中国有色金属学报 2014,24(09),2213-2219 DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2014.09.003
镁/铝合金双金属叠层板的拉深性能
杨琳 樊奇 曹晓卿 徐平平 王文先
太原理工大学材料科学与工程学院
摘 要：
镁/铝合金双金属叠层板兼具镁合金与铝合金两种金属材料的优势, 可用于生产同时具有良好耐腐蚀性、轻量化及减震性的产品。而钣金件的生产通常都包括拉深成形, 因此首先采用DYNAFORM软件模拟镁/铝双金属叠层板的拉深过程, 模拟结果表明, 镁板与拉深凸模接触时, 镁/铝双金属叠层板的拉深性能较好。利用自制的温热拉深模具对不同厚度AZ31镁合金/1060铝合金双金属叠层板在100~270℃温度范围内进行拉深实验, 研究板坯厚度、成形温度等因素对镁/铝双金属叠层板拉深性能的影响, 并分析拉深后得到的筒形件的壁厚分布。结果表明, 拉深过程中的最大拉深力随着叠层板板厚的增加、板坯成形温度的降低而增大;双金属叠层板拉裂的危险区域与单金属板拉深一样出现在凸模圆角处。与镁合金、铝合金单层板拉深相比, 镁/铝双金属叠层板拉深使筒形件的凸耳减小。
关键词：
镁合金;铝合金;镁/铝双金属叠层板;拉深性能;DYNAFORM数值模拟;
中图分类号： TB331
作者简介：曹晓卿, 教授, 博士;电话:0351-6010021;E-mail:caoxiaoqing@tyut.edu.cn;
收稿日期：2013-12-26
基金：国家自然科学基金面上项目 (51375328);山西省自然科学基金资助项目 (2010011033-1);
Deep drawability of Mg/Al bimetal laminated sheet
Abstract：
The Mg/Al bimetal laminated sheet combines advantages of both magnesium alloy and aluminum alloy materials, and can be used to produce lightweight products of good corrosion resistance and vibration damping property. Sheet metal production usually includes deep drawing process, so the deep drawing process of Mg/Al bimetal laminated sheet was simulated with DYNAFORM softwave. The simulation results show that the bimetal laminated sheet exhibits better deep drawability when the magnesium layer is in contact with the drawing punch. The experiments were conducted to investigate the effects of layer thickness and forming temperature on the deep drawing process of AZ31 magnesium/1060 aluminum alloy laminated sheets in the temperature range of 100-270 ℃. The thickness of each layer for the drawn component was measured and the thickness distribution in each layer was analyzed. It is demonstrated that the maximum drawing force increases with the increase of the thickness of laminated sheets and the decrease of the forming temperature, and the risk fracture position for a drawn cup of laminated sheet is also at the punch profile radius similar to that of monolithic sheet. In addition, the deep drawing of Mg/Al alloy laminated sheets may reduce the earring height compared with the drawing of magnesium alloy or aluminum alloy sheet.
