单向多道次弯曲工艺对AZ31B镁合金板材冷冲压成形性能的影响

单向多道次弯曲工艺对AZ31B镁合金板材冷冲压成形性能的影响 摘要:研究单向多道次弯曲（RUB，repeated unidirectional bending）工艺对AZ31B镁合金的冷冲压成形性能影响。室温下RUB处理的镁合金板材由于基面织构发生了一定的转动，极限拉伸比（LDR，limiting drawing ratio）在轧制方向可以达到1.5。同时实验也证明了使用RUB处理的AZ31B镁合金板材可以在曲柄压力机上成功的冲压出手机外壳。室温冲压成形性能的提高可归因于织构的改善，从而导致屈服强度降低、断裂伸长率提高，塑性应变比（r值）的降低以及应变硬化指数（n值）提高。 关键词： 镁合金板材 单向多道次弯曲工艺 织构 冲压成形性 手机外壳 Cold stamping formability of AZ31B magnesium alloy sheet undergoing repeated unidirectional bending process Abstract：The repeated unidirectional bending (RUB) process was carried out on an AZ31B magnesium alloy in order to investigate its effects on the cold stamping formability. The limiting drawing ratio (LDR) of the RUB processed magnesium alloy sheet with an inclination of basal pole in the rolling direction can reach 1.5 at room temperature. It was also con?rmed that cell phone housings can be stamped successfully in crank press using the RUB processed AZ31B magnesium alloy sheet. The improvement of the stamping formability at room temperature can be attributed to the texture modi?cations, which led to a lower yield strength, a larger fracture elongation, and a smaller Lankford value (r-value) and a larger strain hardening exponent (n-value). Keywords: Magnesium alloy sheet RUB Texture Stamping formability Cell phone housing 1、引言 目前为止镁合金产品主要是由铸造或压铸生产，在航空航天、汽车、民用家电等产品中均有广泛应用。与铸造相比，塑料成型技术更具吸引力，因为它有优越的生产力和性能。在镁合金塑性成形过程中，镁合金板材冲压成形对薄壁结构件的生产尤其重要（Chen and Huang,2003）。然而，由于存在强的（0002）基面织构，镁合金板在室温下塑韧性很低（(Doege and Droder,2001）。Mori和Tsuji (2007)研究了商用镁合金板材冷拉伸性能，证明了在773K退火的AZ31镁合金轧制板材极限拉伸比可以达到1.7。Mori(2009)等证明，一个两阶段的冷冲压工艺，有助于冲出镁合金杯。Watanabe（2004）等提出可以通过减少（0002）基面织构来改善镁合金板材在室温下的塑性。通过减少（0002）基面织构，商用镁合金板材冷拉深成形时的极限拉深比由1.2提高到了1.4(Iwanaga等,2004）。众所周知，等通道转角挤压（ECAP，equal channel angular pressing）是获得一个倾斜的基面织构的有效方法，它能明显地改善拉伸伸长率（(Kim等,2003），但很难用ECAP来制备薄板。据报道，用交叉轧制(Chino et al,2006)和不同速率轧制(X.S.Huang et al,2009)制备的镁合金轧制板材要比正常轧板表现出较高的冲压成形性能。因此，改善镁合金板材的室温成形性能进而扩大镁合金的应用，最重要的是改变或削弱基面织构。 老版本的金属手册（ASM Metals Handbook 1969）提出“特殊弯曲板材”，由Dow Magnesium生产。特殊弯曲的薄板，织构有所改善，比传统的AZ31板材具有较好的成形特性。 