作者簡介：

　　盧志文(1966年)，男，河南南陽人，重慶大學博士生，副教授，長期從事鎂合金的研究及教學工作，并承擔“863”科技攻關(guān)項目2001AA351050 “高性能鎂合金研制及其應用研究”。

　　張洪峰(1967年)，男，河南南陽人，高級工程師，長期從事模具結(jié)構(gòu)的研究及教學工作。

　　本文研究了在曲柄壓力機上用鎂合金板材沖壓手機外殼的模具設(shè)計和工藝制度，研究了坯料溫度、模具溫度、潤滑條件等工藝因素對鎂合金手機外殼沖壓質(zhì)量的影響。實驗表明，在應用正確的模具結(jié)構(gòu)和適當?shù)墓に嚄l件下，當坯料溫度在350℃左右，拉深凹模溫度在350℃左右和良好潤滑情況下，能夠成功地在曲柄壓力機上沖壓生產(chǎn)出鎂合金手機外殼。

　　關(guān)鍵詞：鎂合金;手機外殼;沖壓;工藝

　　1 引言

　　1.1 鎂合金的獨特性能

　　鎂合金密度低，是實際應用中最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，具有比強度和比剛度高、電磁屏蔽效果好、抗震減震能力強、易于機加工成形和易于回收再利用等優(yōu)點，在航空、航天、汽車、3C產(chǎn)品以及軍工等領(lǐng)域具有廣泛的應用前景和巨大的應用潛力，從而引起了許多國家的政府、企業(yè)和研究機構(gòu)對鎂合金及其成形技術(shù)的高度重視,投入了大量人力、財力進行開發(fā)研究,并取得了一定的效果 [1]。如德國大眾(奧迪)汽車公司開發(fā)的鎂合金汽車覆蓋件的熱沖壓成形技術(shù),成功地加工出汽車內(nèi)門板,內(nèi)鎂外鋁的混合車門,可比用鋼板減重50%,比用鋁板減重20%[2]。

　　1.2 鎂合金的塑性變形特點

　　鎂屬于密排六方晶體結(jié)構(gòu)，在室溫下只有1個滑移面(0001)，滑移面上有3個密排方向

　　，所以室溫下只有3個滑移系(如圖1所示)，其塑性比面心和體心立方金屬都低。室溫下，鎂合金的塑性較差，變形困難，且易出現(xiàn)變形缺陷，這是由鎂合金自身本質(zhì)性質(zhì)決定的，也是制約變形鎂合金加工成形的本質(zhì)原因。據(jù)有關(guān)文獻報道，溫度對鎂合金的塑性影響很大，溫度愈高，塑性愈好，變形抗力愈低，易于成型加工[3]。

　　圖1 密排六方晶體材料中滑移系

　　2 鎂合金的沖壓成形

　　鎂合金常用的成形方法有壓鑄、半固態(tài)鑄造、擠壓鑄造、擠壓和軋制等,其中鎂合金產(chǎn)品的80 %是通過鑄造方法獲得 [1]。鎂合金的沖壓成形是一種技術(shù)難度較高的生產(chǎn)工藝，但以其生產(chǎn)效率高、可直接使用性能優(yōu)良的軋制板材而具有很大的市場優(yōu)勢和廣闊的發(fā)展前景。

　　在沖壓成形工藝中，拉深成形最為復雜，難度也較大。由于鎂合金晶體結(jié)構(gòu)是密排六方(Hcp)，滑移系少，常溫下塑性較差，一般須在150℃以上進行拉深成形。根據(jù)小坂田等人的研究結(jié)果,鎂合金板材在250℃左右拉深時其拉深比超過鋁合金和低碳鋼板的常溫拉深成形極限，在175℃時鎂合金板杯形件拉深的拉深比可達2.0,而在225℃時可達3.0,超過了鋼板和鋁板在室溫下的拉深比(分別為2.2和2.6)。在該溫度下鎂合金拉深成形性能與鋼板和鋁板在室溫下的拉深性能相近[4]。

　　本文以某手機外殼的沖壓生產(chǎn)為實例，對鎂合金板材的沖壓成形工藝進行了較為系統(tǒng)的研究。

　　3 沖壓模具設(shè)計

　　3.1 手機外殼零件圖

　　沖壓生產(chǎn)的手機外殼零件圖如圖2所示：

　　圖2 手機外殼零件圖

　　3.2 沖壓工序安排

　　從圖2可以看出，此制件用沖壓方法進行生產(chǎn)需要四道工序，即：落料 拉深 修邊 沖孔?？紤]到實驗的特殊情況，只需設(shè)計制造三套沖壓模具，即：落料模具、拉深模具和沖孔模具，修邊工序采用手工方式進行。

