AZ31镁合金薄板热油恒温成形数值模拟与实验研究

doi:10.12068/j.issn.1005-3026.2024.02.004

摘要/Abstract

摘要：

利用有限元模拟和成形实验相结合的方式，研究AZ31镁合金的成形性能，基于Dynaform模拟软件和热油恒温成形设备，探究出一种适合镁合金的热成形工艺，并对成形件显微组织进行分析.研究表明，通过调整薄板尺寸、模具R角、压边力及摩擦系数等工艺参数，以降低成形件的底部减薄率，减少破裂倾向，提高镁合金的成形性能；成形温度为200 ℃，模具R角为16 mm，薄板直径为80 mm，并调整合适压边力和摩擦系数，可获得最佳的工艺窗口；靠近成形件底部，晶粒及第二相尺寸逐渐减小并趋于均匀化.

关键词: AZ31镁合金, 热油恒温成形, 工艺参数, 减薄率, 成形性能

Abstract:

The formability of AZ31 magnesium alloy was studied by finite element simulation and forming experiment. It’s based on Dynaform simulation software and hot oil thermostatic forming equipment to explore a hot forming process which is suitable for magnesium alloy， and to analyze the microstructure of the formed parts. The results showed that by adjusting the process parameters such as the plate size， die R angle， blank holder force and friction coefficient， the bottom thinning rate of the formed part and the fracture tendency can be reduced， and the forming performance of magnesium alloy can be improved； and when the forming temperature is 200 ℃， the die R angle is 16 mm， the plate diameter is 80 mm， the appropriate blank holder force and friction coefficient are adjusted， it can obtain the best process window. Near the bottom of the formed parts， the grain size and the second phase size gradually decrease and tend to be uniform.

Key words: AZ31 magnesium, hot oil thermostatic forming equipment, process parameter, thinning rate, forming performance

中图分类号:

TG 394

余犇, 王冬晓, 刘禹, 李建平. AZ31镁合金薄板热油恒温成形数值模拟与实验研究[J]. 东北大学学报（自然科学版）, 2024, 45(2): 179-186.

Ben YU, Dong-xiao WANG, Yu LIU, Jian-ping LI. Numerical Simulation and Experimental Study on Hot Oil Thermostatic Temperature Forming of AZ31 Magnesium Alloy Sheet[J]. Journal of Northeastern University(Natural Science), 2024, 45(2): 179-186.

图/表 11

图1 实验流程示意图

Fig. 1 Experimental process diagram

图2 热油恒温成形设备（a）—箱内设备；（b）—主要设备实体；（c）—控制面板.

Fig. 2 Hot oil thermostatic forming equipment

图3 建模与网格划分（a）—Solidworks建模；（b）—Dynaform网格划分.

Fig. 3 Modeling and mesh subdivision

图4 不同模具R角下的薄板热油恒温成形模拟（a）—成形深度；（b）—边部运动；（c）—最小厚度；（d）—最大减薄率；（e）—R=0；（f）—R=16 mm.

Fig. 4 Simulation of hot oil thermostatic forming of plates with different die R angles

图5 不同R角模具下的薄板热油恒温成形实验（a）—R=8 mm；（b）—R=12 mm；（c）—R=16 mm.

Fig. 5 Hot oil thermostatic forming experiment with different R angle molds

图6 不同直径薄板的热油恒温成形模拟（a）—D=120 mm；（b）—D=88 mm；（c）—D=80 mm；（d）—D=120 mm；（e）—D=88 mm；（f）—D=80 mm.

Fig. 6 Simulation of hot oil thermostatic forming of plates with different diameters

图7 不同直径薄板的热油恒温成形实验（a）—D=120 mm；（b）—D=88 mm；（c）—D=80 mm.

