銅鎂鈦及其合金的板料沖壓成形性能說課材料

1、銅鎂鈦及其合金的板料沖壓成形性能2 銅及銅合金板料成形研究前沿現(xiàn)代高精銅及銅合金帶材具備優(yōu)良的表面質(zhì)量，滿足后續(xù)電鍍、焊接、沖壓等二次加工對銅帶表面的技術(shù)要求。銅板料沖壓件主要應(yīng)用于電子工業(yè)。為了克服純銅質(zhì)軟的不足，銅的板料成形朝著兩個(gè)方向發(fā)展：一方面改善材料組織性能，利用銅合金板料成形(如：鎢銅合金板材)和超細(xì)晶(UFG)銅板料成形；另一方面發(fā)展新的成形方法。2.1 銅及銅合金板料成形研究趨勢銅是面心立方金屬，強(qiáng)度低，變形性能優(yōu)良。超細(xì)晶(Ultrafine grained，UFG)銅板料料是由嚴(yán)重塑性變形(severe plastic deformation，SPD)方法生產(chǎn)的。具有傳統(tǒng)銅

2、板料不具備的優(yōu)良力學(xué)性能。SPD方法中等徑角擠壓法(equal channel angular pressing ,ECAP)是等徑角擠壓(Equal Channel Angular Pressing)是一種利用純剪切變形細(xì)化晶粒的大塑性變形加工方法,已引起人們的極大關(guān)注。根據(jù)路線、溫度和在加工中使用的工序數(shù)，ECAP可以生產(chǎn)各種超細(xì)晶材料。2.2 銅及銅合金板料成形研究成果 等徑角擠壓法屬于一種SPD工藝，主要用于超細(xì)晶材料的微成形(microforming)，利用ECAC成形的超細(xì)晶銅板厚度達(dá)到0.4mm(2009, Australia)。另外，利用ECAC二向成形的超細(xì)晶銅板（箔）的極限

3、拉深比為1.92.0，而粗晶粒銅板的為2.2，但是并沒有出現(xiàn)拉伸強(qiáng)度上升延展性下降的現(xiàn)象。 等徑角擠壓法之前，現(xiàn)將工業(yè)純銅（99.95%）在保護(hù)氣體中600退火2h，制成截面為2020mm2的桿狀坯料，然后在壓力機(jī)上反復(fù)擠壓。 在室溫下對Q235鋼成功進(jìn)行了C方式11道次等徑彎曲通道，等效應(yīng)變約高達(dá)11，獲得了亞微晶鐵素體組織。4次ECAC擠壓后材料的杯狀實(shí)物(右上)。ECAC擠壓模具的FE模型（左下）。不同次擠壓后材料的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線(右上)?？估瓘?qiáng)度(實(shí)線)和拉伸延性(虛線)是擠壓數(shù)量的函數(shù)（右下）。ECAC次數(shù)與極限拉深比的關(guān)系（左下）。8次擠壓后不同極限拉深比（LDR）的銅杯(LDR

4、為：a Db/Dp = 2.4; b Db/Dp = 2.2; c Db/Dp = 1.9; d Db/Dp = 1.6)，主要是由摩擦引起的破裂。左邊為實(shí)物圖，右邊為FE模擬(ABAQUS/Explicit）圖。LDR為最大拉深半徑與凸模半徑的比。研究表明，隨著擠壓次數(shù)增加，延伸率的降低有原來的50%減少到10%，而LDR幾乎不變。這使得ECAC在超細(xì)晶銅板料成形中那個(gè)充分挖掘材料的潛力。LDR值越大越有利于變形。實(shí)驗(yàn)和模擬LDR值如右圖。2 鎂及鎂合金板料成形前沿鎂及鎂合金板料成形前沿鎂是常用金屬結(jié)構(gòu)材料中最輕的一種，是地殼中最豐富的元素之一，約占地殼組成的2.5，其熔點(diǎn)為651，比重僅為