以往的研究（G.S.Huang等，2009）表明，RUB通过弱化基面织构也提高了镁合金板材的拉伸成形性。RUB处理的板材与冷轧镁合金板材相比，杯突值从3.53显著地增加到5.90。然而，到目前为止，很少有研究人员来研究镁合金板材冷冲压成形性。冷冲压产品，如笔记本电脑和手机外壳，在其他调查中没有被报道。因此需要研究镁合金的冷变形特性，建立镁合金冷成形技术的基础知识。 本文中，在室温下采用单轴拉伸试验来研究AZ31镁合金板材冲压性能，深冲冷冲压手机外壳。将RUB处理的板材与原始片材进行性能比较。 2、实验材料和过程 2.1实验材料的制备 在实验中将厚为0.8毫米的AZ31B商业镁合金板材，切割成1000mm×100mm（长×宽）。图1显示了RUB过程的示意图。支撑圆柱的半径为1mm，弯曲角度为90?。镁合金板材在圆柱的支撑下恒速弯曲。RUB处理后的片材在533K下进行60分钟退火，然后进行拉伸，深拉伸，冷冲压手机外壳等试验。 以往的研究（Song等，2010；Huang等，2010）研究了RUB处理AZ31镁合金的显微组织和织构演变。相对于原始板材，RUB处理后的板材晶粒有所细化。之后对RUB处理的镁合金板材进行260℃退火，在板材表面晶粒明显长大，而中部地区几乎没有增长。两个试样的平均晶粒尺寸几乎相同。图2显示了两个试样的{0002}极图。原始板材表现出强烈的基面织构，其中大多数的晶粒取向是{0002}基底面平行于轧板的轧制平面。相比之下，RUB处理的板材晶粒的C轴由原始的ND方向向RD方向转动了一个较大的倾角，削弱了板材的基面织构。 2.2单轴拉伸试验 拉伸试样长度为57mm，宽度为12.5mm，厚度为0.8mm。沿轧板轧制方向的0?（RD）和45?和90?（TD）进行切割取样。测试之前，所有的样品被砂纸抛光以消除划痕，避免断裂发生在试样的不想要的位置。单轴拉伸试验是在CMT6305-300kN试验机上进行，初始应变率3×10-2s-1，考查其力学性能，如屈服强度，极限拉伸强度和断裂伸长率。并进行应变硬化指数（n值）和塑性应变比值（r值）的计算。 Fig.1. Schematic diagram of the RUB process. 图1  单向多道次弯曲示意图 Fig.2. {0002} Pole figures of as-received sheet and RUB sheet. (a) as-sample, max density=8.66; (b) RUB sample, max density = 7.31. 图2  原始板材和RUB处理后板材的{0002}极值 (a) 原始试样，max值=8.66； (b)RUB处理试样，max值=7.31 2.3极限拉伸比（LDR，limiting drawing ratio）试验 探讨RUB处理的AZ31镁合金板材的深冲性能，利用600吨液压机进行室温成形性能试验测定试样的极限拉深比（LDR）。图3和表1分别显示了模具的示意图和几何尺寸。将镁合金板材采用线切割的方式加工成不同直径尺寸的圆形试样。在深拉伸之前，所有的圆形试样都应该用砂纸抛光以避免裂纹的产生。采用刚性压边模具，可通过调节弹簧松紧程度提供充分有效的压边力。因此模具被用油均匀地润滑，孔没有润滑。 Fig.3. Schematic diagram of mold. 图3 模具示意图 Table1 Parameters of punch and die used in the experiment 表 1 试验用冲压机和模具参数 2.4冷冲压手机外壳 用AZ31镁合金原始板材和RUB处理板材制备成0.6mm厚板材试样进行实验。用三套冲压模来制备手机外壳，包括落料模、拉深模、冲孔模。与冲裁模相比，拉深模的结构更为复杂。拉深模具参数如下：凸模圆角半径Rp=1mm；凹模圆角半径Rd=2mm；模具直壁间隙C=0.6mm；模具角处间隙C=0.66mm。由曲柄压力机驱动三套模具完成了落料、拉深和冲孔过程。 3、结果 3.1力学性能 图4显示了原始样品和RUB处理的试样在RD，45?和TD方向拉伸的真实应力应变曲线。与原始样品相比，RUB处理的试样表现出较大的面内各向异性，可以从真实应力应变曲线拉伸变形形成阶段观察到显著差异。在RD方向的拉伸试样的加工硬化效应较强，以及屈服变形后的45和TD试样。图5所示为屈服强度、抗拉强度和断裂伸长率。RUB处理的试样与原始试样无论哪个方向的拉伸强度几乎都相同。而RUB处理的试样屈服强度明显低于原始，尤其是在RD方向。这些结果表明RUB过程对屈服强度而不是抗拉强度有强烈的影响。此外，该RUB试样与原始试样相比，断裂伸长率在RD，45?和TD方向拉伸均有所改进，特别是在RD方向增加得最大，由19.2%增加至26.7%。这些主要是由于RUB试样具有较强的加工硬化效果，有助于增加的断裂伸长率。首先，C轴向RD方向倾斜降低了屈服强度，但提高了加工硬化，这有助于提高均匀伸长率。 