郭云漢1，陳拂曉2，楊永順2，郭俊卿2

( 1． 洛陽秦漢冷鍛有限公司，河南洛陽471003; 2． 河南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南洛陽471003)

摘要:利用拉伸、壓縮試驗(yàn)對鑄態(tài)AZ91D 鎂合金的應(yīng)力應(yīng)變曲線進(jìn)行了研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，鑄態(tài)鎂合金在高溫下表現(xiàn)出較低的流變應(yīng)力，能夠?qū)崿F(xiàn)塑性加工成形。在優(yōu)化塑性成形工藝方案基礎(chǔ)上，利用超塑脹形與壓彎工藝進(jìn)行了鎂合金摩托車手把管塑性加工試驗(yàn)，并成功試制出了合格產(chǎn)品。

關(guān)鍵詞:AZ91D; 摩托車手把管; 超塑脹形; 壓彎

鎂是地殼中含量最豐富的元素之一，其豐度居第八位，約占地殼組成的2． 5%; 其密度是鋁的2 /3，比強(qiáng)度與比剛度都較高。因其具有質(zhì)輕、抗震、高阻尼性、高導(dǎo)熱性、抗電磁干擾和易于回收等優(yōu)點(diǎn)，日益受到汽車、電子通信、航空航天等領(lǐng)域的青睞。近年來，隨著鎂合金加工技術(shù)和價(jià)格兩大瓶頸的逐步突破，全球鎂合金用量急劇增長，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，正成為繼鋼鐵、鋁合金之后的第三大金屬結(jié)構(gòu)工程材料，被譽(yù)為“21 世紀(jì)綠色工程材料”［1］。鎂晶體為密排六方結(jié)構(gòu)，室溫和低溫塑性較差。目前鎂合金的研究和應(yīng)用主要集中在鑄造鎂合金，特別是壓鑄鎂合金上，變形鎂合金的研究和應(yīng)用剛剛起步。鎂合金常溫下塑性較低，但其在特定的組織、變形溫度及變形速率下，具有超塑性變形的能力，可以獲得很高的伸長率和很小的變形抗力，故可以利用其特定溫度下較好的塑性變形能力來實(shí)現(xiàn)形狀復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的成形

［2］。筆者在鑄態(tài)鎂合金AZ91D 塑性研究的基礎(chǔ)上，研究了鎂合金大排量摩托車手把管的塑性加工工藝，簡要介紹了精密塑性成形技術(shù)在鎂合金成形中的應(yīng)用。

1 鎂合金摩托車手把管

普通摩托車的手把管( 見圖1a) 由鋼管利用塑性彎曲工藝加工，且管件的內(nèi)、外徑保持不變。而在進(jìn)口等大排量摩托車上多采用鎂合金曲管，外形是中間粗、兩端細(xì)，但壁厚保持同樣厚度。其優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)量輕，不僅能夠提高燃油經(jīng)濟(jì)性綜合指標(biāo)，而且還可改善車輛的噪音、振動(dòng)，同時(shí)鎂合金優(yōu)異的熱變形及能量吸收能力也可大幅提高行駛的安全性能。鎂合金摩托車手把管( 見圖1b) 的精密塑性成形采用超塑性脹形與彎曲工藝。其關(guān)鍵是: 直管在脹形階段既要實(shí)現(xiàn)中間部分的脹形，還要保證壁厚與兩段未變形部分保持一致。

2 AZ91D 應(yīng)力－應(yīng)變曲線

鑄態(tài)鎂合金AZ91D 單向拉伸試驗(yàn)在WQ4100其具有恒應(yīng)變速率拉伸功能。溫度范圍從280 ～400 ℃，初始應(yīng)變速率1 × 10 － 4 ～ 1 × 10 － 1 s － 1。AZ91D 鎂合金應(yīng)力－應(yīng)變曲線見圖2， 340 ℃時(shí)不同應(yīng)變速率下的應(yīng)力－應(yīng)變曲線如圖2b 所示。從圖中可以看出，在較高的應(yīng)變速率( 1 × 10 － 1 s － 1 ) 拉伸時(shí)，在開始變形階段，隨著真應(yīng)變的迅速增加，在達(dá)到峰值后迅速下降，未出現(xiàn)超塑性變形所持有的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)變形階段; 當(dāng)應(yīng)變速率降到1 × 10 － 4 s － 1 時(shí)，在變形的開始階段曲線呈現(xiàn)出應(yīng)變硬化效應(yīng)，當(dāng)真應(yīng)變達(dá)到0． 15 時(shí)，應(yīng)力應(yīng)變曲線轉(zhuǎn)入相對穩(wěn)態(tài)流變階段，此時(shí)，合金表現(xiàn)出良好的超塑性，其延伸率達(dá)到487%。

