镁合金手机外壳冲压理论与实践

镁合金手机外壳冲压理论与实践引言：镁合金的优良性能镁合金具有密度低、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的具有广泛的应用前景和巨大的应用潜力[1，2]。

镁合金晶体结构是密排六方（Hcp ），滑移系少，常温下，塑性较差。

这方面唯独日本有关于常温镁合金弯管工艺的信息。

一般热冲压都必须在150℃以上进行。

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[2]。

德国大众(奥迪)汽车公司开发了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[5],内镁外铝的混合车门,用镁板可比用钢板减重50%,比用铝板减重20%。

在175℃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)。

在该温度下镁合金冲压成形性能与钢板和铝板在室温下的冲压性能相近。

1、 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），也称基面、底面或密排面，滑移面上有3个密排方向[1120]、[2110]和[1210]，即密排六方晶体在室温下只有3个滑移系，其塑性比面心和体心立方金属都低，塑性变形需要更多地依赖于滑移与孪生的协调动作，并最终受制于孪生；滑移与孪生的协调动作是此类合金塑性变形的一个重要特征[4，5，10]。

室温下，镁合金的塑性较差，变形困难，且易出现变形缺陷，是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[1，2]。

根据实验和有关文献报道，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，易于成型加工。

212a 2a 1{1100}<1120>3，{0001}<1120>3，{1010}<1120>，6{1011}-<a>基面棱面锥面-<a>-<a>图1 密排六方晶体材料中滑移系Fig.1 Slip Systems of Hcp Materials2、 冲压模具设计镁合金在3C 产品上的应用前景非常广阔，本方案已某手机外壳为实例，研究镁合金的冲压工艺。

用镁合金（AZ31B ）冲压生产手机外壳是一种技术难度较高的生产工艺，但以其生产效率高、镁合金的密度低而具有很大的市场优势和广阔的发展前景。

一、制件图的分析修边→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、冲孔模具，修边工序采用手工方式进行。

3、此制件是和其它多种小零部件相互配合、有严格装配关系的零件，虽然图纸上的尺寸精度没要求那么高，但考虑到使用时的互换性，在进行模具设计时仍然要对模具的型腔尺寸精度要求高些。

二、模具结构的选取1、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，设计时采用了单工序模具结构，便于调整。

2、为降低模具的制做成本，设计时采用了标准模架。

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、由导柱、导套（材料：20#钢渗碳淬火HRC60-62）组成的上、下模之间的导向定位系统采用滑动配合方式，配合间隙0.03ｍｍ，足以保证IT7－IT8级的尺寸精度。

三、落料模具设计1、落料件尺寸的确定1）制件图尺寸如图1所示，可按低盒形件处理。

2）切边余量取0.4mm。

3）弯曲的直边部分展开长度为：L＝H＋0.57R dZL――弯曲的直边部分展开长度式中：ZH－－拉深总高度R d－－底部园角半径2、落料模具凸、凹模尺寸的确定1）落料件的尺寸取决于凹模刃口尺寸。

设计落料模具时应先考虑凹模刃口尺寸，并以凹模刃口尺寸为设计基准，缩小凸模刃口尺寸来获取冲裁间隙。

2）冲裁间隙（单边）C min =0.015mm3)凸、凹模刃口尺寸计算公式设制件尺寸为0∆-D则： a X D D a δ+∆-=0)(0min )2(t C D D a t δ--=式中： t a D D 、――分别为落料模具凹模、凸模的刃口尺寸t a δδ、――分别为落料模具凹模、凸模的制造公差∆――制件的制造公差min C ――单边最小冲裁间隙X ――磨损系数（取X ＝1）4）凸、凹模刃口尺寸（略）3、为降低模具制造成本，没有进行排样设计，而是在凹模的相应部位设计了定位销（采用手工送料方式），以解决用小块板料落料生产时的定位问题。