Keyword：
magnesium alloy; aluminum alloy; Mg/Al bimetal laminated sheet; deep drawability; DYNAFORM numerical simulation;
Received： 2013-12-26
金属复合板是将几种不同材料的金属板通过一定的复合技术结合为一体的复合材料[1]。合理选择组元金属, 可使金属复合板的力学、物理和化学性能得到优化, 同时具有良好的装饰性、导电导热性、耐蚀耐磨性及节约贵重金属等优点, 因此, 金属复合板在生产和生活中得到了广泛应用。异种金属复合板的制备工艺主要有轧制复合、爆炸复合、爆炸制坯-轧制复合和扩散焊接等。但在实际工业生产中, 这些工艺在复合界面容易生成脆性的金属间化合物, 破坏基体间的冶金结合, 影响金属复合板的成形性能[2]。而且这些工艺生产的金属复合板组元金属层的厚度难以控制, 产品的一致性较差[1], 并不同程度地存在耗能高、污染严重、成本高等问题[3]。
双金属叠层板由两层不同力学性能的金属板叠加而成, 与金属复合板相似, 兼有两种金属的优良性能, 且不存在金属复合板的脆性中间界面层, 可用于生产具有良好耐腐蚀性、轻量化和减震性的产品。如今, 双层金属板在航空航天、汽车、化工和电力等工业领域得到了越来越广泛的应用。拉深是一种重要的板料成形方式, 研究双金属叠层板的拉深性能, 得到合理的拉深工艺参数, 对促进双金属叠层板的广泛应用具有重要意义。但其组元金属的力学性能差异及组元金属间的互相影响导致叠层板拉深成形比单金属板的复杂[4], 其影响因素不仅与拉深工艺参数 (如成形温度) 有关, 而且与叠层顺序、组元金属的板坯厚度等密切相关[5]。
近年来, 研究者们已经开始关注双金属叠层板的成形工艺。日本的TAKUDA等[6]依据延性断裂准则对低碳钢和几种铝合金金属叠层板的拉深成形进行了有限元模拟, 得出金属叠层板拉深成形性能与拉深工艺参数及叠层顺序密切相关, 指出两层成形性能较好的低碳钢可改善中间A2024铝板的成形性能。ATRIAN等[7]研究了钢、黄铜双金属叠层板的拉深成形过程, 得到板坯直径与最大拉深力的关系以及最大拉深力出现的位置。LANG等[8]研究了中间层很薄的多层板料的液压成形, 使中间薄板的成形性能显著提高, 且发现摩擦力较大时更有利于中间薄板的成形。
目前, 已有钢/黄铜、钢/铝、钛/钢两层复合板[6,7,8,9,10]以及钢/铝/钢[6]、不锈钢/铝合金/不锈钢[11]三层复合板的研究。镁合金密度低、比强度和比刚度高、减震、导热性好, 但耐腐蚀性差, 而铝合金表面易形成比较致密的氧化膜, 耐腐蚀性优良。因此, 镁/铝合金层状复合材料可以兼具镁合金与铝合金的性能优势。目前关于镁合金与铝合金的研究多限于采用挤压、爆炸复合等方法制备的金属复合板[12,13,14], 而关于镁/铝叠层板及其成形性能的研究还鲜见报道。
为此, 本文作者首先通过数值模拟研究板坯的叠层顺序对镁/铝双金属叠层板拉深性能的影响。然后通过实验研究镁/铝双金属叠层板的拉深成形过程, 分析板坯厚度、成形温度对其拉深成形性能的影响。并通过分析拉深后所得筒形件的壁厚分布, 研究镁/铝双金属叠层板拉深时的危险区域位置, 为镁/铝双金属叠层板的应用打下良好的基础, 并有利于促进镁合金板材制品的广泛应用。
1 数值模拟
采用DYNAFORM软件对镁/铝双金属叠层板筒形件的拉深过程进行模拟。图1所示为镁/铝双金属叠层板筒形件拉深过程模拟建立的模型, 为与实验一致, 模型中凸模直径为38 mm, 凹模直径为42 mm, 凸模圆角半径为7 mm, 凹模圆角半径为9 mm。采用DYNAFORM软件的Tool Mesh对工具进行网格划分, 采用Blank Generator对板料进行网格划分。将拉深凸、凹模及压边圈均视为刚体。由于模具与板坯的轴对称性, 为缩短计算时间, 取整个模型的1/4进行计算。
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图1 数值模拟用网格模型Fig.1 Mesh model for numerical simulation