原始试样和RUB处理试样的n值和r值如图6所示。与原始试样相比，RUB处理的试样表现出一个较小的r值和较大的n值，特别是在RD方向，r值从2.15降低到0.92，n值从0.20增加到0.29。原始试样的n值和RUB处理的试样的差异值随着拉伸角度的增加而减小。与原始样品比较，平均R值由2.45下降到1.36，平均值n值从0.175上升到0.225。R下降表明：在塑性变形过程中，板的厚度更容易减少或增加。 Fig.4. The true stress–strain curves of the as-received specimens and the RUB processed specimens in the tensile directions of RD, 45? and TD (RD, rolling direction; TD, transverse directions). 图4 原始样品和RUB处理的试样在RD，45?和TD方向拉伸的真实应力应变曲线 Fig.5.(a) Tensile strength and yield strength, (b) fracture elongation of the as-received specimens and the RUB processed specimens in the tensile directions of RD, 45? and TD. 图5 （a）抗拉强度和屈服强度，（b）原始样品和RUB处理的试样在RD，45?和TD方向拉伸的断裂伸长率 3.2 极限拉伸比LDR 极限拉伸比（LDR）是由RD=D0/DP表达，其中D0和DP分别为毛坯直径和冲头直径。图7显示原始试样和RUB处理试样在LDR=1.5时的冷深拉杯。原始试样在 Fig.6. r-Value and n-value of the as-received specimens and the RUB processed specimens in the tensile directions of RD, 45? and TD. 图6 原始试样和RUB处理试样在在RD，45?和TD方向拉伸的n值和r值 Fig.7. Cold deep drawn cups with different drawing depth of as-received specimen and the specimen undergoing RUB process for DR= 1.5. 图7 原始试样和RUB处理试样在LDR=1.5时的冷深拉杯 冲肩处断裂，拉深深度仅为7.2mm。然而，RUB处理的试样的深拉伸杯表现出良好的外观，拉深深度为11.8mm。与原始试样相比，RUB试样表现出更好的冲压成形性能。这主要是由于RUB处理的试样织构较为分散，有助于拉深深度的增加。当拉伸深度达14.8mm时，RUB处理试样在冲杯的边缘发生断裂。Yang等(2008)研究的模具如图8（a）所示，力不施加到边部。通过模具角处、压边交换施加于边缘，拉深的中间阶段具有环形，如图8（b）(Mori and Tsuji,2007)。此外，镁合金薄板通过凹模圆角时，断裂发生在杯子顶部弯曲与不弯曲的过渡处。之前有研究指出，与铝合金板相比（包括AA2024，6061，7075），镁合金由于其较强的平面内各向异性以及机械孪晶诱导导致弯曲毛坯两侧拉伸-压缩强度不对称而表现出较差的弯曲塑性（Agnew等，2006）。图9显示了使用压边圈与环形投影的冷深拉杯，拉深的中间阶段如图8（b）。目前的实验条件下RUB处理样品的LDR=1.5。然而，相对于圆杯拉深，手机外壳的厚度只有6毫米，因此随后的冷冲压手机外壳在压边圈采用一步法进行并使用平板压边圈。 Fig.8.The edge of the blank passes though the corner of the die at different pressure situations: (a) No blank holder force; (b) action of blank holder force. 图8 板材在不同压力状态下通过模具圆角处的边缘状况：（a）没有压边圈限制；（b）有压边圈限制 Fig.9. Cold deep drawn cup using the blank holder with a ring-shaped projection. 图9 用有环形突出的压边圈模具制备的冷冲杯 图10显示了RUB处理试样的冷深拉伸杯与轧制方向夹角为0?（RD），45?，90?（TD）方向的厚度应变。曲线的谷低代表杯角部分。尽管三个方向的r值不同，但在杯角处值是大致相同的。众所周知，杯周围的周向应力导致拉深过程中厚度增加。对于具有倾斜的基面织构的RUB处理板材，厚度方向应变可由基面滑移产生。 