鎂合金溫漸進(jìn)成形零件橘皮紋分析

廖娟，劉建華，張麗霞，薛新

（福州大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，福建福州，350116）

鎂合金是一種密度小、比強(qiáng)度高、彈性模量大、散熱性好、消震性好、耐沖擊載荷能力較強(qiáng)、耐有機(jī)物和堿腐蝕性能好的輕合金材料，已廣泛應(yīng)用于航空、航天、運(yùn)輸、化工、汽車(chē)、電子等領(lǐng)域。由于鎂合金的密排六方晶體結(jié)構(gòu)，常溫下其塑性較差，加熱條件下鎂合金的塑性可以得到極大提高[1]。在鎂合金板材成形工藝中，漸進(jìn)成形工藝是一種柔性化程度較高，適用于小批量生產(chǎn)的無(wú)模成形方式，相比傳統(tǒng)沖壓成形，該工藝中板材成形極限有顯著提高[2-4]。近年來(lái)，許多學(xué)者在板材漸進(jìn)成形的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出板材溫/熱漸進(jìn)成形工藝[5-17]，并對(duì)不同加熱方式下的鎂合金漸進(jìn)成形工藝進(jìn)行了研究，但這些研究主要圍繞材料成形極限、破裂、回彈等失效問(wèn)題[6-9]，針對(duì)鎂合金溫?zé)釢u進(jìn)成形中零件表面出現(xiàn)的橘皮紋現(xiàn)象及其相關(guān)研究少見(jiàn)報(bào)道。

橘皮紋不僅影響成形件表面質(zhì)量，同時(shí)對(duì)零件整體性能也有較大影響。ASM 材料工程詞典[18]中將橘皮紋定義為：當(dāng)金屬中一種異常粗大的晶粒受到超過(guò)其彈性極限的應(yīng)力時(shí)，表面會(huì)出現(xiàn)一種卵石紋理的粗糙化。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者開(kāi)始關(guān)注鎂合金塑性成形過(guò)程中的表面質(zhì)量問(wèn)題。ZHANG等[6]將不同軋制工藝的鎂合金AZ31板材用于溫漸進(jìn)成形實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)鎂合金板材的各向異性影響成形零件的表面質(zhì)量；LEONHARDT等[7]通過(guò)熱空氣加熱的溫漸進(jìn)成形實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)成形零件表面出現(xiàn)明顯的橘皮紋；CARTER等[19]認(rèn)為鎂合金板材內(nèi)部異常粗大的晶粒導(dǎo)致成形零件表面橘皮紋的產(chǎn)生；ANTONISWAMY 等[20]在鎂合金板的表面發(fā)現(xiàn)了橘皮紋理，并將這種紋理歸因于在適當(dāng)溫度和快速應(yīng)變速率下鎂合金的局部頸縮現(xiàn)象。

加熱方式主要影響板材的溫度分布，使板材不同位置出現(xiàn)溫差，材料內(nèi)部出現(xiàn)性能差異，因此也影響著材料表面質(zhì)量。本文作者針對(duì)鎂合金溫漸進(jìn)成形中出現(xiàn)的橘皮紋現(xiàn)象，建立使用熱空氣（hot air，HA）加熱和碳纖維電熱管（carbon fiber electric pipe，CFEP）加熱的鎂合金溫漸進(jìn)成形平臺(tái)，采用單因素實(shí)驗(yàn)方法，研究成形溫度對(duì)成形零件表面橘皮紋的影響規(guī)律，并進(jìn)一步分析加熱方式對(duì)成形零件表面橘皮紋的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)

本文研究的材料為AZ31B 鎂合金板材，板材厚度為1 mm，其主要成分如表1所示。加熱拉伸實(shí)驗(yàn)采用島津AG-Xplus 系列臺(tái)式電子萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)及其配套高溫實(shí)驗(yàn)箱，單向拉伸試樣參考ASTM（American Society for Testing Materials）E8 標(biāo)準(zhǔn)，試樣標(biāo)距為50 mm，具體形狀尺寸如圖1所示。為考慮材料各向異性，實(shí)驗(yàn)使用沿RD（軋制方向）、DD（與軋制方向呈45°）和TD（與軋制方向呈90°）方向切割的拉伸試樣，實(shí)驗(yàn)溫度為200，225，250和275 ℃，應(yīng)變速率為1×10-3s-1。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前將試樣裝夾，設(shè)定保溫箱溫度，待保溫箱溫度達(dá)到設(shè)定值后保溫20 min，保證試樣溫度均勻性，每組重復(fù)實(shí)驗(yàn)3～4次。

