镁合金手机外壳的冲压工艺理论与实践

    摘要：本文研究了在曲柄压力机上用镁合金板材冲压手机外壳的模具设计和工艺制度，研究了坯料温度、模具温度、润滑条件等工艺因素对镁合金手机外壳冲压质量的影响。
实验表明，在应用正确的模具结构和适当的工艺条件下，当坯料温度在350℃左右，拉深凹模温度在350℃左右和良好润滑情况下，能够成功地在曲柄压力机上冲压生产出镁合金手机外壳。
关键词：镁合金；手机外壳；冲压；工艺 
  
 1 引言
 1.1 镁合金的独特性能
    镁合金密度低，是实际应用中最轻的金属结构材料，具有比强度和比刚度高、电磁屏蔽效果好、抗震减震能力强、易于机加工成形和易于回收再利用等优点，在航空、航天、汽车、3C产品以及军工等领域具有广泛的应用前景和巨大的应用潜力，从而引起了许多国家的政府、企业和研究机构对镁合金及其成形技术的高度重视,投入了大量人力、财力进行开发研究,并取得了一定的效果 [1]。如德国大众(奥迪)汽车公司开发的镁合金汽车覆盖件的热冲压成形技术,成功地加工出汽车内门板,内镁外铝的混合车门,可比用钢板减重50%,比用铝板减重20%[2]。
   
 1.2 镁合金的塑性变形特点
    镁属于密排六方晶体结构，在室温下只有1个滑移面（0001），滑移面上有3个密排方向，所以室温下只有3个滑移系（如图1所示），其塑性比面心和体心立方金属都低。室温下，镁合金的塑性较差，变形困难，且易出现变形缺陷，这是由镁合金自身本质性质决定的，也是制约变形镁合金加工成形的本质原因。据有关文献报道，温度对镁合金的塑性影响很大，温度愈高，塑性愈好，变形抗力愈低，易于成型加工[3]。
   
 2 镁合金的冲压成形
    镁合金常用的成形方法有压铸、半固态铸造、挤压铸造、挤压和轧制等,其中镁合金产品的80 %是通过铸造方法获得 [1]。镁合金的冲压成形是一种技术难度较高的生产工艺，但以其生产效率高、可直接使用性能优良的轧制板材而具有很大的市场优势和广阔的发展前景。
    
    在冲压成形工艺中，拉深成形最为复杂，难度也较大。由于镁合金晶体结构是密排六方（Hcp），滑移系少，常温下塑性较差，一般须在150℃以上进行拉深成形。根据小坂田等人的研究结果,镁合金板材在250℃左右拉深时其拉深比超过铝合金和低碳钢板的常温拉深成形极限，在175℃时镁合金板杯形件拉深的拉深比可达2.0,而在225℃时可达3.0,超过了钢板和铝板在室温下的拉深比(分别为2.2和2.6)。在该温度下镁合金拉深成形性能与钢板和铝板在室温下的拉深性能相近[4]。
    
本文以某手机外壳的冲压生产为实例，对镁合金板材的冲压成形工艺进行了较为系统的研究。
 3 冲压模具设计
 3.2 冲压工序安排
    此制件用冲压方法进行生产需要四道工序，即：落料 拉深 修边 冲孔。考虑到实验的特殊情况，只需设计制造三套冲压模具，即：落料模具、拉深模具和冲孔模具，修边工序采用手工方式进行。
  
 3.3 冲压模具设计
    手机外壳是和其它多种小零部件相互配合、有严格装配关系的零件，考虑到实际使用时的互换性，在进行模具设计时仍然要对模具的型腔尺寸精度严格要求。
   