　　3.3 沖壓模具設(shè)計

　　手機外殼是和其它多種小零部件相互配合、有嚴格裝配關(guān)系的零件，考慮到實際使用時的互換性，在進行模具設(shè)計時仍然要對模具的型腔尺寸精度嚴格要求。

　　3.3.1模具結(jié)構(gòu)的選取

　　此次制做的沖壓模具是用來做實驗的，為簡化沖壓模具的結(jié)構(gòu)復雜程度、縮短模具的制做周期，設(shè)計時采用了帶導向系統(tǒng)的單工序模具結(jié)構(gòu)以便于調(diào)整。使用的標準模架參數(shù)如下：

　　1)落料模具模架尺寸 180mm×150mm(材料：HT200)

　　2)拉深模具模架尺寸 150mm×125mm(材料：HT200)

　　3)沖孔模具模架尺寸 150mm×125mm(材料：HT200)

　　3.3.2落料件尺寸的確定

　　該零件可按低盒形件處理。切邊余量取0.4mm，彎曲的直邊部分展開長度按下式計算：

　　Lz=H+0.57Rd[5]

　　式中：Lz――彎曲的直邊部分展開長度

　　H--拉深總高度

　　Rd--底部園角半徑

　　按低盒形件近似做圖法得到如圖3所示的毛坯尺寸：

　　圖3 落料毛坯圖

　　3.3.3落料模具、沖孔模具的設(shè)計

　　落料模具和沖孔模具的結(jié)構(gòu)相對比較簡單。考慮到鎂合金的沖壓特性，設(shè)計時取單邊最小沖裁間隙Cmin=0.015mm,卸料板和凸模之間的單邊卸料間隙取0.08mm。

　　3.3.4 拉深模具的設(shè)計

　　由于手機外殼的拉深高度較小，拉深系數(shù)M>M 1,因此設(shè)計時采用了一次拉深成形工藝。在模具結(jié)構(gòu)中，采用了帶限位裝置(限位高度為S=0.6mm)的橡膠式彈性壓邊裝置，給凸緣變形區(qū)施加軸向力σ2，以防止拉深過程中制件起皺;采用了橡膠式彈頂機構(gòu)以保證拉深時底面的平整和拉深制件不滯留在凹模型腔內(nèi);用220V電熱管環(huán)繞在拉深凸、凹模的周圍，給拉深模具提供合適的溫度梯度。

　　因裝配關(guān)系，手機外殼是要求外形尺寸的零件，設(shè)計時以凹模為基準件，主要參數(shù)為：凸模園角半徑Rt=1mm;凹模園角半徑Ra=2mm;直邊部分拉深間隙值C=0.6mm;轉(zhuǎn)角部分拉深間隙值C=0.66mm。凸、凹模工作部分的橫向尺寸按下式計算 [5]：

　　式中：

　　4 沖壓生產(chǎn)工藝及制件

　　4.1 材料的選取

　　本次實驗使用的鎂板材料為AZ31B，厚度為0.6mm,其化學成分如表1所示。

　　表1 使用的鎂板材料的化學成分

　　4.2使用曲柄壓力機的主要參數(shù)

　　(1)公稱壓力： 1000KN

　　(2)滑塊行程： 20—100mm

　　(3)滑塊每分鐘行程數(shù)： 65次/分鐘

　　(4)連桿調(diào)節(jié)長度： 85mm

　　(5)封閉高度(最大值)： 320mm

　　(6)滑塊中心至機身距離： 325mm

　　(7)工作臺尺寸(前后×左右)：600×800mm

　　(8)工作臺孔尺寸(前后×左右)： 320×400mm

　　(9)工作臺板厚度： 100mm

　　(10)工作臺板孔直徑：φ160mm

　　(11)滑塊底面尺寸(前后×左右)： 260×340mm

　　(12)模柄固定尺寸： φ60×80mm

　　(13)電機功率： 7.5KW

　　(14)轉(zhuǎn)速： 720轉(zhuǎn)/分鐘

　　4.3 沖裁生產(chǎn)實驗

　　AZ31B鎂板在室溫下的沖裁性能比較好，實驗時用落料模具和沖孔模具進行落料、沖孔實驗時制件的環(huán)狀毛刺很小，稍加修整去刺即可。

　　落料和沖孔的制件如圖4、圖5所示。

　　圖4 落料制件 圖5 沖孔制件

　　4.4 拉深生產(chǎn)實驗

　　AZ31B鎂合金板材的拉深生產(chǎn)是沖壓生產(chǎn)鎂合金手機外殼的關(guān)鍵工序，技術(shù)難度很高，主要工藝參數(shù)有拉深力、拉深速度、坯料溫度、模具預熱溫度、潤滑方式、模具圓角、模具間隙、壓邊力等,這些因素對坯料的拉深成形均有不同程度的影響。