模拟中的材料为AZ31镁合金/1060铝合金叠层板, 镁、铝合金板的厚度均为0.8 mm。模拟中定义接触类型为单向面面接触, 并打开板坯与板坯之间的接触选项 (Between parts) 。定义摩擦条件为库仑摩擦, 板料与凸模之间的摩擦因数为0.2, 与凹模之间的摩擦因数为0.14, 与压边圈之间的摩擦因数为0.14, 两板之间的摩擦因数为0.125。凹模和压边圈采用固定压边间隙1.76 mm, 模拟冲压速度为默认值5 m/s, 模拟成形温度分别为室温、160和200℃。另外, 设AM为铝板与凸模接触, 镁板与凹模接触;MA为镁板与凸模接触, 铝板与凹模接触。
图2和3所示分别为成形温度为160和200℃时的模拟结果。成形温度为室温, 板坯直径为60 mm, 拉深筒形件均拉裂, 但板坯叠层顺序为AM时, 筒形件拉入凹模3 mm破裂;板坯叠层顺序为MA时, 筒形件拉入凹模5 mm破裂。成形温度为160℃时, 板坯直径为90 mm, 板坯叠层顺序为AM时, 筒形件凸模圆角处出现拉裂 (见图2 (a) ) ;板坯叠层顺序为MA时, 筒形件没有出现拉裂 (见图2 (b) ) 。成形温度为200℃时, 板坯直径为90 mm, 拉深筒形件均未出现拉裂, 但板坯叠层顺序为AM时, 筒形件起皱较明显 (见图3 (a) ) ;板坯叠层顺序为MA时, 筒形件成形质量较好 (见图3 (b) ) 。由此可见, 镁/铝双金属叠层板拉深时, 镁板与拉深凸模接触比铝板与拉深凸模接触具有较好的拉深成形性能。
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图2 160℃时有限元模拟结果Fig.2 FEM simulation results at 160℃: (a) AM; (b) MA
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图3 200℃下时有限元模拟结果Fig.3 FEM simulation results at 200℃: (a) AM; (b) MA
2 拉深实验
实验材料为AZ31镁合金板材、1060铝合金板材及由二者构成的镁/铝双金属叠层板, 实验用镁合金、铝合金的化学成分见表1。
实验模具为一套自主设计的可控温拉深模具, 其结构简图如图4所示。通过控制模具中内嵌的电热丝加热凸模、凹模及板料, 控温精度为±5℃。采用电火花线切割机将板材加工成d 60、d 70、d 80、d 90和d 100 mm的圆坯, 依次用丙酮清洗表面油污, 细砂纸打磨。实验时模具安装在DNS200微机控制电子万能试验机上, 试验机的位移分辨率为0.01 mm。拉深凸模固定在试验机的上横梁十字夹头上, 横梁移动速度为5 mm/min。采用聚四氟乙烯薄膜作为润滑剂, 拉深温度为100~270℃[15]。依据数值模拟结果, 实验时采用MA叠层顺序, 将各组别的板坯加热到设定温度, 保温10 min后开始拉深。拉深结束后, 观察筒形件的成形状况, 测量筒形件壁厚变化, 并分析凸模载荷-位移曲线。
表1 AZ31镁合金和1060铝合金化学成分Table 1 Chemical composition of AZ31 alloy and 1060 alloy sheets
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图4 拉深模具示意图Fig.4 Schematic diagram of deep drawing die
3 结果与讨论
3.1 组元金属板料厚度对叠层板拉深载荷的影响
为了研究组元金属板坯厚度对镁/铝双金属叠层板拉深成形性能的影响, 采用两种厚度的镁板分别与4种厚度的铝板组成不同厚度的镁/铝双金属叠层板, 组元金属分组情况见表2。
图5所示为0.8 mm厚AZ31镁板与4种厚度的1060铝板组合的镁/铝双金属叠层板在不同温度下的最大拉深载荷图。由图5可以看出, 相同温度下, 随着铝板厚度从0.3 mm增大到1.0 mm, 最大拉深力呈增大趋势。同时, 随着成形温度从130℃升高至200℃, 最大拉深力的增大趋势减缓, 即随着成形温度的增加, 最大拉深力对板厚的敏感度降低。图6所示为200℃时, 2种厚度的镁板与4种厚度的铝板各实验组的最大拉深载荷图。由图6可见, 相同温度下, 铝板厚度分别为0.3、0.5、0.8和1.0 mm时, 镁板厚度从0.8 mm增加到1.0 mm, 最大拉深力分别提高了18%、22%、27%和17%。即铝板厚度一定时, 镁板厚度从0.8 mm增至1.0 mm, 最大拉深力呈增大趋势。
表2 镁板与铝板厚度组合Table 2 Thickness group of Mg and Al sheets
