镁合金薄板差温拉深模具设计
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第7期 2012年7月 机械设计与制造 Machinery Design&Manufacture 259 文章编号:1001—3997(2012)07—0259—02 镁合金薄板差温拉深模具设计术 喻祖建李建辉 (重庆科技学院冶金与材料工程学院,重庆401331) Mould Design of Differential Temperature Drawing Process for Magnesium Alloy YU Zu-jian.LI Jian-hui (School of Metallurgy and Materials Engineering,Chongqing University of Science and Technology,Chongqing 401331,China) 十 ’ ’ 十d 斤 十d/ h§ ’ 十d 十d 十 ’ q、t 、t q、t一十 / J 、t q、t 1 £ q\E q、t 1、t 十{/ tdL十 1、. \! q、t q ~ q、t 【摘要】针对镁合金板材室温拉深性能差的问题,通过分析拉深变形过程中坯料不同部位的应 力及摩擦状况,提出采用差温拉深工艺和不同的模具工作表面粗糙度。设计了镁合金差温拉深成形模 具。实践表明,与坯料变形区接触的压边圈和凹模部位设置加热系统使其温度控制在(200~235)℃、用 循环水冷却凹模筒壁及凸模使传力区保持室温状态,模具凸模表面粗糙度数值为Ra1.6um、凹模和压边 圈表面的表面粗糙度数值为Ra0.4um,AZ31B镁合金薄板极限拉深比从2.09提高到3.05。 关键词:镁合金;差温拉深;模具设计;表面粗糙度 【Abstract】/n order to solve the problem ofpoor drawing performance of magnesium alloy sheet at ambient temperature,differential temperature drawing process and different mould suFface roughness WOS developed by analyzing the friction and the stress ofmaterial in drawingprocess.A nd the mold was.designed at the same time. e practical test showed that the blank holder contacted with blank deformation zone and die part were set with heating system to control the temperature among(200-235)℃then recirculating wa- ter was supplied to cool the die shell and male die in order to maintain ambient temperature atforce trans- mission area.The value of SuFface roughness Ra1.6um was adoptedfor male die.and Ra0.4urn was adopted r die and blank holder.The resuh shows that the deep drawing ratio ofAZ31B magnesium alloy can be en- hancedfrom 2.09 to 3.05 by using this equipment apparatus. Key Words:Magnesium Alloy;Diferential Temperature Drawing;Mould Design;Surface 中图分类号:TH16,TG385.4,TGI74.6+2文献标识码:A 1引言 随着汽车、航空、航天、电子工业产品向轻量化和特殊性能 要求化方向发展,镁合金冲压产品作为一种质量轻、强度刚度高、 电磁屏蔽性和阻尼减振性好的有色金属材料结构件,在这些行业 的应用具有广阔前景…。但镁合金在室温下难于冲压变形,相关研 究成果较少。研究镁合金薄板冲压成形技术对提高镁合金应用范 围具有重要意义。 