Fig. 7 Experiment of hot oil thermostatic forming of plates with different diameters

图8 不同压边力下的薄板热油恒温成形的模拟与实验（a）—成形深度；（b）—边部运动量；（c）—最小厚度；（d）—最大减薄率；（e）—F=55 kN；（f）—F=75 kN；（g）—压边力过大；（h）—压边力过小.

Fig. 8 Simulation and experiment of sheet hot oil thermostatic forming of plates with different blank holder force

图9 不同摩擦系数下的薄板热油恒温成形模拟与实验（a）—成形深度；（b）—边部运动；（c）—最大减薄率；（d）—成形件厚度分布；（e）—润滑前；（f）—R角处涂抹润滑剂；（g）—润滑后.

Fig. 9 Simulation and experiment of hot oil thermostatic forming of plates under different friction coefficients

图10 原始状态与t=200 ℃，R=16 mm，P=8.5 MPa条件下成形件的金相显微组织（a）—原始试样；（b）—R角；（c）—侧壁；（d）—底部.

Fig. 10 Original state and metallographic microstructure of formed parts at t=200 °C，R=16 mm，P=8.5 MPa

图11 t=200 ℃，R=16 mm，P=8.5 MPa条件下成形件的显微组织SEM图（a）—R角；（b）—侧壁；（c）—底部；（d）—R角局部放大；（e）—A点EDS；（f）—B点EDS.

Fig. 11 SEM images of formed parts at t=200 ℃，R=16 mm，P=8.5 MPa

参考文献 12

1	丁文江，吴玉娟，彭立明，等.高性能镁合金研究及应用的新进展［J］.中国材料进展，2010，29（8）：37-45.
	Ding Wen⁃jiang， Wu Yu⁃juan， Peng Li⁃ming，et al.Research and application development of advanced magnesium alloys［J］.Materials China，2010，29（8）：37-45.
2	Aghion E， Bronfin B.Magnesium alloys development towards the 21st century［J］.Materials Science Forum，2000，350：19-30.
3	Siegert K， Häussermann M， Lösch B，et al.Recent developments in hydroforming technology［J］.Journal of Materials Processing Technology，2000，98（2）：251-258.
4	Tam K J， Vaughan M W， Shen L，et al.Modelling the temperature and texture effects on the deformation mechanisms of magnesium alloy AZ31［J］.International Journal of Mechanical Sciences，2020，182：105727.
5	Xu J R， Zhou Y Q， Cui J J，et al.Experimental study for rubber pad forming process of AZ31 magnesium alloy sheets at warm temperature［J］.The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2017，89（1）：1079-1087.
6	范立坤，王荣，张平，等.AZ31镁合金板料等温拉深［J］.热加工工艺，2008，37（3）：71-73.
	Fan Li⁃kun， Wang Rong， Zhang Ping，et al.Isothermal deep drawing process of AZ31 Mg alloy sheet［J］.Hot Working Technology，2008，37（3）：71-73.
7	Altan T， Kaya S， Aue⁃u⁃Ian Y.Forming Al and Mg alloy sheet and tube at elevated temperatures［J］.Key Engineering Materials，2007，344：317-324.
8	Wang Z M， Gu R Y， Chen S C，et al.Effect of upper⁃die temperature on the formability of AZ31B magnesium alloy sheet in stamping［J］.Journal of Materials Processing Technology，2018，257：180-190.
9	谢江怀.基于Dynaform的汽车门内板工艺参数的分析及优化［D］.广州：广东工业大学，2020.
	Xie Jiang⁃huai.The parameters analysis and optimization of stamping forming for the car’s door inner plate based in Dynaform software［D］.Guangzhou：Guangdong University of Technology，2020.
10	苌群峰，李大永，彭颖红，等.AZ31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，2006，16（4）：580-585.
	Chang Qun⁃feng， Li Da⁃yong， Peng Ying⁃hong，et al.Numerical simulation and experimental study of warm deep drawing of AZ31 magnesium alloy sheet［J］.The Chinses Journal of Nonferrous Metals，2006，16（4）：580-585.
11	He Y Y， Bai S W， Fang G.Coupled CA-FE simulation for dynamic recrystallization of magnesium alloy during hot extrusion［J］.Journal of Magnesium and Alloys，2022，10（3）：833-851.
12	崔晓明，王争光，于智磊，等.Mg-8.07Al-0.53Zn-1.36Nd轧制镁合金退火过程中的静态沉淀、再结晶及织构演变［J］.稀有金属材料与工程，2022，51（4）：1413-1419.
	Cui Xiao⁃ming， Wang Zheng⁃guang， Yu Zhi⁃lei，et al.Static precipitation，recrystallization and texture evolution of Mg⁃8.07Al-0.53Zn-1.36Nd rolled magnesium alloy during annealing［J］.Rare Metal Materials and Engineering，2022，51（4）：1413-1419.

