AZ31B镁合金笔记本外壳冲压工艺技术研究

高孝书，赵雪妮

（陕西科技大学，陕西 西安 710021）

本文选用1.0 mm厚AZ31B镁合金板材作为研究对象，运用DEFORM和DYNAFORM有限元数值模拟与热冲压试验相结合的手段，研究了影响冲压成形性能的单工艺参数以及多工艺参数的组合。

1 单工艺参数的影响分析

1.1 凸模圆角的影响

本文研究了凸模圆角半径Rp=0.75 mm、1.5 mm、3 mm、6 mm、12 mm的冲压成形情况，直壁圆角半径Rc=4 mm，压边力F=9 800 N，板材温度Tb=250℃，凸模温度Tp=100℃，由图1和图2可见，凸模圆角半径（Rp）越大，最大冲压成形深度越大，镁合金的冲压成形性能越好。

1.2 凹模直壁圆角的影响

如图2所示，凹模直壁圆角半径Rc=1 mm、3 mm、5 mm、7 mm、9 mm、11 mm、13mm，冲压成形深度总体上随凹模直壁圆角半径的增大而增大，在Rc=9 mm时，最大冲压成形深度达到最大值，继续增大凹模直壁圆角半径，冲压成形性能降低，从而验证了Chen Fuh-kuo等提出存在最佳凹模直壁圆角半径的论断。

1.3 凸凹模间隙的影响

运用DEFORM对凸凹模间隙Z=1.0 mm、1.1 mm、1.2 mm、1.3 mm、1.4 mm、1.5 mm的成形情况进行模拟计算。结果如图3和图4所示，当凸凹模间隙Z=1.0 mm时，Deform运算第一步即出现破裂，板材与模具间阻力很大，破裂集中在凹模圆角处；当凸凹模间隙Z=1.2 mm时，冲压成形深度最大，成形质量最好，与试验结果一致。当凸凹模间隙Z大于1.2 mm时，板材的贴模性差，冲压形状不理想、成形精度不高。

1.4 变形温度的影响

分别设定板材、凸模、凹模、压边圈温度为50℃、100℃、150℃、200℃、250℃、300℃、350℃。从图4可见，当等温冲压成形温度T0=250℃时，镁合金笔记本外壳达到最大冲压成形深度，试验结果表明，镁合金的最佳冲压成形温度的取值范围是230～270℃。差温冲压成形温度与成形性能的关系如表1所示，当凹/凸模组合为250/50℃时，AZ31B镁合金笔记本外壳达到最大冲压成形深度。

图1 凸模圆角对冲压成形性能的影响

图2 凹模直壁圆角对冲压成形性能的影响

1.5 冲压速度的影响

试验研究冲压速度分别为0.1 mm/s、1 mm/s、5 mm/s、10 mm/s、20 mm/s的成形性能，当冲压速度v=0.1 mm/s时，最大冲压深度为29.5 mm，板材能够完全进入冲压模具，试验和模拟得到的镁合金最佳冲压速度都是v=0.1 mm/s；当冲压速度v=1 mm/s时，最大冲压深度为19.5 mm，镁合金板材的冲压成形性能最差，在冲压成形初期就发生破裂，这是由于镁合金板材的变形速度增加，流动应力增大，回复时间短，软化不充分造成的。当冲压速度大于5 mm/s时，最大冲压深度有所提高，但比冲压速度为0.1 mm/s时的冲压成形性能差。

图3 凸凹模间隙对冲压成形性能的影响

图4 温度对冲压成形性能的影响

表1 差温冲压成形温度与成形性能的关系

1.6 压边力的影响

DEFORM不能模拟板材的起皱情况，采用DYNAFORM有限元模拟AZ31B镁合金笔记本外壳冲压成形，压边力分别取F=0 kN、25 kN、50 kN、100 kN、200 kN，数值模拟结果如表2所示。当压边力F＞50 kN时，AZ31B镁合金板材在冲压成形过程中发生了破裂现象；当压边力F＜25 kN时，AZ31B镁合金板材在冲压成形过程中发生了起皱现象。综合以上分析，最佳压边力F的取值范围是25～50 kN。