2变形镁合金塑性分析 镁具有密排六方晶体结构,共有基面滑移、棱柱面滑移和锥面 孪生等5个滑移系,室温下只有基面产生滑移 ,因此冷成形性差。 温度升高时,参与变形的滑移系数量增加 ,同时回复和再结晶也 能消除部分塑陛变形时产生的加工硬化,使其塑性增加。大部分变 形镁合金适宜在(200,-400) ̄进行冲压成形 。从性价比考虑, AZ31B镁合金薄板适合生产冲压件,其在温度达到一定范围时,具 有良好的塑陛。从一些科研人员研究AZ3 1 B薄板在不同温度下的 应力应变曲线[7壤明,镁合金的塑性随着温度的升高而增加,抗拉 强度随着温度的升高而急剧下降。当温度达到200℃以上时, AZ31B的塑性较好,可以进行冲压成形;但温度超过235℃时,塑 ★来稿13期:2011-09—23 性增量很小,材料进一步升温已无实际意义。因此,AZ31B镁合 金薄板适宜的冲压成形温度范围为20o℃一235℃。 3镁合金拉深变形过程及摩擦分析 3.1镁合金板料拉深变形分析 根据拉深变形过程中各部分的受力及变形状况不同,可将 镁合金拉深坯料划分成5个部分,如图1所示。区域1为凸缘部 分,是拉深成形的主要变形区,材料在模具的作用下向凹模内部 流动逐步形成筒壁,在拉深过程中,该部分材料处于径向受拉、切 向受压的平面应力状态,并在径向和切向分别产生伸长和压缩变 形。区域2为凹模圆角区,材料处于径向受拉、切向和厚向受压的 三向应力状态;应变状态为径向拉伸,切向压缩,厚度减小的三维 应变状态。区域3是筒壁传力区,材料只受到单向拉应力作用,将 压力机施加于凸模的压力传至区域2和区域1。区域4为筒形件 底部,材料处于径向和切向为拉应力的平面应力状态,变形量小。 区域5为凸模圆角区,材料承受筒壁的拉应力以及凸模的压力, 材料包向凸模圆角发生弯曲和胀形变形使壁厚减薄,凸模圆角与 直壁交界处壁厚最薄,如果该处所受拉应力 超过材料的抗拉 强度
时,拉深件将在区域5与区域3相交的壁厚最薄区域产 260 喻祖建等:镁合金薄板差温拉深模具设计 第7期 生拉裂。防止拉裂的方式一般可以通过提高材料的抗拉强度、降 低底部圆角区域材料的变薄率、降低底部圆角区域所受的拉应力 o-.等方式进行。 圈
图1镁合金板料拉深变形过程及摩擦力示意图 3_2镁合金板料拉深时的摩擦分析 拉深变形过程中,坯料各部分所受摩擦力对拉深变形的影 响各不相同。总的说来,摩擦力的大小与坯料接触表面所受正压 力和摩擦系数成正比,坯料所受摩擦力的作用方向总是沿着坯料 与模具接触面的切线方向,并且与坯料相对运动或相对运动趋势 的方向相反,即对于区域1和来说,凸缘上下表面在压边圈和凹 模工作表面的压力作用下产生摩擦力FYu和FDu,摩擦力的方 向与所受径向拉应力的方向相反,阻碍变形区材料的流动,使拉 深变形困难;对于筒壁传力区区域3来说,材料紧贴凸模表面,与 凸模表面产生静摩擦力FPu,摩擦力的方向与所受拉应力的方向 相反,降低危险截面所承受的拉应力,使底部拉裂可能性下降。 4镁合金差温拉深模具结构设计 4.1差温拉深模具总体结构 为了使镁合金具有良好的塑性以利于拉深成形,须将变形 区温度升高N(2oo一235)℃,但温度升高的同时也会使镁合金的 抗拉强度下降,增大了危险断面拉裂的可能性,故应采取措施使 已变形区处于较低温度以保持抗拉强度不变。因此可采取差温拉 深T艺方法,在坯料变形区(凸缘区)进行局部加热,在传力区、危 险端面以及筒底区域进行局部冷却。其关键是要保证模具各部分 的温度均匀并且波动范围小;同时要防止模具的热量传递到压力 机上,造成压力机滑块与导轨卡死,加剧滑块的摩擦磨损,降低成 形设备的使用寿命。 根据以上分析研究设计出的差温拉深模具总体结构,如图2 所示。为便于设置加热和冷却系统,模具采用倒装式,即凸模和压 边圈安装在模具的下模,凹模安装在模具的上模部分,凹模和压 边圈中内置加热和测温元件,上下模采用滚珠导柱、导套进行导 向,拉深件依靠上模中的弹簧和打板将其从凹模中推出。为了避 免热量散失过多造成凹模温度波动范围太大,上模中,凹模32与 凹模垫板28用隔热层隔开,凹模环形槽中设置电阻加热线圈3 1 对其进行加热,并安装热电偶33进行适时控制,使其温度保持在 预定温度范围,凹模垫块28开设环形冷却水道进行冷却,上模座 20和凹模垫块之间装配密封圈27防止冷却水渗漏。下模部分, 压边圈16环形槽中设置电阻加热线圈和热电偶使压边圈保持在 设定的温度范围;为了使凸模12温度保持在室温,将其后部镗盲 孔,通人循环水,实现冷却,为了实现均匀冷却,下模冷却水入水 口水嘴5从凸模轴心伸入到凸模顶部,出水口水嘴应低于密封圈 压板6以避免余水保留在凸模内对模具造成影响,采用密封圈压 板6将密封圈3压紧在垫板8上以避免冷却水渗漏。 22 23 24 25 26