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图5 镁板 (厚度为0.8 mm) 与不同厚度铝板的组合在不同温度下的最大拉深力Fig.5 Maximum drawing forces of groups of Mg sheet and Al sheet with different thicknesses at different temperatures (thickness of magnesium sheet of 0.8 mm)
板料拉深时的最大拉深载荷为筒壁部分所能传递的最大拉力[16]:
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式中:F为拉深力 (N) ;d为凹模内径 (mm) ;t为材料厚度 (mm) ;σρ为筒壁内的总拉应力 (MPa) 。其中, σρ由变形区变形需要的径向拉应力最大值σ1max, 材料在压边圈和凹模平面间的间隙里流动时产生的摩擦力μFQ引起的附加拉应力σM, 毛坯流过凹模圆角表面遇到的摩擦阻力, 毛坯经过凹模圆角时产生的弯曲变形以及离开凹模圆角进入凸、凹模间隙后又被拉直产生反向弯曲所需要的应力σW和拉深初期毛坯在凸模圆角处的弯曲应力等几部分组成, 可表示为
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图6 200℃不同板厚组合的最大拉深力Fig.6 Maximum drawing force of different thickness group at 200℃
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式中:μ为材料与模具间的摩擦因数;FQ为施加在坯料上的压边力 (N) ;rd为凹模圆角半径 (mm) ;rp为凸模圆角半径 (mm) ;σb为板料的抗拉强度 (MPa) 。
将式 (2) 代入式 (1) 即得板料拉深时最大拉深载荷。式 (2) 中各项均与板料的抗拉强度σb成正比, 由此可将式 (1) 表示为
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式中:K为修正系数。
可见, 最大拉深力除与被拉板料的力学性能有关外, 还与板料的厚度有关, 在单层金属板拉深时, 最大拉深力随着板厚的增加而增大。由图5和图6可见, 镁/铝双金属叠层板拉深时, 最大拉深力随组元金属板厚的增加而增大, 与单金属板拉深规律相似。当叠层板厚度相同时 (如1.8 mm) , 镁板较厚时所需最大拉深力比铝板较厚时的增大了约7%, 说明镁板厚度的增加对叠层板最大拉深力的影响大于铝板厚度增加的影响。
根据式 (1) 分析, 由于本实验中所用镁板的抗拉强度大于铝板的抗拉强度 (σb Mg=210 MPa, σb Al=102MPa) , 镁板对镁/铝双金属叠层板强度的影响较大。可见, 双金属叠层板的拉深成形性能取决于组元金属的力学性能, 而组元金属中强度较大的金属对叠层板的拉深性能影响较大。这与文献[17]对铝与不锈钢构成的双层金属板的研究结果一致。
3.2 成形温度对镁/铝双金属叠层板极限拉深比的影响
对镁/铝双金属叠层板在100~270℃温度范围内进行了等温拉深。其中, 镁板厚0.8 mm, 铝板厚0.8mm。图7所示为实验得到的镁/铝叠层板极限拉深比 (LDR) 随拉深温度的变化。由图7可见, 随着拉深温度的升高, 镁/铝叠层板的极限拉深比呈先增大后减小的趋势。当温度为200℃时, 镁/铝叠层板的极限拉深比达到2.4。
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图7 镁/铝叠层板在不同温度下的极限拉深比Fig.7 LDR of Mg/Al laminated sheet at different temperatures
随着变形温度的升高, 镁合金的非基面滑移系被激活, 镁合金的变形能力增强, 且热激活作用引起的动态回复减弱了镁合金的应变硬化能力[18], 使抗拉强度σb降低, 最大拉深力随之减小, 镁合金的成形能力得到提高。但当温度高于200℃时, 由于抗拉强度σb继续降低, 镁板的塑性流动加快, 容易发生局部流变失稳即缩颈, 导致严重变薄而破裂, 限制了镁/铝双金属叠层板极限拉深比的提高, 而铝板的最佳塑性成形温度也在180~220℃范围内[19]。因此, 本实验中镁/铝双金属叠层板在200℃左右拉深时获得了最大的极限拉深比, 表明此时镁/铝双金属叠层板具有较好的拉深性能。
3.3 镁/铝叠层板拉深所得筒形件的壁厚变化
将筒形件沿轴向线切割, 通过测量构成叠层板 (镁板厚度为0.8 mm) 的各层板的厚度变化, 各取点位置如图8所示;得到拉深筒形件的壁厚分布如图9和10所示。其中, 图9所示为200℃时各组合筒形件中镁板的壁厚分布;图10所示为相应铝板的壁厚变化。可见, 在研究中所有镁合金板与铝合金板的组合, 均在位置5即凸模圆角处, 板厚变薄最严重。因此, 镁/铝双金属叠层板的拉裂危险区域同单金属板拉深类似均位于凸模圆角处。
