZ91D, 内径14 mm, 外径22 mm, 长965 mm。胀形后保持管子厚度基本不变, 中间段外径最大, 为28 mm, 最大外径与两端外径均匀过渡。

1.2 超塑胀形实验装置及胀形方法

本实验装置由模具、管子密封机构、加热机构、气压胀形机构及液压辅助机构组成。模具由上模1、下模5 组成, 主要提供管坯的胀形模腔,使管子精密成形为所需形状; 管子密封机构由堵头2、7 和控制堵头的液压缸3、8 组成, 用于管子的密封及提供管子胀形时所需的轴向补缩压力;加热机构由6 根加热棒组成, 上、下模各装3 根,提供管子加热所需的热源; 气压胀形机构由一个气压缸组成, 通过液压泵向缸内充油压缩缸内空气达到胀形需要的一定压力的气压; 液压辅助机构主要是油箱、液压泵、液压阀等组成的可控油路, 按照所需完成一定的动作。具体操作过程是: 第一步, 把模具1、5 加热到特定温度, 然后把在炉中预热好的镁合金管6 放入模具型腔中, 合模并给于一定的压力F。第二步, 在液压缸3、8 推动下使堵头2、7 前进, 使堵头密封管子两端并给管子两端施加一定的压力。第三步, 向气压缸4 内充油, 达到一定的压力, 保压一定的时间, 使管子胀形并与模腔充分贴合。第四步, 卸掉气压缸压力, 堵头后退, 取出管子, 放入下一根预热好的管坯, 开始新的胀形过程。

1.3 工艺参数选择

1.3.1 胀形温度

镁晶体为密排六方结构, 镁基体的独立滑移系少, 它的滑移系统只有基面滑移和锥面孪生, 共5 个滑移系, 即3 个几何滑移系和两个独立滑移系, 室温和低温塑性较差, 但当变形温度大于200℃时, 可以使镁合金的滑移系增多, 镁合金的塑性加工能力有明显的提高。镁合金对变形时的应变速率有很高的敏感性, 当高速变形时, 很容易引起镁合金的开裂。因此, 为了保证胀形的成品率, 对其超塑性成形很有必要。

为了确定镁合金挤压管坯的超塑性温度区间, 沿管坯轴向线切割加工出“工”字形薄片拉伸试样, 在280～400 ℃之间以v=6 mm/min 的恒速度做超塑性拉伸试验, 每个试样的保温时间为20min, 温度间隔是30 ℃, 图2 为拉伸后的拉伸力-伸长量曲线图。

从图中可以看到, 随着温度的升高, AZ91D镁合金的伸长率不断增加, 从310 ℃开始AZ91D镁合金表现出超塑性, 继续升温至340 ℃, 最大伸长率达到了161%。当温度继续增至370 ℃和400 ℃, 由于高温氧化的作用, AZ91D 镁合金的伸长率逐降到115%和105%, 伸长率随温度的这种非单调变化表明340 ℃是AZ91D 镁合金超塑性变形的最佳温度。在实验中取310～370 ℃作为镁合金管的胀形温度。

1.3.2 初始压力选择

初始内压是超塑胀形成形工艺的重要参数,该值选取的是否合适直接决定了胀形过程的成败。对于本文的镁合金管胀形来说, 初始胀形径向没有束缚, 为了保证管子不被胀破, 在管坯能够变形屈服的情况下, 其初始内压的选择应尽量低一点.

1.3.3 轴向补缩压力

轴向补缩是管子胀形工艺中又一个需要考虑的重要因素。根据设计要求, 胀形后的管子壁厚要求基本不变, 为了保证胀形后壁厚无减薄, 必须给于合理的轴向压力。轴向压力的给定需要考虑管子两端与模具的摩擦力及维持管子塑性变形时所需的轴压力, 同时还要满足密封要求。

1.3.4 密封

管端密封在胀形过程中是保持胀形压力的关键。采用的密封形式是锥台形冲头压入法, 这种密封方式具有密封效果好、生产效率高、便于操作等优点。考虑到本实验采用的胀形压力介质为气体,对密封有更严格的要求, 需对密封堵头工作部分做镀硬铬处理, 然后抛光。在实验过程中也证明这种密封方法是很有效的。

2 实验结果及分析

经过反复实验, 最终得到合适的工艺参数: 胀形温度340～370 ℃ , 胀形初始压力2.0 ～2.2MPa, 轴向压力1.0～1.5 MPa。在此工艺参数下,生产出了合格的产品( 见图3) 。

压力等工艺参数对产品质量都有影响。温度太低, 胀形比较困难, 引起初始胀形压力变大, 初始变形压力的变大, 由于变形过程不是理想的均匀变形, 管坯的局部就会胀形过快, 出现破裂; 温度太高, 镁合金氧化严重且易引起失稳或胀破。胀形初始压力是整个胀形的关键, 压力太小, 胀形速度很慢, 甚至胀不动; 压力太大, 造成变形不均匀, 引起破裂。轴向压力的选择不当对产品质量也有重要影响, 太小引起管壁变薄甚至引起密封不严, 漏气; 太大主要是引起管坯失稳, 形成螺旋状扭曲。

胀形压力是分阶段加载的。第一步, 给定初始压力2.0 MPa, 保压10 min, 开模查看中间部分已经贴模充分, 只有中间与两端的过渡部分胀形量不够; 第二步, 给定压力4 MPa, 保压5 min, 此时胀形区由中间向两端延伸, 但还不完全; 第三步,给定压力6 MPa, 保压3 min, 此时胀形完全, 基本成形; 第四步, 给定压力10 MPa, 这一步主要是保证管壁完全贴模, 以防胀形不充分, 由于此时胀形在上一步已完成, 所以即使给定的压力比较大也不会胀破。

3 结论

( 1) 镁合金低温下塑性较差, 塑性加工困难,可以通过提高温度, 在超塑性状态下进行塑性加工, 成形出复杂的零件。

( 2) 在对镁合金管超塑胀形成形时, 控制好合理的温度, 找出最佳的轴向压力和胀形压力之间的配合关系, 可以得到合格的产品。

( 3) 在本实验中, 胀形温度340～370 ℃, 胀形初始压力2.0～2.2 MPa, 轴向压力1.0～1.5MPa, 随着胀形的进行, 胀形压力分阶段加载到10 MPa。成形出的产品壁厚均匀、无减薄现象, 贴模比较充分, 外形尺寸精确, 成品率比较高。

( 4) 在胀形的初始阶段, 轴向压力对提高胀形质量有明显效果, 在胀形后续阶段,轴压的作用将明显降低, 期间胀形压力加载是分阶段进行的。