图2镁合金差温拉深模具结构 1、22、36.定位销2、21、25、35.螺钉3、27.密封圈4、29 水口水嘴 5、19.入水口水嘴6.密封圈压板7周定板8.垫板9.卸料螺钉l0.下模座 11.导柱l2.拉深凸模13.力口热线圈压板14、3O.隔热板15、31.加热线圈 l6压边圈l7.导套guide bushing 18.打板2O.上模座23.弹簧 24.打杆26.模脚28.凹模垫板32.凹模33、34.热电偶 4.2结构设计注意问题 (1)由于在拉深过程中,凸模表面的摩擦对拉深有利,凹模 和压边圈工作表面的摩擦阻碍拉深进行,摩擦力的大小与摩擦系 数成正比,而摩擦系数与接触表面的表面粗糙度数值有关,表面 粗糙度数值越大,摩擦系数也越大。因此凸模表面粗糙度宜取较 大数值,一般为Ra1.6um;凹模和压边圈表面粗糙度宜取较小数 值,一般为RaO.4um。(2)下模中,避免压边圈热量通过接触传递 到凸模上造成压边圈温度不均匀,凸模和压边圈之间应留出大约 1mm的单面间隙,加热线圈压板与凸模之间采用H9/f9的滑动配 合。(3)模具本身不带压边动力装置。选用压力机时,需配置气垫 或其它通用弹顶器。 5差温拉深实验 将设计并制造的差温拉深模具安装在液压机上进行实验。 实验材料为厚度0.8mm的AZ31B圆形坯料,凸、凹模单面间隙为 0.88mm,凸模圆角半径为4mm,凹模圆角半径为5mm。实验时, 凹模和压边圈温度设定为230 ̄C,坯料被压边圈与凹模夹紧后加 热时间为lOmin,压力机运行速度为0.6m/rain。经过对比实验,发 现极限拉深比由等温拉深的2.09提高到差温拉深的3.05。 6结论 (1)镁合金板材需在加热条件下进行冲压成形,拽深过程中 板材的变形性质、加热条件下镁合金板材性能的变化以及摩擦力 对拉深过程中坯料各部分的影响决定了拉深过程中板材不同部 分具有一定的温差,模具工作表面采用不同的表面粗糙度数值, 才能显著提高其冲压性能。(2)采用差温拉深模具结构形式,即对 压边圈和凹模与坯料变形区接触部位进行加热,
对凸模和凹模筒 第7期 2012年7月 机械设计与制造 Machinery Design&Manufacture 261 文章编号:1001=3997(2012)07—0261—03 基于逆向工程技术的汽车橡胶密封条模具的再设计木 张红兵1,3尚广庆2,3李晓岩 (,苏州市职业大学电子工程系,苏州215104)( 苏州市职业大学机电工程系,苏州215104) (。苏州市数字化设计与制造技术重点实验室,苏州215104)( 沈阳第一机床厂,沈阳110142) Redesigning for Mould of Automobile Rubber SeaI Strips Based on Reverse Engineering Technology - ZHANG Hong-bingl'3,SHANG Guang-qing2'3,LI Xiao-yan ( Department of Electrical and Information Engineering,Suzhou Vocational University,Suzhou 215104,China) ( Depa ̄ment of Mechanical and Electrical Engineering,Suzhou Vocational University,Suzhou 2 1 5 1 04,China) ( Suzhou Key Laboratory of Digital Design and Manufacturing Technology,Suzhou 2 1 5 1 04,China) (4Shenyang First Machine T00l Plant,Shenyang 1 10142,China) 【摘要】逆向工程技术是模具制造业进行模具设计制造体系的一种新手段。提出了结合逆向工程 专用软件与商用CAD/CAM UG软件进行汽车橡胶密封条挤压模具再设计的流程,并分析了某侧窗模 具零件再设计的特点,详细论述了该模具由初始设计制造一试用修模一逆向重新建模的再设计过程。 实践结果表明采用逆向工程技术,提高了零件再设计效率,满足了产品的精度要求。为模具再设计实现 高精度、高效率、低成本提供了指导意义,具有较高的应用价值。 