铜镁钛及其合金的板料冲压成形性能

铜镁钛及其合金的板料冲压成形性能板料成形CAE分析1°引言•由铜、镁、钛的纯金属及其合金制成的板料，经冲压工艺成形为各种工业制品。近年来，随着技术创新，对三种金属及其合金的研究不断推新。•本文依次总结了铜、镁、钛三种金属及其合金板料成形方面目前的研究趋势和已有的研究成果。2°铜及铜合金板料成形研究前沿•现代高精铜及铜合金带材具备优良的表面质量，满足后续电镀、焊接、冲压等二次加工对铜带表面的技术要求。•铜板料冲压件主要应用于电子工业。为了克服纯铜质软的不足，铜的板料成形朝着两个方向发展：一方面改善材料组织性能，利用铜合金板料成形(如：钨铜合金板材)和超细晶(UFG)铜板料成形；另一方面发展新的成形方法。2.1铜及铜合金板料成形研究趋势•铜是面心立方金属，强度低，变形性能优良。•超细晶(Ultrafinegrained，UFG)铜板料料是由严重塑性变形(severeplasticdeformation，SPD)方法生产的。具有传统铜板料不具备的优良力学性能。•SPD方法中等径角挤压法(equalchannelangularpressing,ECAP)是等径角挤压(EqualChannelAngularPressing)是一种利用纯剪切变形细化晶粒的大塑性变形加工方法,已引起人们的极大关注。•根据路线、温度和在加工中使用的工序数，ECAP可以生产各种超细晶材料。2.2铜及铜合金板料成形研究成果等径角挤压法属于一种SPD工艺，主要用于超细晶材料的微成形(microforming)，利用ECAC成形的超细晶铜板厚度达到0.4mm(2009,Australia)。另外，利用ECAC二向成形的超细晶铜板（箔）的极限拉深比为1.9–2.0，而粗晶粒铜板的为2.2，但是并没有出现拉伸强度上升延展性下降的现象。等径角挤压法之前，现将工业纯铜（99.95%）在保护气体中600℃退火2h，制成截面为20×20mm2的杆状坯料，然后在压力机上反复挤压。在室温下对Q235钢成功进行了C方式11道次等径弯曲通道，等效应变约高达11，获得了亚微晶铁素体组织。•4次ECAC挤压后材料的杯状实物(右上)。•ECAC挤压模具的FE模型（左下）。•不同次挤压后材料的真应力-应变曲线(右上)。•抗拉强度(实线)和拉伸延性(虚线)是挤压数量的函数（右下）。•ECAC次数与极限拉深比的关系（左下）。•8次挤压后不同极限拉深比（LDR）的铜杯(LDR为：aDb/Dp=2.4;bDb/Dp=2.2;cDb/Dp=1.9;dDb/Dp=1.6)，主要是由摩擦引起的破裂。左边为实物图，右边为FE模拟(ABAQUS/Explicit）图。•LDR为最大拉深半径与凸模半径的比。•研究表明，随着挤压次数增加，延伸率的降低有原来的50%减少到10%，而LDR几乎不变。这使得ECAC在超细晶铜板料成形中那个充分挖掘材料的潜力。•LDR值越大越有利于变形。•实验和模拟LDR值如右图。2°镁及镁合金板料成形前沿•镁是常用金属结构材料中最轻的一种，是地壳中最丰富的元素之一，约占地壳组成的2.5％，其熔点为651℃，比重仅为1．749／cm3，标准电位为-2.363V，是负电性很强的金属。镁合金主要优点如下：•1)密度小，只是钢铁的2／9，铝合金的2／3，是最轻的结构合金，能有效降低部件的重量，节约能耗；•2)比强度大，略低于比强度最大的纤维增强材料，远高于工程塑料；•3)阻尼性很好，吸收能力强，具有极强的减震性，可用于震动剧烈的场合，用在汽车上可增强汽车的安全性和舒适性；•4)导热性好，膨胀系数较大，弹性模量低，稍逊于一般的铝合金，是一般工程材料的300倍，且温度依赖性低，可用于制造要求散热性能好的电子产品；•5)镁合金是非磁性屏蔽材料，电磁屏蔽性能好，抗电磁波干扰能力强，可用于手机等通讯产品；•6)镁合金加工成形性好，外观质感好，可制作笔记本电脑、照相机外壳；•7)镁合金线收缩率小，尺寸稳定，不易因环境而改变(相对于工程塑料)；•8)材料可100％回收，符合环保要求。