5、1749cm3，標(biāo)準(zhǔn)電位為-2.363V，是負(fù)電性很強(qiáng)的金屬。鎂合金主要優(yōu)點(diǎn)如下：1)密度小，只是鋼鐵的29，鋁合金的23，是最輕的結(jié)構(gòu)合金，能有效降低部件的重量，節(jié)約能耗；2)比強(qiáng)度大，略低于比強(qiáng)度最大的纖維增強(qiáng)材料，遠(yuǎn)高于工程塑料；3)阻尼性很好，吸收能力強(qiáng)，具有極強(qiáng)的減震性，可用于震動(dòng)劇烈的場合，用在汽車上可增強(qiáng)汽車的安全性和舒適性；4)導(dǎo)熱性好，膨脹系數(shù)較大，彈性模量低，稍遜于一般的鋁合金，是一般工程材料的300倍，且溫度依賴性低，可用于制造要求散熱性能好的電子產(chǎn)品；5)鎂合金是非磁性屏蔽材料，電磁屏蔽性能好，抗電磁波干擾能力強(qiáng)，可用于手機(jī)等通訊產(chǎn)品；6)鎂合金加工成形性好，外觀質(zhì)感好

6、，可制作筆記本電腦、照相機(jī)外殼；7)鎂合金線收縮率小，尺寸穩(wěn)定，不易因環(huán)境而改變(相對于工程塑料)；8)材料可100回收，符合環(huán)保要求。 正是基于上述的優(yōu)點(diǎn)鎂合金已經(jīng)部分取代鋅、鋁、鑄鐵和鋼等材料，在3C行業(yè)、汽車行業(yè)、國防、航空航天以及日常生活用品等方面有著廣泛的應(yīng)用。目前世界上的鎂合金件，以鑄造工藝（包括傳統(tǒng)的鑄造、壓鑄工藝和新型的半固態(tài)鑄造等工藝）生產(chǎn)的占80以上如我國臺(tái)灣省每年所生產(chǎn)的鑄造鎂合金筆記本電腦殼體占世界產(chǎn)量的60，而日本則占30 ；鎂合金在汽車上的應(yīng)用也逐漸發(fā)展：鑄造法生產(chǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、儀表盤、車輪等正成為各大知名廠家的首選 。 壓力加工方式生產(chǎn)的鎂合金零件也開始進(jìn)入人們的

7、視野，因?yàn)檫@種工藝生產(chǎn)的零件機(jī)械性能較好，并且在薄壁件的生產(chǎn)上占有一定的優(yōu)勢。國際鎂業(yè)協(xié)會(huì)(IMA)將開發(fā)變形鎂合金的新合金、新工藝列為長期目標(biāo)，認(rèn)為發(fā)展變形鎂合金是最富有挑戰(zhàn)性的工作，對未來鎂合金的應(yīng)用有重大的意義。3.1 鎂合金板材的加工方法 擠壓鎂合金板材：常采用溫?cái)D或熱擠壓成形，也可采用擠壓圓管的方式進(jìn)行鎂合金板帶材擠壓成形，擠壓后將圓管沿軸向切開，再對其進(jìn)行展平或軋制加工則可獲得鎂合金板材或鎂合金帶材。 軋制鎂合金板材：熱軋（材料溫度在在結(jié)晶溫度以上的軋制） 。平輥軋制（用軋輥為均勻的圓柱體的平輥進(jìn)行的軋制）。 連鑄連軋鎂合金板材：將連續(xù)鑄造、鑄造、軋制，甚至熱處理等串連為一體，鑄出

8、毫米級(jí)的薄帶坯，經(jīng)在線軋制后一次性形成工業(yè)產(chǎn)品。3.2 國內(nèi)外鎂合金板料生產(chǎn)狀況 擠壓法直接生產(chǎn)所需鎂合金板材工藝的實(shí)現(xiàn)應(yīng)歸功于日本的三協(xié)鋁業(yè)，該公司在2002年宣布擠制出0.4mm厚、180mm寬的AZ31鎂合金薄板，并成功應(yīng)用于生產(chǎn)數(shù)碼相機(jī)和數(shù)碼錄像機(jī)的外殼與托架；2003年又宣布擠制出寬300mm、厚0.7mm的AZ31鎂合金板，并應(yīng)用于筆記本電腦外殼的生產(chǎn) ;我國某鋁合金型材生產(chǎn)廠也于2003年推出自己的擠壓鎂合金板(帶)材，其厚度最薄達(dá)0.35mm，最厚為3mm，而寬度較小，僅100mm。美、俄、德等國的鎂合金板材生產(chǎn)能力相當(dāng)強(qiáng)勁，但主要集中在中、厚板，且主要用在航天器等方面，民品方