Fig.10.Distributions of wall thickness strain of drawn cups for α=1.5. 图10 α=1.5时的深冲杯的壁厚应变分布 3.3手机外壳的冷冲压 初步的实验结果表明，RUB工艺对AZ31镁合金板材的冲压成形性能具有重要的影响。图11显示了冷冲压手机外壳的结果。原始板材未成功制备出手机外壳，如图11(a)所示。而RUB处理样品制备成功，如图11(b)。实验结果表明，RUB工艺有利于提高镁合金板材拉深成形性。除此之外，可成功地使用RUB处理的AZ31镁合金板材在曲柄压力机上冷冲压出手机外壳。 4、讨论 G.S. Huang等(2009)研究表明，RUB处理过程中获得的一个倾斜的基底织构，使镁合金板材的室温拉伸成形和力学性能均有所提高。Agnew和Duygulu(2005) 以及Koike等(2003)指出，具有强烈基面织构的镁合金板材，宽度应变εW通过柱面滑动所产生，而厚度应变是由锥面＜c+a>滑移和孪生产生。因此，拥有高r值的原始板材变形能力较差（X.S. Huang等2009)。相反，利用RUB工艺获得的具有倾斜基底织构的镁合金板材的厚度应变可通过基底滑移产生的，这导致产生了一个较低的r值。一般认为，高的r值有利于板材的成形性，并会导致更高的极限拉伸比(Lee,1984)。然而，RUB处理的板材具有较低的r值，室温拉伸性能较好。结果表明，镁合金板材的r值和板材成形性之间的关系，应以与立方金属不同的方式来解释。较低的值意味着增加厚度应变，这有利于提高深拉杯圆角处的成形性。以前的研究(Cheng等,2007;Yi等,2010)也得出同样的结论，但成形性能和较低的R值之间的关系仍不清楚，需要进一步的研究。据悉，有着有利于基面滑移的织构的板材表现出优越的性能，包括伸展形式变形（G.S. Huang等，2009）和深冲变形（Cheng等，2007）。因此，镁合金板材的成形性可以通过RUB工艺弱化基面织构的方法来改善。与原始板材相比，RUB处理的板材的杯突值从5.90增加到3.53，增加了差不多67%。RUB处理板材的LDR可以从原来的1.2增加到1.5（Chino等2006)。RUB处理后杯突值增大是由于较大的n值和较小的r值，提高了板材在拉伸成形过程中变薄的能力。原始板材成形性较低可能是由于其较小的均匀延伸率和较大的r值，限制了拉深过程边缘厚度塑性变形的增加（X.S. Huang等，2009）。RUB处理的板材由于具有较大的均匀延伸率和较低的r值，而具有优异的深冲性能。本研究中还表明在室温下RUB处理的板材具有卓越的成形性，并在曲柄压力机上成功地冲压出手机外壳。 Fig.11.The results of cold stamping of cell phone housings: (a) as-received sample; (b) the RUB processed specimen. 图11 冷冲压手机外壳结果：（a）原始试样；（b）RUB处理试样 5、结论 通过拉伸试验、深拉伸试验和冷冲压手机壳体试验研究AZ31B镁合金板材的成形性能。研究结果表明，与未处理的片材相比，RUB处理后的板材具有较低的屈服强度，较低的屈强比，较大的断裂伸长率，较小的r值，较大的应变硬化指数n值，具有优良的拉伸成形性。RUB处理板材的室温LDR值可以达到1.5。这是因为RUB得到的镁合金板材具有倾斜的基面织构，因此具有良好的室温形成能力。因而应用RUB处理的AZ31B镁合金薄板可以成功地在曲柄压力机上冲压手机外壳。 参考文献 [1] Agnew, S.R, 2005. Plastic anisotropy and the role of non-basal slip in magnesium alloy AZ31B.Int.J.Plasticity 21, 1161–1193. [2] Agnew, S.R., Senn, J.W., Horton, J.A., 2006. Mg Sheet metal forming: lessons learned from deep drawing Li and Y solid-solution alloys. JOM 58 (5), 62–69. [3] ASM Committee on Fabrication of Magnesium, 1969. Metals Handbook, vol. 4(8), pp. 424–431. [4] Chen, F.K., Huang, T.B., 2003. Formability of stamping magnesium-alloy AZ31 sheets .J. Mater. Proc. Technol. 142, 643–647. 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