表3所列为200℃时0.8 mm厚镁板与4种厚度铝板组合拉深成形后的筒形件最大壁厚减薄率。由表3可见, 铝板厚度分别为0.3、0.5和1.0 mm的叠层板拉深成形后的筒形件, 其壁厚减薄严重, 有拉裂的可能。而铝板厚度为0.8 mm的叠层板拉深的筒形件, 最大壁厚减薄率最小。0.8 mm厚镁板相比1.0 mm的镁板所需的最大拉深力较小, 因此, 选用0.8 mm厚镁板。从图5可以看出, 0.8 mm厚镁合金板与0.3、0.5和0.8 mm厚铝合金板组合后, 镁/铝双金属叠层板的厚度增加, 拉深筒形件所需的最大拉深力增加幅度较小, 1.0 mm铝合金板最大拉深力增加的幅度较大。因此, 镁合金和铝合金板的厚度均为0.8 mm时, 叠层板内的应力较小, 其应变即壁厚减薄率相应较小。综合各因素分析, 镁/铝合金双金属叠层板组元厚度比为1:1时拉深后危险断面的最大壁厚减薄率最小。
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图8 拉深筒形件壁厚测量取点位置Fig.8 Location of thickness measuring points on drawn cup
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图9 200℃镁/铝拉深筒形件中镁板的壁厚分布Fig.9 Thickness distribution in Mg layer of Mg/Al alloy sheet drawn cup at 200℃
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图10 200℃镁/铝拉深筒形件中铝板的壁厚分布Fig.10 Thickness distribution in Al layer of Mg/Al alloy drawn cup at 200℃
表3 200℃拉深后危险断面的最大壁厚减薄率 (镁板厚度0.8 mm) Table 3 Maximum thickness thinning rates of risk region at200℃ (thickness of Mg sheet of 0.8 mm)
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3.4 双金属叠层板拉深对镁/铝组元金属板拉深性能的影响
图11所示为镁、铝单金属板和镁/铝双金属叠层板在200℃拉深所得的筒形件。其中, 图11 (a) 所示为单镁板拉深筒形件;图11 (b) 所示为单铝板拉深筒形件;图11 (c) 所示为镁/铝双金属叠层板拉深筒形件。可以看出, 单镁板和单铝板拉深筒形件凸耳严重, 镁/铝双金属叠层板拉深筒形件凸耳最小。凸耳高度较大时, 需要较大的修边余量, 造成了材料的浪费。在凸耳的波峰或波谷分别有产生开裂的危险, 严重影响产品质量, 增大废品率。
镁/铝双金属叠层板同时拉深能减小凸耳高度, 可能是双金属板之间的摩擦以及板料轧制方向互相影响所致。镁/铝双金属叠层板拉深时凸耳高度减小的机理还有待进一步研究确定。
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图11 镁、铝和镁/铝拉深筒形件Fig.11 Drawn cups of Mg (a) , Al (b) and Mg/Al (c)
4 结论
1) 由数值模拟及实验结果的分析可知, 在镁/铝双金属叠层板拉深成形过程中, 叠层顺序、板料厚度和成形温度是影响其拉深成形性能的重要因素。
2) 模拟结果表明, 镁/铝双金属叠层板拉深时镁板与凸模接触, 其拉深成形性能较好。
3) 镁/铝双金属叠层板拉深时, 随着组元金属板厚的增加, 最大拉深力增大。且抗拉强度较大的镁板对叠层板最大拉深力的影响较大。综合考虑筒形件的壁厚减薄情况, 在本研究中, 合理的板坯厚度组合为镁、铝合金板厚度均为0.8 mm。
4) 随着拉深温度的升高, 镁/铝叠层板的极限拉深比呈先增大后减小的趋势。当温度为200℃时, 镁/铝叠层板的极限拉深比达到最大值2.4, 镁/铝叠层板的最佳成形温度为200℃左右。
5) 镁/铝双金属叠层板拉深筒形件厚度分布与单金属板拉深筒形件相似, 其危险区域也出现在凸模圆角处。
6) 镁/铝双金属叠层板拉深减小了镁/铝合金板拉深筒形件的凸耳, 减少了修边余量, 可提高材料利用率。
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