9、面開發(fā)得并不多；但德國近年來對薄板的投入較大，已能生產(chǎn)常溫下單向延伸率達(dá)15、厚度為1mm的AZ31板。近幾年，各國都根據(jù)需要，開發(fā)出多種新型變形鎂合金板材，但在室溫下塑性成形能力依舊較差，還需借助優(yōu)化熱加工工藝來成形所需的制品。但有一個(gè)例外，就是MgLi金板，它在常溫下的成形能力比不銹鋼還好，腐蝕的問題也得到了解決。其唯一的缺點(diǎn)，就是所需添加的稀土元素使這類合金的成本較高，增加了推廣使用的難度。3.3 合金板材的沖壓成形研究在鎂合金板材沖壓加工的研究方面，德國大眾公司已遠(yuǎn)遠(yuǎn)走在世界其他汽車生產(chǎn)公司的前面，它所生產(chǎn)的Polo、Audi等汽車的內(nèi)車門板就是Az31鎂合金板熱沖成形的。大眾公司做了

10、很多整車碰撞實(shí)驗(yàn) ，認(rèn)為用AZ31鎂合金板制造的汽車車門比不銹鋼板材制造的車門具有更大的優(yōu)勢，不僅減輕汽車質(zhì)量，而且耐沖擊能力也得到較大的提高。 他們認(rèn)為如果常溫延伸率超過就15，就可以解決熱沖鎂合金板所帶來的諸如板材晶粒粗大、氧化嚴(yán)重等導(dǎo)致成形件力學(xué)性能下降的問題。德國的Doege等在鎂合金板材拉延成形方面做了較多的工作，他研究了溫度和拉延速度對于鎂合金板材拉延率的影響，并成功地拉制出相對復(fù)雜的零件。愛爾蘭都柏林城市大學(xué)SYoshihara等人進(jìn)行了AZ31鎂合金筒形拉深實(shí)驗(yàn)，在這個(gè)實(shí)驗(yàn)當(dāng)中所采用的是凹模和壓邊圈與材料變形區(qū)接觸的部分加熱，而凸模通冷卻水冷卻，即局部加熱冷卻的方法進(jìn)行熱拉深試

11、驗(yàn)，并且對相關(guān)的工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，得到了較好的拉延極限系數(shù)。結(jié)果表明，采用合理的局部加熱和凸模冷卻技術(shù)在坯料上建立合適的溫度分布可有效提高鎂合金AZ31的極限拉深比，并降低成形件厚度分布的不均勻性。在成形溫度為180和230，凸模速度為6mm/min，極限拉深比分別達(dá)到3.25和3.375；此外，鎂合金AZ31在溫?zé)釛l件下顯示出明顯的成形速度敏感性，隨著凸模速度的增加，極限拉深比顯著下降，在成形溫度為230時(shí)，增加成形速度從6mm/min到60mm/min，極限拉深比從3.375減少到2.8。 中國科學(xué)院金屬研究所的張士宏與上海交通大學(xué)合作，利用塑性較好的板材在低于200的條件下研究了Az3

12、1鎂合金板的拉延性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，AZ31鎂合金板在170左右的拉延比可達(dá)到2.0。近幾年，各國都根據(jù)需要，開發(fā)出多種新型變形鎂合金板材，但在室溫下塑性成形能力依舊較差，還需借助優(yōu)化熱加工工藝來成形所需的制品。但有一個(gè)例外，就是MgLi金板，它在常溫下的成形能力比不銹鋼還好，腐蝕的問題也得到了解決。其唯一的缺點(diǎn)，就是所需添加的稀土元素使這類合金的成本較高，增加了推廣使用的難度。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的張凱峰等對AZ31鎂合金板材的熱拉深性能進(jìn)行了研究，同樣認(rèn)為AZ31最佳的成形溫度為200，在這個(gè)溫度下，AZ31板的最大拉延比可達(dá)2.65；并提出，由于AZ31板的缺口敏感性較大，在成形中易出現(xiàn)拉裂的現(xiàn)象