表1 AZ31B 材料的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Chemical composition of AZ31B material %

圖1 拉伸試樣尺寸Fig.1 Dimensions of tensile specimen

圖2所示為鎂合金板材單軸拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。從圖2可知：AZ31B板試樣加熱拉伸時(shí)真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線在到達(dá)最高點(diǎn)后逐漸下降，這主要是因?yàn)椴牧习l(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，曲線呈現(xiàn)出明顯的軟化特征。單軸拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)所用材料具有明顯的各向異性，尤其在200，225 和250 ℃單軸拉伸實(shí)驗(yàn)中，DD方向試樣的材料伸長(zhǎng)率明顯大于其他2 個(gè)方向試樣的材料伸長(zhǎng)率，且TD 方向材料伸長(zhǎng)率明顯低于RD方向材料伸長(zhǎng)率。隨溫度上升，板材屈服強(qiáng)度和最大抗拉強(qiáng)度降低，材料伸長(zhǎng)率增加，但是，材料的各向異性在275 ℃時(shí)減弱，各方向的材料伸長(zhǎng)率趨近。

圖2 鎂合金板材單軸拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 Stress-strain curves of magnesium alloys under uniaxial tensile tests at different temperatures

2 實(shí)驗(yàn)裝置和成形工藝參數(shù)

實(shí)驗(yàn)使用1 臺(tái)改造的數(shù)控銑床作為成形平臺(tái)，并分別建立熱空氣加熱系統(tǒng)、碳纖維電熱管加熱系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)和壓邊裝置。同時(shí)，將厚度為20 mm 的硅酸鋁隔熱板安裝在漸進(jìn)成形工作臺(tái)內(nèi)側(cè)作為保溫層。成形溫度控制系統(tǒng)依托1臺(tái)在線式紅外測(cè)溫儀測(cè)量鎂合金板材中央?yún)^(qū)域溫度，測(cè)量范圍為板材中心直徑約22 mm 的圓形區(qū)域，在線式紅外測(cè)溫儀所測(cè)的溫度信號(hào)傳輸至溫度控制器，溫度控制器控制熱空氣加熱線圈/碳纖維電熱管功率，其中熱空氣加熱裝置利用熱空氣吹到鎂合金板材表面形成熱量交換實(shí)現(xiàn)加熱，碳纖維電熱管加熱方式利用底部縱橫均勻分布的4根碳纖維管通電發(fā)射遠(yuǎn)紅外光線照射鎂合金板材實(shí)現(xiàn)加熱，如圖3和圖4所示。

圖3 漸進(jìn)成形加熱系統(tǒng)工裝剖視圖Fig.3 Sectional views of thermal incremental sheet forming devices

圖4 漸進(jìn)成形加熱系統(tǒng)工裝Fig.4 Experimental heating device in thermal incremental sheet forming

碳纖維電熱管加熱系統(tǒng)工作時(shí)，溫度控制器控制碳纖維電熱管開(kāi)始工作，碳纖維電熱管發(fā)出的遠(yuǎn)紅外線被鎂合金板材吸收，鎂合金板材溫度上升，達(dá)到目標(biāo)溫度后溫差波動(dòng)范圍可控制在±（3～4）℃內(nèi)。

熱空氣加熱系統(tǒng)工作時(shí)，鼓風(fēng)機(jī)將室溫空氣通過(guò)熱空氣加熱管鼓入漸進(jìn)成形工作臺(tái)內(nèi)，室溫空氣經(jīng)過(guò)加熱線圈后被加熱到一定溫度，熱空氣吹到鎂合金板材底側(cè)，與板材形成熱量交換，對(duì)板材進(jìn)行加熱，鎂合金板材表面溫度達(dá)到目標(biāo)溫度后基本維持不變，經(jīng)檢測(cè)其波動(dòng)范圍為±（1～2）℃，由于熱空氣的流通作用，其加熱效率較高，且溫度場(chǎng)比碳纖維電熱管加熱更為穩(wěn)定。

