CN105033016A - 镁合金板料电致塑性渐进成形方法 - Google Patents
镁合金板料电致塑性渐进成形方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种镁合金板料电致塑性渐进成形方法,属于金属加工领域,镁合金板料通过机床渐进成形,镁合金板料连接有脉冲电源,脉冲电源的输出电压为窄尖冲击三角波脉冲,窄尖冲击三角波脉冲宽度为60-80μs,脉冲电源的输出电压大于等于70V,脉冲电源的输出频率大于等于200Hz,流经镁合金板料的电流密度有效值大于等于95A/mm2。当电流密度有效值大于等于95A/mm2时,镁合金板料具有较好的成形性能,形极限高、成形精度和成形质量好;本发明降低了镁合金板料的再结晶温度;本发明的脉冲电源产生的焦耳热少。与现有技术相比,本发明使得镁合金板料成形极限高、成形精度和成形质量好,并且能够在较低的温度下得到较好质量的零件。
Description
技术领域
本发明涉及金属加工领域,特别是指一种镁合金板料电致塑性渐进成形方法。
背景技术
电致塑性效应是材料在电的作用(包括电子照射、电场、电流脉冲等电刺激)下,变形抗力降低、塑性增加的一种现象。利用电塑性效应,不但能够降低流动应力,提高材料的塑性,在一定程度上改善制品的组织性能,同时可以避免加热和热处理的诸多不足、降低设备成本。电致塑性效应是焦耳热效应、磁压缩效应、集肤效应以及纯电塑性效应等多种物理效应共同作用的结果。流过金属变形截面的高密度运动电子与材料内部原子发生碰撞,增加了原子动能,从而增大材料位错激活能,促进动态再结晶,抑制断裂孔洞的产生,提高材料塑性变形能力。
板料数控渐进成形技术是国际上兴起不久的一种柔性加工技术,是涉及力学、塑性成形技术、数控技术、CAD/CAM等多学科的先进智能化制造技术,是目前塑性加工领域的研究前沿之一,在加工理论研究上也具有重要的意义,得到了世界范围内塑性加工学者的关注。板料渐进成形技术是日本学者松原茂夫于20世纪90年代初提出的,是一种基于“分层制造”思想的计算机数控无模加工技术,将工件三维形状离散化,着重强调层作为加工单元的增量累积成形技术。该技术取消了对特定模具的需求,满足低成本多样式订制或新产品的快速成样调试生产要求,易于实现自动化加工,与传统一次拉深成形相比,能加工出曲面更复杂、延伸率更高的成型件,加工精度和表面质量均较好,发展前景非常广阔。
人们逐渐将电致塑性效应与板料数控渐进成形技术相结合,出现了板料电致塑性渐进成形方法,如公开号为CN102527830A的专利文献公开了一种板材电致塑性渐进成形装置及其成形方法。但是该方法只是在常规的机床使用方法上作了一些改进,没有对板料成形中各个参数(如电流等)进行研究,由于电致塑性效应与电流密切相关,电流不恰当时,板料的成形性能差,导致板料成形极限低、成形精度和成形质量差。
发明内容
本发明提供一种镁合金板料电致塑性渐进成形方法,该方法使得镁合金板料成形极限高、成形精度和成形质量好,并且能够在较低的温度下得到较好质量的零件。
为解决上述技术问题,本发明提供技术方案如下:
一种镁合金板料电致塑性渐进成形方法,所述镁合金板料通过机床渐进成形,所述镁合金板料连接有脉冲电源,所述脉冲电源的输出电压为窄尖冲击三角波脉冲,所述窄尖冲击三角波脉冲宽度为60-80μs,所述脉冲电源的输出电压大于等于70V,所述脉冲电源的输出频率大于等于200Hz,流经所述镁合金板料的电流密度有效值大于等于95A/mm2。
进一步的,流经所述镁合金板料的电流密度有效值为95-115A/mm2。
进一步的,所述脉冲电源的输出电压为70-90V,频率为200-350Hz。
进一步的,流经所述镁合金板料的电流密度峰值为950-1100A/mm2。