13、，因此成形過程宜使用較低速度的液壓機(jī)。如下圖所示：小結(jié)：鎂合金板料拉深成形的極限高度值隨溫度成凸曲線變化；在相對較底溫度范圍內(nèi)鎂合金板料拉深成形的極限高度值隨溫度的增大而增大，在高溫時(shí)隨溫度的升高而降低，一般情況下，鎂合金板料熱沖壓的最佳溫度范圍是200-400。鎂合金板料的成形性能比較復(fù)雜，它不僅和成形溫度有關(guān)，而且和凸凹模尺寸、圓角半徑、凸模行程大小、凸模速度、潤滑狀態(tài)等也有關(guān)系，因此，鎂合金板料成形性能分析必須考慮綜合因素。3.4 有限元軟件應(yīng)用于鎂合金板料成形隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，有限元軟件的發(fā)展速度迅速，功能日漸強(qiáng)大。目前，國際上廣泛采用的通用有限元軟件有ABAQUS、ANSYS

14、、MARC等。利用商業(yè)軟件進(jìn)行計(jì)算現(xiàn)在已經(jīng)是科學(xué)研究中的一項(xiàng)重要手段。但是，由于工程問題的千差萬別不同的用戶有不同的專業(yè)背景和發(fā)展方向，大部分的通用軟件都提供了二次開發(fā)功能來解決專業(yè)方面的不足。例如ABAQUS軟件提供了兩種不同的二次開發(fā)功能，一是提供用戶子程序(User Subroutines)接口，它的功能非常強(qiáng)大且適用于分析。它主要用在材料本構(gòu)模型開發(fā)上，通過用戶材料子程序UMAT(User-defindeMaterial Mechanical Behavior)接口可以幫助用戶定義自己的材料本構(gòu)模型和算法。另一種方法，即用ABAQUS本身自帶的腳本語言(Python)進(jìn)行二次開發(fā)，目前

15、國內(nèi)還處于起步階段。4 鈦及鈦合金板料成形研究前沿 由于鈦合金在相同比重下具有高強(qiáng)度，良好的耐腐蝕性和高的加工溫度，最近幾十年，鈦合金在航空領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。鈦合金的系列具有很廣的強(qiáng)度范圍，以及很多的強(qiáng)度和斷裂韌性組合，這些特性使鈦合金可以用作航空航天器的關(guān)鍵部件。選擇鈦合金的依據(jù)是強(qiáng)度，韌性，疲勞性能和裂紋增長對使用壽命的影響。 4.1 鈦及鈦合金板料研究趨勢 目前應(yīng)用于飛機(jī)行業(yè)的復(fù)雜鈦合金組件成形技術(shù)主要包括拉深、熱成形、超塑性成形(SPF)和水壓成形。選擇實(shí)際的加工方法取決于制件形狀的復(fù)雜性和鈦合金材料的性能。1）熱成形和超塑性成形(SPF)工藝主要用于制造幾何形狀復(fù)雜和強(qiáng)度要求高的鈦

16、合金零件(如：Ti6-4、Ti 6-2-4-2)。在航空工業(yè)領(lǐng)域的代表性例子是進(jìn)氣口艙壁，后整流罩部件和渦輪塔組件（如下圖）。圖4.1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片（2011，Germany）航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片熱成形CAD模具(上左)及其加熱裝置(下圖)，LS-DYNA v971熱成形測試FE模型(2006)(上右)材料Ti6Al4V，成形溫度400560 ，成形尺寸579235mm，最高加熱溫度950，壓邊力1850kN，時(shí)間15min，工業(yè)機(jī)器人ASEA-ERB3000-S3送料，激光切割。（2011，Germany）2）冷成形主要用于成形低強(qiáng)度到中等強(qiáng)度鈦合金(如：Ti-grade 2, grad