實(shí)驗(yàn)使用鎂合金AZ31B冷軋板材，坯料長(zhǎng)度×寬度×厚度為200 mm×200 mm×1 mm，成形中使用的潤(rùn)滑材料為二硫化鉬粉末加凡士林的混合材料[21]，將其均勻涂抹在鎂合金板材待加工表面。成形零件目標(biāo)形狀為八棱錐，八棱錐壁角為50°，成形軌跡為等高線軌跡，等高線之間采用10°進(jìn)刀角的斜進(jìn)刀，成形工具頭為剛性球頭工具，采用鎢鋼（YG3X）制成，洛氏硬度（HRA）約為92，成形工具頭進(jìn)給速率為1 000 mm/min，成形軌跡層間距為0.2 mm。鎂合金溫漸進(jìn)成形實(shí)驗(yàn)按前述2 種加熱方式分為2 組，每組分別設(shè)4 個(gè)成形溫度即200，225，250和275 ℃。

3 結(jié)果與討論

3.1 溫度分布規(guī)律

實(shí)驗(yàn)中使用熱成像儀監(jiān)控成形過(guò)程鎂合金溫度分布，如圖5所示，熱成像儀所拍攝鎂合金板材溫度分布圖中，使用配套軟件查詢特定位置的溫度，圖5中C1表示劃定橢圓區(qū)域內(nèi)板材的平均溫度，橢圓區(qū)域始終處于當(dāng)前成形軌跡等高線圈內(nèi)，其范圍隨著加工區(qū)域的變化而逐漸變化，P1和P2等表示標(biāo)志點(diǎn)（圖中圓點(diǎn)處）瞬時(shí)溫度。成形開(kāi)始前，板材最大溫度差小于30 ℃，且成形區(qū)域內(nèi)板材溫度更加均勻。當(dāng)板材開(kāi)始成形后，其溫度分布差異開(kāi)始增加，熱空氣系統(tǒng)加熱成形過(guò)程中，最大溫度差為61 ℃，這主要是由于靠近出風(fēng)口位置的板材熱量散失較大，與熱空氣出風(fēng)口對(duì)準(zhǔn)的板材中央?yún)^(qū)域溫度形成較大差異。對(duì)于碳纖維電熱管加熱成形，最大溫度差為35 ℃。此外2 種加熱系統(tǒng)輔助下，成形板材溫度分布情況也有差異，如圖5（b）所示，熱空氣系統(tǒng)加熱成形中，板材溫度最高區(qū)域位于板材底部平面區(qū)域，且由中心至側(cè)壁，溫度逐漸降低；碳纖維電熱管加熱成形中，隨成形過(guò)程進(jìn)行，最高溫度區(qū)域由底部平面轉(zhuǎn)移至側(cè)壁（見(jiàn)圖5中P3處），這主要是由于板材逐步變形時(shí)，板材側(cè)壁與碳纖維電熱管體距離減小，受到輻射增加，側(cè)壁溫度上升。

圖5 成形溫度250 ℃時(shí)板材溫度分布Fig.5 Blank temperature distribution at 250 ℃

3.2 表面形貌

鎂合金溫漸進(jìn)成形實(shí)驗(yàn)后，觀察到所有零件非加工側(cè)（定義鎂合金板材與成形工具頭直接接觸的面為加工側(cè)，未與成形工具頭接觸的面為非加工側(cè)）的成形區(qū)域出現(xiàn)明顯的橘皮紋，且紋路沿RD方向和TD方向生成，如圖6所示。橘皮紋的數(shù)量、密集程度、表面形態(tài)受成形溫度和加熱方式影響較大。此處選擇八棱錐零件的3個(gè)相鄰側(cè)壁以表征零件表面橘皮紋形態(tài)，3個(gè)側(cè)壁的選取以及八棱錐模型見(jiàn)圖7。

圖6 成形零件表面形貌Fig.6 Surface morphology of formed magnesium alloy part

從圖6（a）～（f）可知：橘皮紋表現(xiàn)出明顯的方向性，在3 個(gè)不同側(cè)壁中，橘皮紋路均沿板材RD 方向和TD 方向生成，而與板材變形路徑無(wú)關(guān)。另外，從圖6（a）～（f）也發(fā)現(xiàn)橘皮紋的方向性不隨成形溫度、加熱方式改變。200，225 和250 ℃時(shí)單軸拉伸試驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)所用鎂合金板材在TD 和RD 方向的伸長(zhǎng)率較低，因此，推測(cè)橘皮紋的方向性主要與材料的各向異性有關(guān)。