•正是基于上述的优点．镁合金已经部分取代锌、铝、铸铁和钢等材料，在3C行业、汽车行业、国防、航空航天以及日常生活用品等方面有着广泛的应用。•目前世界上的镁合金件，以铸造工艺（包括传统的铸造、压铸工艺和新型的半固态铸造等工艺）生产的占80％以上如我国台湾省每年所生产的铸造镁合金笔记本电脑壳体占世界产量的60％，而日本则占30％；镁合金在汽车上的应用也逐渐发展：铸造法生产的发动机壳体、仪表盘、车轮等正成为各大知名厂家的首选。•压力加工方式生产的镁合金零件也开始进入人们的视野，因为这种工艺生产的零件机械性能较好，并且在薄壁件的生产上占有一定的优势。•国际镁业协会(IMA)将开发变形镁合金的新合金、新工艺列为长期目标，认为发展变形镁合金是最富有挑战性的工作，对未来镁合金的应用有重大的意义。3.1镁合金板材的加工方法•挤压镁合金板材：•常采用温挤或热挤压成形，也可采用挤压圆管的方式进行镁合金板带材挤压成形，挤压后将圆管沿轴向切开，再对其进行展平或轧制加工则可获得镁合金板材或镁合金带材。•轧制镁合金板材：•热轧（材料温度在在结晶温度以上的轧制）。•平辊轧制（用轧辊为均匀的圆柱体的平辊进行的轧制）。•连铸连轧镁合金板材：•将连续铸造、铸造、轧制，甚至热处理等串连为一体，铸出毫米级的薄带坯，经在线轧制后一次性形成工业产品。3.2国内外镁合金板料生产状况•挤压法直接生产所需镁合金板材工艺的实现应归功于日本的三协铝业，该公司在2002年宣布挤制出0.4mm厚、180mm宽的AZ31镁合金薄板，并成功应用于生产数码相机和数码录像机的外壳与托架；2003年又宣布挤制出宽300mm、厚0.7mm的AZ31镁合金板，并应用于笔记本电脑外壳的生产;•我国某铝合金型材生产厂也于2003年推出自己的挤压镁合金板(带)材，其厚度最薄达0.35mm，最厚为3mm，而宽度较小，仅100mm。•美、俄、德等国的镁合金板材生产能力相当强劲，但主要集中在中、厚板，且主要用在航天器等方面，民品方面开发得并不多；但德国近年来对薄板的投入较大，已能生产常温下单向延伸率达15％、厚度为1mm的AZ31板。•近几年，各国都根据需要，开发出多种新型变形镁合金板材，但在室温下塑性成形能力依旧较差，还需借助优化热加工工艺来成形所需的制品。但有一个例外，就是Mg—Li金板，它在常温下的成形能力比不锈钢还好，腐蚀的问题也得到了解决。其唯一的缺点，就是所需添加的稀土元素使这类合金的成本较高，增加了推广使用的难度。3.3合金板材的冲压成形研究•在镁合金板材冲压加工的研究方面，德国大众公司已远远走在世界其他汽车生产公司的前面，它所生产的Polo、Audi等汽车的内车门板就是Az31镁合金板热冲成形的。大众公司做了很多整车碰撞实验，认为用AZ31镁合金板制造的汽车车门比不锈钢板材制造的车门具有更大的优势，不仅减轻汽车质量，而且耐冲击能力也得到较大的提高。他们认为如果常温延伸率超过就15％，就可以解决热冲镁合金板所带来的诸如板材晶粒粗大、氧化严重等导致成形件力学性能下降的问题。•德国的Doege等在镁合金板材拉延成形方面做了较多的工作，他研究了温度和拉延速度对于镁合金板材拉延率的影响，并成功地拉制出相对复杂的零件。•爱尔兰都柏林城市大学S．Yoshihara等人进行了AZ31镁合金筒形拉深实验，在这个实验当中所采用的是凹模和压边圈与材料变形区接触的部分加热，而凸模通冷却水冷却，即局部加热冷却的方法进行热拉深试验，并且对相关的工艺参数进行了优化，得到了较好的拉延极限系数。•结果表明，采用合理的局部加热和凸模冷却技术在坯料上建立合适的温度分布可有效提高镁合金AZ31的极限拉深比，并降低成形件厚度分布的不均匀性。在成形温度为180℃和230℃，凸模速度为6mm/min，极限拉深比分别达到3.25和3.375；此外，镁合金AZ31在温热条件下显示出明显的成形速度敏感性，随着凸模速度的增加，极限拉深比显著下降，在成形温度为230℃时，增加成形速度从6mm/min到60mm/min，极限拉深比从3.375减少到2.8。