[1]	单泉，潘帅，于学荞，马廉洁. 快速点磨削工艺参数对磨削振动频率的影响[J]. 东北大学学报（自然科学版）, 2023, 44(4): 530-535.
[2]	吴飞，李亦能，王梦辉. 陶瓷3D打印挤出光固化辅助成型工艺研究[J]. 东北大学学报（自然科学版）, 2022, 43(9): 1283-1290.
[3]	任朝晖，王云贺，李竺鸿，王琛. 增材-微锻造加工工艺应力场数值模拟研究[J]. 东北大学学报（自然科学版）, 2022, 43(6): 881-887.
[4]	焦安源，张国富，丁浩东，刘伟军. TC4钛合金孔的磁粒研磨试验[J]. 东北大学学报:自然科学版, 2020, 41(9): 1304-1310.
[5]	刘后龙，刘玲玲，李兴，陈礼清. 冷轧工艺对铁素体不锈钢成形性能的影响[J]. 东北大学学报:自然科学版, 2019, 40(8): 1099-1104.
[6]	张华伟，王新刚，陈小辉，侯东晓. 轧制差厚板横向弯曲工艺参数研究[J]. 东北大学学报:自然科学版, 2019, 40(5): 728-733.
[7]	马小英，孙志礼，张毅博，臧旭. 基于Kriging-PSO智能算法优化焊接工艺参数[J]. 东北大学学报:自然科学版, 2019, 40(3): 370-375.
[8]	蔡明，巩亚东，于宁，高奇. 铝合金6061微尺度铣削的铣削力仿真与实验研究[J]. 东北大学学报:自然科学版, 2018, 39(1): 76-81.
[9]	温泉，赵悦，巩亚东，邹平. 碳纤维复合材料小孔钻削工艺参数优化[J]. 东北大学学报:自然科学版, 2017, 38(7): 978-982.
[10]	孙红春，王宏宝，胥勇，谢里阳. 砂轮划片机划切工艺参数优化方法[J]. 东北大学学报:自然科学版, 2017, 38(4): 531-535.
[11]	徐英帅，邹平，王伟，杨旭磊. 超声振动辅助车削高温合金和铝镁合金研究[J]. 东北大学学报:自然科学版, 2017, 38(1): 95-100.
[12]	王宏涛，储满生，赵伟，柳政根. 工艺参数对热压铁焦抗压强度的影响[J]. 东北大学学报:自然科学版, 2016, 37(6): 810-814.
[13]	黄江华，刘晋平，王宝雨，胡正寰. 工艺参数对楔横轧4Cr9Si2表面螺旋痕的影响[J]. 东北大学学报:自然科学版, 2014, 35(12): 1778-1782.
[14]	贾品峰，何立子，张海涛，崔建忠. 7050合金电流均匀化过程中的温度分布[J]. 东北大学学报:自然科学版, 2014, 35(10): 1417-1421.
[15]	夏鸿雁，卞清，吴迪. 大型锥形方管特种成形工艺[J]. 东北大学学报:自然科学版, 2014, 35(1): 56-59.