圖6（a）～（f）所示分別為碳纖維電熱管和熱空氣加熱系統(tǒng)在225 ℃時(shí)成形零件的表面形貌。可見(jiàn)，熱空氣加熱成形零件側(cè)壁上的橘皮紋理更加細(xì)密，與其他成形溫度零件上觀察到的情況類(lèi)似。圖6（d），（g），（h）和（i）所示為熱空氣加熱零件RD 側(cè)壁在不同成形溫度下的橘皮紋形貌。可見(jiàn)，成形溫度為200 ℃時(shí)，橘皮紋理較粗、較深且彎曲，同時(shí)，觀察到零件表面出現(xiàn)局部細(xì)微裂紋。而碳纖維電熱管加熱200 ℃時(shí)成形零件表面未見(jiàn)裂紋，可能是由于碳纖維電熱管加熱成形零件側(cè)壁溫度稍高，側(cè)壁材料成形性能稍好；成形溫度上升至225 ℃和250 ℃時(shí)，橘皮紋理變細(xì)、變淺、更筆直；但成形溫度上升至275 ℃時(shí)，橘皮紋理再次變粗。2種加熱方式在成形溫度為225，250和275 ℃時(shí)，零件表面均未見(jiàn)裂紋，推測(cè)是由于成形溫度上升導(dǎo)致鎂合金板材成形能力增強(qiáng)[22]。

3.3 表面粗糙度

為定量分析不同成形條件下零件的表面質(zhì)量，使用1 臺(tái)Mitutoyo SJ-210 粗糙度測(cè)量?jī)x測(cè)量成形零件橘皮紋處表面粗糙度。鑒于八棱錐零件具有中心對(duì)稱(chēng)的特性，使用成形零件的3個(gè)相鄰側(cè)壁作為測(cè)量對(duì)象，如圖7所示，根據(jù)側(cè)壁與材料方向的對(duì)應(yīng)關(guān)系，分別將3個(gè)待測(cè)側(cè)壁定義為RD，DD和TD側(cè)壁。選取側(cè)壁上隨機(jī)4個(gè)4 mm×4 mm的區(qū)域作為表面粗糙度的測(cè)量區(qū)域，并取4個(gè)區(qū)域內(nèi)測(cè)量值的平均值作為最終值。

圖7 八棱錐零件三維模型Fig.7 Three-dimensional model of octagonal parts

表面粗糙度測(cè)量結(jié)果如圖8所示。原始板材的粗糙度Rz=7.35 μm，但所有成形后零件的表面粗糙度均大于25 μm，表面粗糙度增大與橘皮紋理的出現(xiàn)有關(guān)。一方面，零件表面粗糙度隨成形溫度上升而降低，但成形溫度達(dá)到275 ℃時(shí)，零件表面粗糙度反而出現(xiàn)上升，成形溫度為225 ℃和250 ℃時(shí)的零件表面粗糙度較低，具有更好的表面質(zhì)量，這與前面所述零件表面形貌觀察規(guī)律一致。另一方面，熱空氣加熱成形零件的表面粗糙度普遍小于碳纖維電熱管加熱成形零件的表面粗糙度，其中，2 種加熱方式成形零件的TD 側(cè)壁表面粗糙度差異最明顯，在275 ℃時(shí)，TD 側(cè)壁表面粗糙度差異達(dá)到最大值，約為7 μm。

圖8 成形零件側(cè)壁橘皮紋表面粗糙度對(duì)比Fig.8 Comparison of surface roughness on sidewall surfaces of formed parts

3.4 微觀組織結(jié)構(gòu)

為了解板材在熱變形中的變化，使用金相顯微鏡觀察原始板材和成形后板材的微觀組織結(jié)構(gòu)，取成形零件RD 側(cè)壁處部分材料作為微觀觀察試樣，裁取位置為圖7所示方框A處。圖9（a）所示為未進(jìn)行加工的原始板材微觀金相，測(cè)量得到材料平均晶粒直徑為7 μm。圖9（b）～（e）所示為熱空氣加熱成形零件在4個(gè)成形溫度下的材料微觀金相?？梢?jiàn)，200 ℃成形時(shí)，材料晶粒非常不均勻，隨成形溫度上升，材料晶粒趨于均勻，晶粒粒徑增大。