关键词:逆向工程;模具;汽车密封条;再设计 【Abstract]Reverse engt’neering technology is a new means of mould des and manufacturing system in mouldfield.The mould redesignflowchart ofautomobile rubber seal strip is proposed based on integrating reverse engineering software combining with popular CAD/CAM UG software.Meanwhile the characteristics ofredesigning mould ofside window are analyzed.Then the redesigningprocedure ofthe.mouldfrom initial design to trial mould and reverse rebuih modeling is discussed in detail.The practical resuh shows that the redesigning efficiency is improved,and the required accuracy CHIt be met.h has aguidance significo3tcefor redesigning mould to achieve higher accuracy and efficiency and lower cost with higher practical applica- tion value. Key Words:Reverse Engineering;Mould;Automobile Rubber Seal Strips;Redesign 中图分类号:TH16,U473.7+3,TQ330.1+1 1引言 文献标识码:A 汽车密封条是汽车的重要零部件之一,广泛用于车门、车 窗、车身、座椅、天窗、发动机箱和后备箱等部位,具有防水、密封、 隔音、防尘、防冻、减震、保暖及节能的重要作用l11。随着汽车工业 ★来稿日期:2011-09—12"A-基金项目:苏州市科技基础设施建设计; ̄|(SZS201009) 壁进行冷却,可使拉深过程中板料具有合理的温差。(3)采用差温 拉深模具结构形式,并使拉深凸模工作表面的表面粗糙度数值大 于凹模和压边圈工作表面的表面粗糙度数值,可使AZ3lB的极 限拉深系数得到较大的提高。 参考文献 [1]Friedrich H,Schuman S.Research for a“new age of magnesium”in the automobileindustry[J].Journal ofMaterialsProcessingTechnology,2001 (1 17):276—281. [2]余昆,黎文献,王日初.镁合金塑性变形机制[J]_中国有色金属学报, 2005(7):1081-1085. [3]张娅,马春江,卢晨.变形镁合金的塑性变形机制与动态再结晶[J]_轻 合金加工技术,2003(7):35—39. [4j Konopleva E B,McQueen H J.Microstructure development in Mg alloy Az31 duringhotworking[Jj.ScriptaMaterialta,1997,37【l1):1789. [5]苌群峰,李大永,彭因颖红,等.AZ31B镁合金板材温热冲压数值模拟 与实验研究[J]_中国有色金属学报,2006(4):580-585. [6]孟正华,黄尚宇,胡建华,等.镁合金板材温热电磁复合成形实验研究 [J]l机械工程学报,2011(10):38_42. [7]E.Doege,K.Droder.Sheet metal forming of magnesium wrought alloyr formability and process technology[JjJournal of Materials Processing Te- chnology,2001(1l5):14—19. [8]张先宏,催振山,阮雪榆.镁合金塑性成形技术一Az3lB成形性能及流 变应力[J].上海交通大学学报,2003(12):1874—1877. [9]高军,岳振明,魏国铃,等娟.AZ31B薄板热拉深工艺研究[J].材料科 学与工艺,2010(4):519—522.