3 鎂合金手把管精密塑性成形

3． 1 鎂合金手把管超塑脹形

本試驗(yàn)裝置由模具、管子密封機(jī)構(gòu)、加熱機(jī)構(gòu)、氣壓脹形機(jī)構(gòu)及液壓輔助機(jī)構(gòu)組成，如圖3 所示。模具由上模1、下模5 組成，主要提供管坯的脹形模腔，使管子精密成形為所需外形; 管子密封機(jī)構(gòu)由堵頭2、7 和控制堵頭的液壓缸3、8 組成，用于管子的密封及提供管子脹形時(shí)所需的軸向補(bǔ)縮壓力; 加熱機(jī)構(gòu)由6 根加熱棒組成，提供管子加熱所需的熱源;氣壓脹形機(jī)構(gòu)由一個(gè)氣壓缸組成，通過液壓泵向缸內(nèi)充油壓縮缸內(nèi)空氣達(dá)到脹形需要的一定壓力的氣壓; 液壓輔助機(jī)構(gòu)主要是由油箱、液壓泵、液壓閥等組成的可控油路，按照脹形所需完成一定的動(dòng)作。1) 加載路徑的選擇。影響管材脹形的工藝因素主要是脹形內(nèi)壓和軸向壓力的匹配關(guān)系。根據(jù)理論計(jì)算和DYNAFORM 數(shù)值模擬結(jié)果，由于軸向壓力的取值范圍很小，在軸向壓力為1． 5 MPa 時(shí)，設(shè)計(jì)了4 條加載路徑，如圖4 所示。結(jié)果表明，在加載路徑4 的加載條件下，脹形后管材沿軸線厚度變化最小，且壁厚沿軸線變化誤差為1． 4%。

2) 成形過程。模具( 1、5) 加熱到特定溫度后，把預(yù)熱好的鎂合金直管( 6) 放入模具型腔中，合模并給于一定的壓力F; 液壓缸( 3、8) 推動(dòng)堵頭( 2、7)前進(jìn)，使堵頭密封管子兩端并給管子兩端施加一定的壓力; 向氣壓缸( 4) 內(nèi)充油，達(dá)到一定的壓力、保壓，使管子脹形并與模腔充分貼合。最后，卸除氣壓缸壓力，堵頭后退，鎂合金直管脹形完成。

本試驗(yàn)裝置中，將液壓壓力轉(zhuǎn)換為氣壓壓力的關(guān)鍵部分就是氣缸( 4) ，當(dāng)液壓油進(jìn)入氣缸時(shí)壓縮空氣、氣缸與模具內(nèi)的管材內(nèi)腔通過堵頭連通，進(jìn)而使管材內(nèi)腔產(chǎn)生高壓，促使管材脹形。

3) 模具加熱機(jī)構(gòu)。鎂合金管材超塑脹形時(shí)，模具必須加熱到超塑性溫度。加熱裝置放在上下模中，熱源是六根加熱棒，每根長1 200 mm，功率1 000W。模具上打有深孔，插入熱電偶測溫，用可控硅溫控儀控溫。

4) 密封裝置設(shè)計(jì)。管端密封是保持脹形壓力的關(guān)鍵。本工藝采用的密封形式是錐臺形沖頭壓入法，這種密封方式具有密封效果好、生產(chǎn)效率高、便于操作等優(yōu)點(diǎn)?？紤]到本試驗(yàn)采用的脹形壓力介質(zhì)為氣體，對密封有更嚴(yán)格的要求，可以對密封堵頭工作部分做鍍硬鉻處理，然后拋光。試驗(yàn)過程也證明了這種密封方法的有效性。

5) 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)。液壓系統(tǒng)( 液壓機(jī)本身的液壓系統(tǒng)除外) 的作用主要是: 通過液壓/氣壓轉(zhuǎn)換裝置提供脹形所需的內(nèi)壓力; 通過一定的動(dòng)作提供脹形時(shí)管材兩端所需的軸向壓縮力及管端的密封以防止漏氣。

3． 2 鎂合金手把管壓彎成形

鎂合金摩托車手把管脹形完成后，進(jìn)入彎曲成形階段。由于彎曲精度和外觀質(zhì)量要求較高，經(jīng)過對摩托車手把管形狀的綜合分析，最終選用壓彎的方法成形，即在液壓機(jī)上利用模具對管坯進(jìn)行彎曲的加工方法。該法工藝簡單，尺寸精確。把脹形后的直管放入模具中彎曲出兩個(gè)外弧，再彎曲出兩個(gè)內(nèi)弧。由于鎂合金在室溫下塑性較差，彎曲時(shí)易出現(xiàn)裂紋或折斷現(xiàn)象，彎曲前應(yīng)對鎂合金管先進(jìn)行加熱，加熱溫度可在180 ～ 250 ℃。鎂合金摩托車手把管精密塑性成形產(chǎn)品如圖5 所示。

4 結(jié)論

鎂合金雖然在室溫下塑性較低，塑性加工能力較差，但在350 ～ 450 ℃時(shí)塑性明顯提高，適宜進(jìn)行塑性成形，可采用精密塑性成形技術(shù)對鎂合金產(chǎn)品進(jìn)行塑性加工。

采用超塑脹形、壓彎工藝可實(shí)現(xiàn)對鑄態(tài)AZ91D鎂合金摩托車手把管的塑性加工。經(jīng)脹形的鎂合金Fig． 5 Motorcycle Handlebar after Bulging ＆ Bending管在180 ～ 250 ℃溫度條件下二次彎曲，得到了合格的摩托車手把管，過渡均勻光滑，彎曲處沒有裂紋或折斷現(xiàn)象。但脹形階段的溫度、軸向壓力和脹形壓力之間的配合需進(jìn)一步研究。