进一步的,所述脉冲电源的输出电压为90V,频率为200-250Hz。
进一步的,所述镁合金板料的上表面涂抹有起润滑作用的二硫化钼粉末涂层,所述二硫化钼粉末涂层的厚度为0.08-0.12mm。
进一步的,将二硫化钼粉末与丙酮溶液按照1g:5ml混合搅拌均匀,形成润滑剂,将所述润滑剂均匀涂抹在所述镁合金板料的上表面,将所述镁合金板料置于通风处30分钟以上,使丙酮溶液蒸发晾干,即可得到二硫化钼粉末涂层。
进一步的,所述二硫化钼粉末的目数大于等于800目,所述丙酮溶液纯度为95%以上。
进一步的,所述镁合金板料为AZ31B镁合金板料,所述镁合金板料的厚度为0.8-1.2mm。
进一步的,所述机床的主轴转速为120-200r/min,所述机床的工具头直径为7-9mm,所述工具头的每层下压量为0.1-0.2mm,所述工具头的成形进给速率为1000-1800mm/min,单次成形极限角小于等于65°;所述脉冲电源为高能脉冲电源,其输出频率在100-900Hz连续可调,输出电压在30-140V连续可调。
本发明具有以下有益效果:
与现有技术相比,本发明的镁合金板料电致塑性渐进成形方法中,当电流密度有效值大于等于95A/mm2时,镁合金板料的成形性能大幅度增加,故可以将95A/mm2作为电流密度有效值的阈值,超过该阈值后,镁合金板料具有较好的成形性能。因此镁合金板料成形极限高、成形精度和成形质量好。本发明降低了镁合金板料的再结晶温度(从常规的225℃降低到了180℃以下),能够在较低的温度下得到较好质量的零件(镁合金板料加工后形成的零件);并且本发明的脉冲电源的输出电压为宽度为60-80μs窄尖冲击三角波脉冲,相比于其他电源(直流电源或其他形式的脉冲电源,如方波脉冲电源等),本发明的脉冲电源产生的焦耳热少,避免了镁合金板料温度过高后的氧化以及微观晶粒的长大,进一步的提高了镁合金板料成形质量。故本发明的镁合金板料电致塑性渐进成形方法使得镁合金板料成形极限高、成形精度和成形质量好,并且能够在较低的温度下得到较好质量的零件。
附图说明
图1为本发明的镁合金板料电致塑性渐进成形方法中镁合金板料的成形性能随电流密度有效值变化的走势图;
图2为本发明的镁合金板料电致塑性渐进成形方法中镁合金板料的金相组织演变示意图;
图3为本发明的镁合金板料电致塑性渐进成形方法中工具头与镁合金板料接触面积示意图;
图4为本发明的镁合金板料电致塑性渐进成形方法中镁合金板料电致塑性渐进成形装置的结构示意图;
图5为本发明的镁合金板料电致塑性渐进成形方法中脉冲电源的输出电压波形示意图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明提供一种镁合金板料电致塑性渐进成形方法,该镁合金板料通过机床渐进成形,镁合金板料连接有脉冲电源,脉冲电源的输出电压为窄尖冲击三角波脉冲,如图5所示,窄尖冲击三角波脉冲宽度(ti)为60-80μs(优选70μs),脉冲电源的输出电压大于等于70V,脉冲电源的输出频率大于等于200Hz,流经镁合金板料的电流密度有效值大于等于95A/mm2。
镁合金板料电致塑性渐进成形方法包括:
1、建模编程:利用CAD软件建立目标零件的三维数字模型,再采用CAM软件将CAD软件建立的模型沿高度方向离散,生产各等高线层面上的加工轨迹;
2、在镁合金板料的上表面涂抹润滑剂;
3、设置机床以及脉冲电源的工作条件,调整脉冲电源的输出电压不低于70V;频率不低于为200Hz,使流经镁合金板料的电流密度有效值大于等于95A/mm2;电压和频率的取值必须使电流密度有效值大于等于95A/mm2,如电压取70V时,频率应大于250Hz,电压取90V或以上时,频率只需大于200Hz即可;