•中国科学院金属研究所的张士宏与上海交通大学合作，利用塑性较好的板材在低于200℃的条件下研究了Az31镁合金板的拉延性能，结果发现，AZ31镁合金板在170℃左右的拉延比可达到2.0。•近几年，各国都根据需要，开发出多种新型变形镁合金板材，但在室温下塑性成形能力依旧较差，还需借助优化热加工工艺来成形所需的制品。但有一个例外，就是Mg—Li金板，它在常温下的成形能力比不锈钢还好，腐蚀的问题也得到了解决。其唯一的缺点，就是所需添加的稀土元素使这类合金的成本较高，增加了推广使用的难度。•哈尔滨工业大学的张凯峰等对AZ31镁合金板材的热拉深性能进行了研究，同样认为AZ31最佳的成形温度为200℃，在这个温度下，AZ31板的最大拉延比可达2.65；并提出，由于AZ31板的缺口敏感性较大，在成形中易出现拉裂的现象，因此成形过程宜使用较低速度的液压机。如下图所示：•小结：镁合金板料拉深成形的极限高度值随温度成凸曲线变化；在相对较底温度范围内镁合金板料拉深成形的极限高度值随温度的增大而增大，在高温时随温度的升高而降低，一般情况下，镁合金板料热冲压的最佳温度范围是200℃-400℃。•镁合金板料的成形性能比较复杂，它不仅和成形温度有关，而且和凸凹模尺寸、圆角半径、凸模行程大小、凸模速度、润滑状态等也有关系，因此，镁合金板料成形性能分析必须考虑综合因素。3.4有限元软件应用于镁合金板料成形•随着计算机技术的飞速发展，有限元软件的发展速度迅速，功能日渐强大。目前，国际上广泛采用的通用有限元软件有ABAQUS、ANSYS、MARC等。利用商业软件进行计算现在已经是科学研究中的一项重要手段。•但是，由于工程问题的千差万别不同的用户有不同的专业背景和发展方向，大部分的通用软件都提供了二次开发功能来解决专业方面的不足。•例如ABAQUS软件提供了两种不同的二次开发功能，一是提供用户子程序(UserSubroutines)接口，它的功能非常强大且适用于分析。它主要用在材料本构模型开发上，通过用户材料子程序UMAT(User-defindeMaterialMechanicalBehavior)接口可以帮助用户定义自己的材料本构模型和算法。另一种方法，即用ABAQUS本身自带的脚本语言(Python)进行二次开发，目前国内还处于起步阶段。4°钛及钛合金板料成形研究前沿由于钛合金在相同比重下具有高强度，良好的耐腐蚀性和高的加工温度，最近几十年，钛合金在航空领域得到了广泛应用。钛合金的系列具有很广的强度范围，以及很多的强度和断裂韧性组合，这些特性使钛合金可以用作航空航天器的关键部件。选择钛合金的依据是强度，韧性，疲劳性能和裂纹增长对使用寿命的影响。4.1钛及钛合金板料研究趋势目前应用于飞机行业的复杂钛合金组件成形技术主要包括拉深、热成形、超塑性成形(SPF)和水压成形。选择实际的加工方法取决于制件形状的复杂性和钛合金材料的性能。1）热成形和超塑性成形(SPF)工艺主要用于制造几何形状复杂和强度要求高的钛合金零件(如：Ti6-4、Ti6-2-4-2)。在航空工业领域的代表性例子是进气口舱壁，后整流罩部件和涡轮塔组件（如下图）。图4.1航空发动机涡轮叶片（2011，Germany）航空发动机涡轮叶片热成形CAD模具(上左)及其加热装置(下图)，LS-DYNAv971热成形测试FE模型(2006)(上右)——材料Ti–6Al–4V，成形温度400–560℃，成形尺寸579×235mm，最高加热温度950℃，压边力1850kN，时间15min，工业机器人ASEA-ERB3000-S3送料，激光切割。（2011，Germany）2）冷成形主要用于成形低强度到中等强度钛合金(如：Ti-grade2,grade4,grade9)(ASTMB265标准)制造的零件。冷成型的代表性应用包括吊架整流罩，系统支撑架和空气收集器等零件。3）不对称