17、e 4, grade 9)(ASTM B265標(biāo)準(zhǔn))制造的零件。冷成型的代表性應(yīng)用包括吊架整流罩，系統(tǒng)支撐架和空氣收集器等零件。3）不對稱的增量板料成形(AISF)工藝作為航空航天技術(shù)產(chǎn)業(yè)的一種低成本、靈活的成形技術(shù)，在過去幾年里獲得了日益廣泛的關(guān)注，并有可能成為一項(xiàng)成形復(fù)雜鈦組件的突破性技術(shù)。AISF是一種基于局部和連續(xù)的板料塑性變形非常規(guī)成形技術(shù)，其中板料在凸模的作用下依據(jù)連續(xù)的數(shù)控路徑變形。其中，鈦合金的拉伸行為特征和成形性是主要性能。4.1 鈦合金板料成形研究成果 不對稱增量板料成形(AISF，asymmetric incremental sheet forming，Germany)工

18、藝是一種由加工中心驅(qū)動(dòng)模具在工件上移動(dòng)產(chǎn)生局部的塑性變形的板料成形最新工藝。制件的最終形狀是由一系列局部變形組成的。該工藝主要用于加工航空和醫(yī)用小型零件。鈦合金的AISF加工局限在于室溫下鈦合金的室溫變形能力有限，并且鈦合金零件的幾何精度較低。激光輔助AISF(laser-assisted，AISF)在一定程度上擴(kuò)大了部分鈦合金Ti Grade 5(TiAl6V4)的成形局限，該方法可以推廣到其他鈦合金。4.2 鈦合金板料成形研究成果AISF 成形工具(右上)；AISF 工藝下不同鈦合金的最大成形深度(右下)；激光輔助AISF 工藝下不同鈦合金的最大成形深度98mm(左下)。激光輔助AISF

19、成形設(shè)備(右上)；板料上的激光光斑(右中，材料為1.5 mm厚度的Ti Grade 2和TiAl6V4板料，成形速度4,000 mm/min)；制件幾何圖形(右下)。激光輔助AISF的同軸旋轉(zhuǎn)激光器(左下)。激光輔助AISF成形工藝特點(diǎn)：1）由于AISF工藝是局部成形，因此激光加熱也是局部的；2）激光束加熱需要先于工具成形，以保持毗鄰金屬的穩(wěn)定性；3）激光光斑圍繞成形工具旋轉(zhuǎn)以獲得復(fù)雜幾何形狀(右下)；4）需要計(jì)算機(jī)輔助加工規(guī)劃以快速成形，并進(jìn)行FE模擬(左下)；5）激光要與機(jī)器控制集成。4.2 鈦及鈦合金板料研究成果 商業(yè)純鈦(CP)和幾種鈦合金的力學(xué)行為及變形機(jī)制在過去幾年中已經(jīng)被廣泛研究

20、。宏觀層面上，鈦合金在不同應(yīng)變速率下拉伸時(shí)，有一個(gè)明顯的效應(yīng)：即依賴于應(yīng)變速率的測試溫度也強(qiáng)烈地影響著鈦的拉伸性能。研究表明，測試溫度越高，鈦合金的變形越大。圖為不同應(yīng)變速率下(hcp)結(jié)構(gòu)Ti-40的拉伸試樣(右上)和真應(yīng)力-真應(yīng)變圖(右下)。 鈦合金拉伸測試(中島測試法，Nakajima test)試樣變形圖(右圖),以及(hcp)結(jié)構(gòu)Ti-40合金的FLD(下圖)。5 總結(jié)由銅、鎂、鈦的純金屬及其合金制成的板料經(jīng)沖壓工藝成形為各種各樣的工業(yè)制品。ECAC是一種能有效細(xì)化材料的微觀組織、提高材料綜合性能、改善難變形材料成形性的新技術(shù)?；诔尚螛O限圖(FLDs)高性能的沖壓制件，成形極限圖(FLDs)提供了成形中金屬板維持變形的極限應(yīng)變。成形極限圖最近在成形工藝的數(shù)值