熱單點(diǎn)漸進(jìn)成形中，板材同時(shí)受到加熱和應(yīng)力作用，板材的變形行為是一個(gè)包含加工硬化、靜態(tài)再結(jié)晶、動(dòng)態(tài)回復(fù)、動(dòng)態(tài)再結(jié)晶和亞動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的復(fù)雜過(guò)程[23]，材料不同位置可能發(fā)生不同的變形行為，相同位置材料的變形行為在不同階段也可能不同。單點(diǎn)漸進(jìn)成形過(guò)程中，成形工具頭周?chē)陌宀陌l(fā)生塑性變形，伴隨工具頭移動(dòng)，板材的變形累積產(chǎn)生最終形狀。加熱條件下，發(fā)生塑性變形的局部材料發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，晶粒細(xì)化；工具頭持續(xù)進(jìn)給，變形已完成的局部材料受到持續(xù)加熱，未產(chǎn)生應(yīng)變，內(nèi)部發(fā)生亞動(dòng)態(tài)再結(jié)晶和靜態(tài)再結(jié)晶，晶粒出現(xiàn)生長(zhǎng)。在BARNETT 等[24-26]的研究中顯示，較高成形溫度使材料晶粒在成形過(guò)程中再結(jié)晶加快，導(dǎo)致材料出現(xiàn)較大尺寸晶粒。

圖9（b）～（d）所示分別為使用熱空氣加熱的成形零件在225，250 和275 ℃時(shí)的顯微組織。圖9（f）～（h）所示分別為使用碳纖維電熱管加熱的成形零件在225，250和275 ℃時(shí)的顯微組織。225 ℃時(shí)成形零件微觀圖（圖9（b）和（f））中，熱空氣和碳纖維電熱管加熱成形零件晶粒平均直徑均為14 μm左右；當(dāng)成形溫度為250 ℃時(shí)，碳纖維電熱管（圖9（g））加熱成形零件的平均晶粒粒徑約為25 μm；當(dāng)溫度為275 ℃時(shí)（圖9（h）），平均晶粒粒徑為33 μm，在相同條件下，熱空氣加熱成形零件的平均晶粒粒徑為23 μm（圖9（c））和30 μm（圖9（d）），碳纖維電熱管加熱成形零件晶粒平均粒徑更大。另外，成形溫度為275 ℃時(shí)的零件微觀金相圖中，晶粒更不均勻，粗大晶粒增多，熱空氣加熱條件下最大晶粒直徑為70～75 μm，碳纖維電熱管加熱成形零件最大晶粒直徑達(dá)到80～85 μm?？梢?jiàn)，碳纖維電熱管加熱成形零件的晶粒直徑大于熱空氣加熱成形零件晶粒直徑，造成的原因可能是：碳纖維電熱管加熱零件側(cè)壁處溫度高于熱空氣加熱零件側(cè)壁溫度。根據(jù)SHI等[13]的研究，過(guò)大的晶粒可能造成零件表面的橘皮紋，這可能是碳纖維電熱管加熱成形零件表面粗糙度普遍比熱空氣加熱大的原因。

圖9 成形零件微觀金相Fig.9 Microstructure of octagonal pyramids

成形零件微觀金相的差異可能與板材上溫度分布的變化有關(guān)，熱空氣加熱成形零件底部平面區(qū)域溫度最高，側(cè)壁處溫度從底部到頂部逐漸降低，如圖5（b）所示。但碳纖維電熱管加熱成形中，零件側(cè)壁處溫度較高，對(duì)比圖5（b）和（c）這2種加熱方式P3～P7標(biāo)志點(diǎn)溫度，碳纖維電熱管加熱成形零件P3～P7標(biāo)志點(diǎn)溫度更高，較高的溫度使碳纖維電熱管加熱成形中板材組織靜態(tài)再結(jié)晶加快，材料內(nèi)部更容易出現(xiàn)大尺寸晶粒，使成形零件板材表面出現(xiàn)橘皮紋。

4 結(jié)論

1）鎂合金溫漸進(jìn)成形中產(chǎn)生的橘皮紋表現(xiàn)出較強(qiáng)方向性，其紋理方向與板材的RD 和TD 方向一致，與板材的變形路徑無(wú)關(guān)，該方向性可能與板材的各向異性有關(guān)聯(lián)。

2）采用合適的加熱方式有利于減少鎂合金表面橘皮紋，相比碳纖維電熱管加熱，熱空氣加熱系統(tǒng)中空氣流通性更強(qiáng)，具有更高加熱效率，且熱空氣加熱成形零件擁有更高表面質(zhì)量。

3）適當(dāng)提高成形溫度有助于增加AZ31B 板材的成形性能并改善成形零件的表面質(zhì)量，但過(guò)高成形溫度反而引起成形零件晶粒粗大，導(dǎo)致成形零件表面橘皮紋粗糙化。