　　4.4.1拉深速度

　　鎂合金AZ31B板材在熱態(tài)下具有較好的塑性,甚至在一些不利于其它材料成形的應力、應變狀態(tài)下也可以變形,但變形速度不易過大。這是因為隨著變形速度的增加,鎂合金的流動應力會隨之增大,而材料的斷裂抗力受變形速度的影響很小,這使得板料較早到達斷裂階段，從而產(chǎn)生拉裂缺陷[4]。因此在拉深時應采用慢速拉深工藝，同時還可以采取修整拉深間隙和凹模圓角的大小等措施來改善材料的受力狀態(tài),使之能在較高的變形速度下拉深出合格的產(chǎn)品[6]。對于0.6mm 厚的ZA31B薄板料，滑塊每分鐘行程數(shù)為65次時是比較合適的。

　　4.4.2坯料溫度

　　雖然溫度對變形鎂合金的塑性影響很大，溫度愈高，塑性愈好，變形抗力愈低，愈易于拉深成形，但不宜過高。當鎂合金溫度高于400℃時,由于晶粒長大反而使其塑性降低,不利于板材的拉深成形，同時還容易產(chǎn)生氧化腐蝕,因而坯料的溫度范圍應選定在室溫至400℃這個區(qū)間。拉深生產(chǎn)實驗時經(jīng)反復比較得知，坯料溫度在360℃~390℃時為最佳。

　　4.4.3模具溫度

　　由于鎂合金具有良好的導熱性,與冷模具接觸時,坯料溫度會迅速降低,加上鎂合金的變形溫度范圍比較狹窄,因而極易產(chǎn)生拉深缺陷,不利于拉深成形的進行,所以必須對模具進行預熱。我們在設(shè)計拉深模具時采用電熱管環(huán)繞模具進行加熱，并配以溫度控制系統(tǒng)以保證拉深模具的溫度恒定。拉深生產(chǎn)實驗時，當凸模溫度在120℃～150℃、凹模溫度在350℃～380℃時，拉深成形的效果很好，拉深制件如圖6所示。

　　圖6 拉深制件 圖7 拉裂缺陷件

　　4.4.4 潤滑劑

　　鎂合金的劃傷程度隨溫度的增加而增加, 在鎂合金的熱成形中潤滑劑的選用比在冷成形中更為重要。拉深生產(chǎn)實驗時采用二硫化鉬試劑做潤滑劑，有效地減小了坯料與壓邊圈及拉深凹模之間的摩擦,增強了金屬的流動性,防止粘模,并保證良好的零件外觀質(zhì)量。

　　5 分析與討論

　　在鎂合金手機外殼的沖壓成形過程中，主要的失效形式是拉深成形時危險端面處的破裂。雖然有拉深力、壓邊力、模具園角、拉深間隙、拉深速度、模具溫度、坯料溫度等許多影響因素，且各個因素之間還相互作用，但從實際的拉深成形實驗過程看，溫度是最關(guān)鍵的影響因素。在慢拉深時，只有保證坯料和拉深模具合適的溫度，才能用0.6 mm厚的ZA31B板料拉深成形出完好的手機外殼。目前，我們通過反復實驗已初步掌握了拉深速度、坯料溫度、模具溫度等主要因素對鎂合金拉深成形的影響規(guī)律。

　　當模具溫度低于200℃時或坯料溫度低于150℃時，基本上無法進行拉深生產(chǎn)，拉深件全部在危險端面處發(fā)生斷裂現(xiàn)象;當坯料溫度大于250℃，凹模溫度在250℃～300℃時，情況有所好轉(zhuǎn)，但仍有拉裂現(xiàn)象(如圖7所示);當坯料溫度在360℃～390℃，凸模溫度在120℃～150℃、凹模溫度在350℃～380℃時，拉深效果達到最佳，拉深制件如圖6所示。

　　6 結(jié)論

　　(1)鎂合金有其獨特的性能，在進行沖壓模具設(shè)計時要注意其塑性差的特點，選取合適的模具參數(shù)。

　　(2)在鎂合金拉深成形時，通過對坯料溫度、模具溫度等主要影響因素的控制，可有效地解決鎂合金拉深生產(chǎn)過程中的拉裂缺陷。

　　(3) 在曲柄壓力機上能成功地用0.6mm厚的ZA31B板料沖壓生產(chǎn)出手機外殼。