 3.3.1模具结构的选取
    此次制做的冲压模具是用来做实验的，为简化冲压模具的结构复杂程度、缩短模具的制做周期，设计时采用了带导向系统的单工序模具结构以便于调整。使用的标准模架参数如下：
    1）落料模具模架尺寸 180mm×150mm（材料：HT200）
    2）拉深模具模架尺寸 150mm×125mm（材料：HT200）
    3）冲孔模具模架尺寸 150mm×125mm（材料：HT200）
    3.3.2落料件尺寸的确定
    该零件可按低盒形件处理。切边余量取0.4mm，弯曲的直边部分展开长度按下式计算：

    Lz＝H＋0.57Rd[5]
式中：Lz??弯曲的直边部分展开长度
H－－拉深总高度
Rd－－底部园角半径
    3.3.3落料模具、冲孔模具的设计
    落料模具和冲孔模具的结构相对比较简单。考虑到镁合金的冲压特性，设计时取单边最小冲裁间隙Cmin=0.015mm,卸料板和凸模之间的单边卸料间隙取0.08mm。
   
 3.3.4 拉深模具的设计
    由于手机外壳的拉深高度较小，拉深系数M>M 1,因此设计时采用了一次拉深成形工艺。在模具结构中，采用了带限位装置（限位高度为S=0.6mm）的橡胶式弹性压边装置，给凸缘变形区施加轴向力σ2，以防止拉深过程中制件起皱；采用了橡胶式弹顶机构以保证拉深时底面的平整和拉深制件不滞留在凹模型腔内；用220V电热管环绕在拉深凸、凹模的周围，给拉深模具提供合适的温度梯度。
    
    因装配关系，手机外壳是要求外形尺寸的零件，设计时以凹模为基准件，主要参数为：凸模园角半径Rt＝1mm；凹模园角半径Ra＝2mm；直边部分拉深间隙值C=0.6mm；转角部分拉深间隙值C=0.66mm。凸、凹模工作部分的横向尺寸按下式计算 [5]：式中：
    4 冲压生产工艺及制件
    4.1 材料的选取
    本次实验使用的镁板材料为AZ31B，厚度为0.6mm。
    4.2使用曲柄压力机的主要参数
    （1）公称压力： 1000KN
    （2）滑块行程： 20—100mm
    （3）滑块每分钟行程数： 65次/分钟
    （4）连杆调节长度： 85mm
    （5）封闭高度（最大值）： 320mm
    （6）滑块中心至机身距离： 325mm
    （7）工作台尺寸（前后×左右）：600×800mm
    （8）工作台孔尺寸（前后×左右）： 320×400mm
    （9）工作台板厚度： 100mm
    （10）工作台板孔直径：φ160mm
    （11）滑块底面尺寸（前后×左右）： 260×340mm
    （12）模柄固定尺寸： φ60×80mm
    （13）电机功率： 7.5KW
    （14）转速： 720转/分钟
   
 4.3 冲裁生产实验
    AZ31B镁板在室温下的冲裁性能比较好，实验时用落料模具和冲孔模具进行落料、冲孔实验时制件的环状毛刺很小，稍加修整去刺即可。
   
 4.4 拉深生产实验
    AZ31B镁合金板材的拉深生产是冲压生产镁合金手机外壳的关键工序，技术难度很高，主要工艺参数有拉深力、拉深速度、坯料温度、模具预热温度、润滑方式、模具圆角、模具间隙、压边力等,这些因素对坯料的拉深成形均有不同程度的影响。
   
 4.4.1拉深速度
    镁合金AZ31B板材在热态下具有较好的塑性,甚至在一些不利于其它材料成形的应力、应变状态下也可以变形,但变形速度不易过大。这是因为随着变形速度的增加,镁合金的流动应力会随之增大,而材料的断裂抗力受变形速度的影响很小,这使得板料较早到达断裂阶段，从而产生拉裂缺陷[4]。因此在拉深时应采用慢速拉深工艺，同时还可以采取修整拉深间隙和凹模圆角的大小等措施来改善材料的受力状态,使之能在较高的变形速度下拉深出合格的产品[6]。对于0.6mm 厚的ZA31B薄板料，滑块每分钟行程数为65次时是比较合适的。
   