为了有效防止起皱和变形失稳缺陷，需要设计合理的拉延筋，计算最优拉延筋参数。本试验中采用等效拉延筋模型替代传统的真实拉延筋模型，对压边力F=25 kN的AZ31B镁合金板材分别加载f=928.241 N/mm（10%、20%、30%、40%）的等效拉延筋阻力，数值模拟结果如表3所示。

表2 压边力对冲压成形的影响

表3 等效拉延筋对冲压成形的影响

随着等效拉延筋阻力f增大，最大边界运动和最大总体位移量不断减小，板材边界运动位移逐渐变小，有效解决了板材收缩幅度过大和起皱失稳缺陷等问题。在安全成形范围内，等效拉延筋阻力f越大，板材冲压成形的效果越好。当等效拉延筋阻力f=278.472 N/mm（30%）时，板材开始出现破裂。因此，最优等效拉延筋阻力f的取值范围是185.648（20%）～278.472 N/mm（30%）。

2 多工艺参数组合的影响分析

上述单参数的最优取值是在其他因素不变的情况下得出的，具有片面性和不完整性，而实际冲压生产是多种因素相互影响、共同作用的结果，需要进行合理的组合方案试验。为了减少多因素组合的试验量，本文采用正交试验法，以较少的试验次数找出较优的试验结果。本文采用最大冲压成形深度作为正交试验参考指标，基本试验条件与单因素试验保持一致，设定正交试验设计方案为凸模圆角半径、凹模温度、凸模温度、压边力的四因素四水平试验方案，共进行16次正交试验，正交试验的因素水平如表4所示，试验结果如表5所示，正交试验结果分析如表6所示，因素与指标趋势如图5所示。

表4 正交试验因素水平表

表6 正交试验结果分析

通过求解极差，确定单因素对AZ31B镁合金笔记本外壳冲压成形深度影响的主次顺序为凸模圆角半径（A）→压边力（D）→凹模温度（B）→凸模温度（C）。

对AZ31B镁合金笔记本外壳冲压成形深度影响较优的组合为A4B4C3D1。当AZ31B镁合金笔记本外壳成形参数采用凸模圆角半径Rp=12 mm（A4），凹模及板材温度Tb=300℃（B4），凸模温度Tp=100℃（C3），压边力F=4 900 N（D1）时，板材的最大冲压成形深度为H=42.5 mm，明显优于此前试验中的最大冲压成形深度H=39 mm。

图5 因素与指标趋势图

3 结论

本文分析了单工艺参数对AZ31B镁合金笔记本外壳冲压成形性能的影响，其最优取值为：凸模圆角半径Rp=12 mm，凹模直壁圆角半径Rc=9 mm，凸凹模间隙Z=1.2 mm，等温冲压成形温度T0取值范围是230～270℃，差温冲压成形温度组合为凹/凸模250/50℃，冲压成形速度v=0.1 mm/s，压边力F取值范围是25～50 kN，等效拉延筋阻力f取值范围是185.648（20%）～278.472 N/mm（30%）。

确定了对冲压成形深度影响的先后顺序为：凸模圆角半径→压边力→凹模温度→凸模温度。

对冲压成形深度影响的较优的组合为A4B4C3D1。

参考文献：

［1］李文娟.AZ31B镁合金板材成形性能研究［D］.济南：山东大学，2012.

［2］Chen F K，Huang T B，Chang C K.Deep drawing of square cups with magnesium alloy AZ31 sheets［J］.International Journal of Machine，2003（43）：1553.

［3］杨柳.镁合金方盒形件温热拉深成形试验研究［D］.秦皇岛：燕山大学，2014.

［4］王敬伟.基于DYNAFORM的AZ31镁合金零件拉深成形过程模拟与预测［D］.太原：太原理工大学，2012.

［5］高孝书.拉延筋对316L不锈钢手机外壳冲压成形性能的影响研究［J］.科技创新与应用，2017（32）：80-81.

［6］刘瑞江，张业旺，闻崇炜，等.正交试验设计和分析方法研究［J］.实验技术与管理，2010（09）：52-55.