电流密度有效值由脉冲电源的输出电压、频率以及工具头与镁合金板料的接触面积共同决定,输出电压和频率决定电流有效值,电流有效值除以工具头与镁合金板料的接触面积即为电流密度有效值。渐进成形微成形、小面积接触,从而使电流密度有效值更容易达到阈值。
电流密度有效值的计算方法如下:
由于电流较大,使用互感器测量电流,I=Vⅹ80/0.1,其中,I为流经镁合金板料的电流值有效值,V为示波器显示的感应电压,80为互感器的互感系数,0.1为互感器外接电阻。
工具头与镁合金板料的接触面积估算为A=πrΔh,其中A为工具头与镁合金板料接触面积,r为工具头半径,Δh为工具头层间进给量,如图3所示。
电流密度有效值估算为J=I/A,其中J为流经镁合金板料的电流密度,I为流经镁合金板料的电流值,A为工具头与镁合金板料的接触面积。即,J=I/πrΔh。
4、启动机床,启动脉冲电源,开始渐进成形;成形加工时,首先保证工具头完成第一个层间下压量,与镁合金板料稳定接触后,再启动脉冲电源,避免因接触不良产生电火花;
5、成形结束后,关闭机床以及脉冲电源;加工结束后,脉冲电源和机床同时停止运行,既要避免过早断电引起镁合金板料破裂,也要避免过迟断电引起镁合金板料灼烧。
电致塑性效应是焦耳热效应、磁压缩效应、集肤效应以及纯电塑性效应等多种物理效应共同作用的结果,这些效应都与电流密度有关,电流密度越大越,电致塑性效应越显著,镁合金板料的成形性能越好。由于电源使用的是脉冲电源,故电流密度使用电流密度有效值(一个周期内的电流密度均方根,RootMeanSquare、RMS)来表示,另外镁合金板料的成形性能(镁合金板料的电致塑性效应)使用破裂深度(FractureDepth)以及成形极限角(FormingLimitAngle)来表示,破裂深度以及成形极限角越大,镁合金板料的成形性能越好。图1给出了不同电流密度有效值下的破裂深度以及成形极限角。
由图1(图1中JP表示电流密度峰值)可知,当电流密度有效值大于等于95A/mm2时,镁合金板料的成形性能大幅度增加,故可以将95A/mm2作为电流密度有效值的阈值,超过该阈值后,镁合金板料具有较好的成形性能。因此镁合金板料成形极限高、成形精度和成形质量好。本发明降低了镁合金板料的再结晶温度(从常规的225℃降低到了180℃以下),能够在较低的温度下得到较好质量的零件(镁合金板料加工后形成的零件);并且本发明的脉冲电源的输出电压为宽度为60-80μs窄尖冲击三角波脉冲,相比于其他电源(直流电源或其他形式的脉冲电源,如方波脉冲电源等),本发明的脉冲电源产生的焦耳热少,避免了镁合金板料温度过高后的氧化以及微观晶粒的长大,进一步的提高了镁合金板料成形质量。故本发明的镁合金板料电致塑性渐进成形方法使得镁合金板料成形极限高、成形精度和成形质量好,并且能够在较低的温度下得到较好质量的零件。
作为本发明的一种改进,流经镁合金板料的电流密度有效值为95-115A/mm2。当流经镁合金板料的电流密度有效值大于等于95A/mm2时,镁合金板料有较好的成形性能,但是,受限于电源的输出功率,电流密度有效值不可能无限大,并且当镁合金板料成形性能达到一定程度后,即可满足加工的要求,并不需要无限的增加,以免造成能源浪费。发明人发现,当电流密度有效值为95-115A/mm2时,既能够使镁合金板料成形极限高、成形精度和成形质量好,又避免了能源浪费。
本发明中,为使电流密度有效值为95-115A/mm2,可以取脉冲电源的输出电压为70-90V;频率为200-350Hz。此时,流经镁合金板料的电流密度峰值(图1中为JP)为950-1100A/mm2。表1给出了输出电压、频率、电流密度有效值以及电流密度峰值的关系。
表1
优选的,输出电压为90V,频率为200-250Hz。