4、因镁板的壁厚只有0.6mm ，落料时包紧力不大，故采用弹性卸料装置。

卸料板和凸模之间的间隙取0.1mm 。

5、压力中心和冲裁力的计算（略）6、凹模采用柱孔口直筒形结构，既便于制造又解决了向下漏料的问题。

四、拉深模具设计1、拉深的总高度比较小，只有5mm ，设计时采用了一次拉深成形工艺。

2、拉深模具凸、凹模尺寸的确定1）此制件是要求外形尺寸零件（便于装配），设计时应以凹模为基准件，间隙通过减小凸模尺寸获得。

2）拉深间隙拉深间隙值C 的大小对拉深力、制件质量、模具寿命等影响很大。

间隙过大，制件易起皱，有锥度、精度差；间隙过小，则有害摩擦加大，制件变薄严重，甚至破裂。

因此，确定合适的拉深间隙值C 是很重要的。

考虑到镁板的拉深性能差（需把拉深模具和坯料加热到合适的温度才能进行拉深生产）、制件精度要求较高等诸方面的因素，拉深间隙取值如下：（1）直边部分拉深间隙值 C=1t=0.6mm（2）转角部分拉深间隙值 C=1.1t=0.66mm3）凸、凹模园角半径t r ＝1mm （制件尺寸决定）a r ＝2mm （便于拉深）4）凸、凹模工作部分横向尺寸的计算公式a L L a δ+∆-=0max )75.0(0)2(t C L L a t δ--=式中： t a L L 、――分别为凹模、凸模工作部分横向尺寸t a δδ、――分别为凹模、凸模的制造公差m ax L ――制件外形标注的最大尺寸C ――凸模、凹模之间的单边间隙∆――制件的制造公差（单向公差）5）凸、凹模尺寸（略）3、压边装置为了防止拉深过程中制件起皱，设计时采用了橡胶式弹性压边装置，同时兼起卸料板作用（单边间隙0.1mm ）。

4、拉深坯料定位考虑到在拉深时镁板坯料和拉深模具需要加热，从而会引起模具尺寸的微小变化、做实验生产批量不大等因素，设计时定位装置没有采用周边定位法，而是在相应部位使用定位销定位。

5、弹顶装置为了保证拉深时底面的平整和拉深制件不滞留在凹模，设计时采用了橡胶式弹顶机构。

但要注意，调整时应使弹顶机构的预紧力小于压边装置的压边力，这样才能使拉深工序顺利进行。

6、加热系统用220V 电热管加热，电热管环绕在拉深凹摸的周围。

五、冲孔模具设计1、冲孔模具凸、凹模尺寸的确定1）冲孔件的尺寸取决于凸模刃口尺寸。

设计冲孔模具时应先考虑凸模刃口尺寸，并以凸模刃口尺寸为设计基准，扩大凹模刃口尺寸来获取冲裁间隙。

2）冲裁间隙（单边）C min =0.015mm3)凸、凹模刃口尺寸计算公式设制件尺寸为∆+0d则： 0)(t X d d t δ-∆+=a C d d t a δ++=0min )2( 式中： a t d d 、――分别为冲孔模具凸模、凹模的刃口尺寸a t δδ、――分别为冲孔模具凸模、凹模的制造公差∆――制件的制造公差min C ――单边最小冲裁间隙X ――磨损系数（取X ＝1）4）凸、凹模刃口尺寸（略）2、坯料的定位冲孔是手机外壳冲压生产的最后一道工序，其坯料是拉深、修边后的半成品制件，可利用坯料的凹腔来准确定位。

3、卸料板和凸模之间的间隙仍然取0.1mm 。

4、压力中心和冲裁力的计算（略）3、 冲压工艺及产品镁合金板材热拉深成形时主要工艺参数有拉深力、成形速度、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结果均有不同程度的影响。

(1)坯料温度。

镁合金ＭＢ2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,但变形速度不易太大。

镁合金在较高温度下尤其400℃以上很容易产生氧化腐蚀,因而实验要控制在这个温度以下进行。

在研究工作中,为了能够更好的比较镁合金在不同温度下的塑性成形情况,坯料的温度范围选定在室温至400℃这个区间。

(2)模具温度。

由于镁合金具有良好的导热性,与冷模接触时,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,坯料温度降低,极易产生拉深缺陷,不利于成形的进行,所以,必须对模具进行预热。

这也正是笔者设计的模具区别于普通拉深模的地方,一般来说模具的加热温度要略低于坯料加热温度,加热方式选用电阻棒加热并配以热电偶控温以保证模具的温度恒定。

(3)润滑剂。

镁合金的划伤程度随温度的增加而增加,这就使得润滑剂的选用在热成形中比在镁合金冷成形中更为重要。

为了减小坯料与压边圈及凹模之间的摩擦,利于金属流动,防止粘模,并保证良好的零件外观质量,必须采用润滑剂,(4)压边力。

压边力是镁合金板材能否成形的关键因素之一,需要在试验中不断调整。

图2为镁合金板材冲压零件照片。

压边力对拉深件高度影响较明显,坯料温度、坯料尺寸对拉深高度影响也较明显。

目前笔者已初步掌握了压边力、坯料温度、模具预热温度对拉深高度的影响。

在350～400℃这个温度范围内镁合金坯料成形较好,塑性较高;当温度高于400℃时,镁合金会发生晶粒长大使塑性降低,不利于板材成形。

所以镁合金拉深工艺应该控制在350～400℃这个温度内。

通过对实验数据的统计可以得出300～400℃范围内坯料直径与拉深量的关系图。

当坯料温度大约在350℃时的成形最好。

板材液压胀形时,由于变形时无摩擦,属于柔性塑性加工,成形件见图3,但变形极限还较小,如果在液压胀形时采用加热方法,则成形极限可以进一步提高。

4、结论。