 4.4.2坯料温度
    虽然温度对变形镁合金的塑性影响很大，温度愈高，塑性愈好，变形抗力愈低，愈易于拉深成形，但不宜过高。当镁合金温度高于400℃时,由于晶粒长大反而使其塑性降低,不利于板材的拉深成形，同时还容易产生氧化腐蚀,因而坯料的温度范围应选定在室温至400℃这个区间。拉深生产实验时经反复比较得知，坯料温度在360℃~390℃时为最佳。
   
 4.4.3模具温度
    由于镁合金具有良好的导热性,与冷模具接触时,坯料温度会迅速降低,加上镁合金的变形温度范围比较狭窄,因而极易产生拉深缺陷,不利于拉深成形的进行,所以必须对模具进行预热。我们在设计拉深模具时采用电热管环绕模具进行加热，并配以温度控制系统以保证拉深模具的温度恒定。拉深生产实验时，当凸模温度在120℃～150℃、凹模温度在350℃～380℃时，拉深成形的效果很好，拉深制件如图6所示。
  
 4.4.4 润滑剂
    镁合金的划伤程度随温度的增加而增加, 在镁合金的热成形中润滑剂的选用比在冷成形中更为重要。拉深生产实验时采用二硫化钼试剂做润滑剂，有效地减小了坯料与压边圈及拉深凹模之间的摩擦,增强了金属的流动性,防止粘模,并保证良好的零件外观质量。
   
 5 分析与讨论
    在镁合金手机外壳的冲压成形过程中，主要的失效形式是拉深成形时危险端面处的破裂。虽然有拉深力、压边力、模具园角、拉深间隙、拉深速度、模具温度、坯料温度等许多影响因素，且各个因素之间还相互作用，但从实际的拉深成形实验过程看，温度是最关键的影响因素。在慢拉深时，只有保证坯料和拉深模具合适的温度，才能用0.6 mm厚的ZA31B板料拉深成形出完好的手机外壳。目前，我们通过反复实验已初步掌握了拉深速度、坯料温度、模具温度等主要因素对镁合金拉深成形的影响规律。
    
    当模具温度低于200℃时或坯料温度低于150℃时，基本上无法进行拉深生产，拉深件全部在危险端面处发生断裂现象；当坯料温度大于250℃，凹模温度在250℃～300℃时，情况有所好转，但仍有拉裂现象（如图7所示）；当坯料温度在360℃～390℃，凸模温度在120℃～150℃、凹模温度在350℃～380℃时，拉深效果达到最佳，拉深制件如图6所示。
   
 6 结论
    （1）镁合金有其独特的性能，在进行冲压模具设计时要注意其塑性差的特点，选取合适的模具参数。
    （2）在镁合金拉深成形时，通过对坯料温度、模具温度等主要影响因素的控制，可有效地解决镁合金拉深生产过程中的拉裂缺陷。
    (3) 在曲柄压力机上能成功地用0.6mm厚的ZA31B板料冲压生产出手机外壳。

    参考文献
[1] 王渠东，丁文江.镁合金及其成形技术的国内外动态与发展.世界科技研究与发展，2004，（6）：39－45
[2] H.Friedrich,S.Schumann,Research for a “new age of magnesium” in automotive industry. Journal of Materials Processing Technology 117 (2001) :276–281.
[3] E. Doege, K. Droder, Sheet metal forming of magnesium wrought alloys-formability and process technology, Journal of Materials Processing Technology 115 (2001): 14–19.
[4] 尹德良,张凯锋,吴德忠.AZ31 镁合金非等温拉深性能的研究.材料科学与工艺，2004，（1）：87－90
[5] 阎其风.模具设计与制造.北京：机械工业出版社，1998
[6] 张青来,卢晨,丁文江.镁合金盒形件温拉深起皱原因分析及措施.金属成形工艺，2004，（1）：1－3，10