发明人发现,同样的电流密度有效值下,高电压低频率相对低电压高频率,电致塑性效应更明显,例如输出电压为90V,频率为200-250Hz与输出电压为70V,频率为250-350Hz时的电流密度有效值基本相等,但是前者的镁合金板料成形性能好于后者,故优选输出电压为90V,频率为200-250Hz。
在工作中,镁合金板料的金相组织演变过程如图2所示,以96A/mm2电流密度有效值下成形件进行剖切取点,取样位置如图2中(a)所示,可以观察渐进成形过程开始成形、开始加电、中间、最薄区、结束区的微观组织演变过程。
图2中(b)为镁合金板料原始金相组织,由大小不均的等轴晶粒组成,平均晶粒度(averagegrainsize)在13um左右;如图2中(c)所示,为整个镁合金板料从开始成形到结束不同部位取样的金相组织图,代表的是整个成形过程中变形温度、应变速率和变形程度逐渐增大的过程。其中:
(c1)为试件开始加工部分的组织,此部分工具头开始成形加工,但未加电,为低温渐进成形,加工硬化和回复过程大于动态再结晶和软化过程,由于局部塑性变形导致的晶粒转动产生了大量变形织构,基面的滑移和锥面的孪生是合金冷变形的主要变形机制,因此产生大量孪晶;
(c2)为试件开始通脉冲电加工部分的组织,此时温度在180℃以下,部分原始晶粒受温升影响开始长大,同时,细小的动态再结晶晶粒首先在晶界处开始增多,由于局部塑形变形和表面机械强化而形成的孪晶、位错以及加工应力逐步消失,但仍有部分孪晶和粗晶存在;
(c3)温度上升到250℃左右,由于温度的升高和变形程度的增大,孪晶基本消失,动态再结晶晶粒明显增多,但动态再结晶尚不完全,晶粒个体尺寸差距较大;
(c4)温度上升到300℃左右,成形最薄区,变形温度较高,变形程度很大,镁合金板料成形角接近极限值,镁合金板料变形量和断面减薄量也达到最大,动态再结晶越容易进行,得到均匀的超细晶组织,90%以上的晶粒尺寸在5um以下;
(c5)温度保持在300℃左右,为最终加工成形部分的组织,电脉冲作用时间较短,板料变形程度相对较小,动态再结晶不完全,因此,相对最薄区,此部分存在较大晶粒。
(c6)为靠近成形结束区的镁合金板料未变形部分,始终未与工具头接触,微观组织相对镁合金板料原始金相没有很大变化,晶粒尺寸变化不大,但是产生了少许孪晶,说明此区域受邻近变形区影响发生了小变形,同时说明电脉冲辅助渐进成形加工的热影响区是很小的,这应该与热中心区域小、周围镁合金板料散热快有关系。
在镁合金板料渐进成形时,工具头与镁合金板料上表面接触,需要进行润滑,通常在镁合金板料上表面涂抹润滑油、润滑脂以及石墨涂层等,但是润滑油、润滑脂容易在镁合金板料与工具头之间产生隔膜,影响导电;石墨涂层在镁合金板料表面附着能力较差,容易引起电弧,起不到润滑作用。本发明在镁合金板料的上表面涂抹二硫化钼粉末涂层,二硫化钼粉末涂层的厚度为0.08-0.12mm。在工作时,工具头下压接触镁合金板料,破坏工具头附近的二硫化钼粉末涂层,形成二硫化钼粉末,堆积在工具头附近,起到润滑作用;并且二硫化钼粉末涂层被破坏后,工具头接触镁合金板料,能够导电。本发明的润滑剂既不会影响导电,又能起到很好的润滑效果。
二硫化钼粉末涂层可以有多种方法得到,优选的,将二硫化钼粉末与丙酮溶液按照1g:5ml混合搅拌均匀,形成润滑剂,将润滑剂均匀涂抹在镁合金板料的上表面,将镁合金板料置于通风处30分钟以上,使丙酮溶液蒸发晾干,即可得到二硫化钼粉末涂层。为了得到更好地润滑效果,二硫化钼粉末的目数大于等于800目,丙酮溶液纯度为95%以上。
镁合金板料优选为AZ31B镁合金板料,镁合金板料的厚度为0.8-1.2mm。
