镁合金手把管精密塑性成形研究

郭云汉1，陈拂晓2，杨永顺2，郭俊卿2

( 1． 洛阳秦汉冷锻有限公司，河南洛阳471003; 2． 河南科技大学材料科学与工程学院，河南洛阳471003)

摘要:利用拉伸、压缩试验对铸态AZ91D 镁合金的应力应变曲线进行了研究。试验结果表明，铸态镁合金在高温下表现出较低的流变应力，能够实现塑性加工成形。在优化塑性成形工艺方案基础上，利用超塑胀形与压弯工艺进行了镁合金摩托车手把管塑性加工试验，并成功试制出了合格产品。

关键词:AZ91D; 摩托车手把管; 超塑胀形; 压弯

镁是地壳中含量最丰富的元素之一，其丰度居第八位，约占地壳组成的2． 5%; 其密度是铝的2 /3，比强度与比刚度都较高。因其具有质轻、抗震、高阻尼性、高导热性、抗电磁干扰和易于回收等优点，日益受到汽车、电子通信、航空航天等领域的青睐。近年来，随着镁合金加工技术和价格两大瓶颈的逐步突破，全球镁合金用量急剧增长，应用范围不断扩大，正成为继钢铁、铝合金之后的第三大金属结构工程材料，被誉为“21 世纪绿色工程材料”［1］。镁晶体为密排六方结构，室温和低温塑性较差。目前镁合金的研究和应用主要集中在铸造镁合金，特别是压铸镁合金上，变形镁合金的研究和应用刚刚起步。镁合金常温下塑性较低，但其在特定的组织、变形温度及变形速率下，具有超塑性变形的能力，可以获得很高的伸长率和很小的变形抗力，故可以利用其特定温度下较好的塑性变形能力来实现形状复杂结构件的成形

［2］。笔者在铸态镁合金AZ91D 塑性研究的基础上，研究了镁合金大排量摩托车手把管的塑性加工工艺，简要介绍了精密塑性成形技术在镁合金成形中的应用。

1 镁合金摩托车手把管

普通摩托车的手把管( 见图1a) 由钢管利用塑性弯曲工艺加工，且管件的内、外径保持不变。而在进口等大排量摩托车上多采用镁合金曲管，外形是中间粗、两端细，但壁厚保持同样厚度。其优点是质量轻，不仅能够提高燃油经济性综合指标，而且还可改善车辆的噪音、振动，同时镁合金优异的热变形及能量吸收能力也可大幅提高行驶的安全性能。镁合金摩托车手把管( 见图1b) 的精密塑性成形采用超塑性胀形与弯曲工艺。其关键是: 直管在胀形阶段既要实现中间部分的胀形，还要保证壁厚与两段未变形部分保持一致。

2 AZ91D 应力－应变曲线

铸态镁合金AZ91D 单向拉伸试验在WQ4100其具有恒应变速率拉伸功能。温度范围从280 ～400 ℃，初始应变速率1 × 10 － 4 ～ 1 × 10 － 1 s － 1。AZ91D 镁合金应力－应变曲线见图2， 340 ℃时不同应变速率下的应力－应变曲线如图2b 所示。从图中可以看出，在较高的应变速率( 1 × 10 － 1 s － 1 ) 拉伸时，在开始变形阶段，随着真应变的迅速增加，在达到峰值后迅速下降，未出现超塑性变形所持有的准稳态变形阶段; 当应变速率降到1 × 10 － 4 s － 1 时，在变形的开始阶段曲线呈现出应变硬化效应，当真应变达到0． 15 时，应力应变曲线转入相对稳态流变阶段，此时，合金表现出良好的超塑性，其延伸率达到487%。

3 镁合金手把管精密塑性成形

3． 1 镁合金手把管超塑胀形

本试验装置由模具、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，如图3 所示。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外形; 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，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由油箱、液压泵、液压阀等组成的可控油路，按照胀形所需完成一定的动作。1) 加载路径的选择。影响管材胀形的工艺因素主要是胀形内压和轴向压力的匹配关系。根据理论计算和DYNAFORM 数值模拟结果，由于轴向压力的取值范围很小，在轴向压力为1． 5 MPa 时，设计了4 条加载路径，如图4 所示。结果表明，在加载路径4 的加载条件下，胀形后管材沿轴线厚度变化最小，且壁厚沿轴线变化误差为1． 4%。

2) 成形过程。模具( 1、5) 加热到特定温度后，把预热好的镁合金直管( 6) 放入模具型腔中，合模并给于一定的压力F; 液压缸( 3、8) 推动堵头( 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; 向气压缸( 4) 内充油，达到一定的压力、保压，使管子胀形并与模腔充分贴合。最后，卸除气压缸压力，堵头后退，镁合金直管胀形完成。

本试验装置中，将液压压力转换为气压压力的关键部分就是气缸( 4) ，当液压油进入气缸时压缩空气、气缸与模具内的管材内腔通过堵头连通，进而使管材内腔产生高压，促使管材胀形。

3) 模具加热机构。镁合金管材超塑胀形时，模具必须加热到超塑性温度。加热装置放在上下模中，热源是六根加热棒，每根长1 200 mm，功率1 000W。模具上打有深孔，插入热电偶测温，用可控硅温控仪控温。

4) 密封装置设计。管端密封是保持胀形压力的关键。本工艺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。考虑到本试验采用的胀形压力介质为气体，对密封有更严格的要求，可以对密封堵头工作部分做镀硬铬处理，然后抛光。试验过程也证明了这种密封方法的有效性。

5) 液压系统设计。液压系统( 液压机本身的液压系统除外) 的作用主要是: 通过液压/气压转换装置提供胀形所需的内压力; 通过一定的动作提供胀形时管材两端所需的轴向压缩力及管端的密封以防止漏气。

3． 2 镁合金手把管压弯成形

镁合金摩托车手把管胀形完成后，进入弯曲成形阶段。由于弯曲精度和外观质量要求较高，经过对摩托车手把管形状的综合分析，最终选用压弯的方法成形，即在液压机上利用模具对管坯进行弯曲的加工方法。该法工艺简单，尺寸精确。把胀形后的直管放入模具中弯曲出两个外弧，再弯曲出两个内弧。由于镁合金在室温下塑性较差，弯曲时易出现裂纹或折断现象，弯曲前应对镁合金管先进行加热，加热温度可在180 ～ 250 ℃。镁合金摩托车手把管精密塑性成形产品如图5 所示。

4 结论

镁合金虽然在室温下塑性较低，塑性加工能力较差，但在350 ～ 450 ℃时塑性明显提高，适宜进行塑性成形，可采用精密塑性成形技术对镁合金产品进行塑性加工。

采用超塑胀形、压弯工艺可实现对铸态AZ91D镁合金摩托车手把管的塑性加工。经胀形的镁合金Fig． 5 Motorcycle Handlebar after Bulging ＆ Bending管在180 ～ 250 ℃温度条件下二次弯曲，得到了合格的摩托车手把管，过渡均匀光滑，弯曲处没有裂纹或折断现象。但胀形阶段的温度、轴向压力和胀形压力之间的配合需进一步研究。