本发明中,机床的工作条件为:机床的主轴转速为120-200r/min,机床的工具头直径为7-9mm,工具头的每层下压量为0.1-0.2mm,工具头的成形进给速率为1000-1800mm/min,单次成形极限角小于等于65°;脉冲电源为高能脉冲电源,其输出频率在100-900Hz连续可调,输出电压在30-140V连续可调。
本发明适用于各种镁合金板料电致塑性渐进成形装置,尤其适用于如图4所示的镁合金板料电致塑性渐进成形装置,脉冲电源2、电刷4、工具头13、镁合金板料17以及下压头19形成导电回路,镁合金板料在工具头附近的部分有电流流过。
以上所述是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明所述原理的前提下,还可以作出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种镁合金板料电致塑性渐进成形方法,其特征在于,所述镁合金板料通过机床渐进成形,所述镁合金板料连接有脉冲电源,所述脉冲电源的输出电压为窄尖冲击三角波脉冲,所述窄尖冲击三角波脉冲宽度为60-80μs,所述脉冲电源的输出电压大于等于70V,所述脉冲电源的输出频率大于等于200Hz,流经所述镁合金板料的电流密度有效值大于等于95A/mm2。
2.根据权利要求1所述的镁合金板料电致塑性渐进成形方法,其特征在于,流经所述镁合金板料的电流密度有效值为95-115A/mm2。
3.根据权利要求2所述的镁合金板料电致塑性渐进成形方法,其特征在于,所述脉冲电源的输出电压为70-90V,频率为200-350Hz。
4.根据权利要求3所述的镁合金板料电致塑性渐进成形方法,其特征在于,流经所述镁合金板料的电流密度峰值为950-1100A/mm2。
5.根据权利要求3所述的镁合金板料电致塑性渐进成形方法,其特征在于,所述脉冲电源的输出电压为90V,频率为200-250Hz。
6.根据权利要求1-5任一所述的镁合金板料电致塑性渐进成形方法,其特征在于,所述镁合金板料的上表面涂抹有起润滑作用的二硫化钼粉末涂层,所述二硫化钼粉末涂层的厚度为0.08-0.12mm。
7.根据权利要求6所述的镁合金板料电致塑性渐进成形方法,其特征在于,将二硫化钼粉末与丙酮溶液按照1g:5ml混合搅拌均匀,形成润滑剂,将所述润滑剂均匀涂抹在所述镁合金板料的上表面,将所述镁合金板料置于通风处30分钟以上,使丙酮溶液蒸发晾干,即可得到二硫化钼粉末涂层。
8.根据权利要求7所述的镁合金板料电致塑性渐进成形方法,其特征在于,所述二硫化钼粉末的目数大于等于800目,所述丙酮溶液纯度为95%以上。
9.根据权利要求6所述的镁合金板料电致塑性渐进成形方法,其特征在于,所述镁合金板料为AZ31B镁合金板料,所述镁合金板料的厚度为0.8-1.2mm。
10.根据权利要求6所述的镁合金板料电致塑性渐进成形方法,其特征在于,所述机床的主轴转速为120-200r/min,所述机床的工具头直径为7-9mm,所述工具头的每层下压量为0.1-0.2mm,所述工具头的成形进给速率为1000-1800mm/min,单次成形极限角小于等于65°;所述脉冲电源为高能脉冲电源,其输出频率在100-900Hz连续可调,输出电压在30-140V连续可调。
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Legal Events
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---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
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