张涛 喻祖建 刘祥伟

重庆科技学院冶金与材料工程学院， 重庆 401331

镁合金作为轻质金属结构材料，其优异的性能已引起人们广泛的关注[1]。实验测定AZ31B的室温延伸率只有15%左右[2]，表明其室温塑性差，不能满足冲压成形要求。研究表明，温度是影响镁合金塑性的一个重要因素[3][4]，而差温拉深是提高板材拉深性能的一项重要工艺措施[5][6]。本文设计了电阻环形线圈加热凸模和压边圈、恒温冷却水对凸模进行冷却、PID温度控制器控温的镁合金差温拉深模具温度控制系统，该系统在使用中反馈及时、温控精度高、模具温度分布均匀，提高了镁合金薄板的成形性能。

1 模具加热系统设计

在板材的拉深成形过程中，与压边圈和凹模接触的坯料作为变形区将产生剧烈的塑性变形，要求该部分材料塑性较好；而与凸模接触的材料只起到传力的作用，不参与变形，要求强度较高。镁合金的塑性随温度升高而升高的同时其抗拉强度下降[5]。因此镁合金板材拉深成形模具中，凹模和压边圈必须进行加热以提高该部分材料的塑性，凸模需要冷却以保持其抗拉强度不变。

1.1 加热装置设计

冲压模具的加热以电加热方式为主，目前主要是在模具中插入电加热棒进行加热，这种方式所需的加热棒较多，模具温度分布不均匀，靠近加热棒位置温度高，远离加热棒位置的温度低，模具存在较大的温差，这对温度极为敏感的镁合金材料的塑性变形极为不利。为了改进电加热棒加热不均的缺点，设计的凹模电阻环形线圈加热装置如图1所示，压边圈的加热装置与凹模的加热装置类似。在凹模的加热板上设计出加热管槽，管槽的外形与凹模轮廓形状相似，电阻环形加热线圈的结构形式与加热管槽形状一致。制造时，将加热线圈放入加热管槽中，并在两者的间隙中填入具有良好导热性的绝缘陶瓷材料。该加热装置中，加热线圈布置形式与凹模轮廓形状相似，模具温度分布均匀；在加热板上只有一个加热线圈，温度控制系统简单、精确，加热装置维修方便；在加热线圈与加热管槽中填入陶瓷材料，既起到了绝缘的效果，也提高了加热效率，并且可以避免加热线圈因传热不良而产生过热现象，还可防止模具在使用过程中的震动碰撞损坏加热线圈；加热板的背面开设隔热材料存放槽，热量损失少，对模具非加热部位和成形设备的影响小，模具也具有较高的强度和刚度。

图1 加热装置结构形式

1.2 加热功率计算

电加热模具所需总功率可按下式计算：

差温拉深模具中，凹模和压边圈的外径和内孔直径完全一致，只是厚度不一致。设模板（凹模、压边圈）外径为D，内孔直径为d，模板厚度为H，模具材料的密度为g，模具钢锻造后其密度g=8200Kg/cm3，则模板的重量 为G：

将式（2）代入式（1）得模板加热所需功率为：

取模具升温速率为10℃/min，根据模具相关尺寸计算得到凹模和压边圈加热线圈功率为0.4KW。

2 加热温度控制系统设计

拉深凹模与压边圈均采用PID温度控制器调整所需要的温度。温度控制系统主要组成零件包括PID控制器、固体继电器和K型热电偶等组成。K型热电偶放置在压边圈和凹模外侧所钻出的侧温孔内，并将测量的温度传递到PID控制器PID控制器利用比例、积分和微分方法计算出控制量，控制固体继电器的通断从而控制电阻环形线圈的工作状态，达到控制压边圈和凹模实际温度的目的。温度控制系统原理图如图2所示。该控制系统控制过程响应快，调节量小，控制精度高，温度控制偏差为±0.1℃。

图2 温度控制系统原理图

3 凸模冷却装置设计

凸模温度对镁合金薄板的拉深成形性影响较大。为了提高镁合金的成形性，将拉深凸模设计成中空结构形式，并利用模温机输入循环冷却水降低温度的水冷式结构形式，如图3所示。装配时，将进水管焊接在模板上，再与凸模装配固定，进水口水管要伸入凸模底部。为了防止使用时冷却水渗漏，在凸模与模板之间、入水口水咀与模板之间、出水口水咀与模板之间装配时要采取密封措施。

4 结语

利用循环冷却水对凸模进行冷却、电阻环形线圈加热凸模和压边圈、PID温度控制器控温的镁合金差温拉深模具温度控制系统，温度控制性能良好，实现了镁合金薄板的差温拉深，保证了实验的准确性。

[1]喻祖建，李建辉，杨成林等．镁合金薄板冲压成形技术研究进展[J]．热加工工艺，2012(9)：116-120

[2]于勇．AZ31B镁合金板材拉伸力学性能的各向异性研究[D]．大连海事大学，2009

[3]Qun-Feng Chang, Da-Yong Li, Ying-Hong Peng, etc. Experimental and numerical study of warm deep drawing of AZ31 magnesium alloy sheet[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2007,47:436-443

[4]S.H. Zhang, K. Zhang, Y.C. etc. Deep-drawing of magnesium alloy sheets at warm temperatures[J]. Journal of Materials Processing Technology,2007,185:147-151

[5]E.Doege，K.Droder．Sheet metal forming of magnesium wrought alloys—formability and process technology．Journal of Materials Processing Technology，2001(115)：14～19

[6]喻祖建，李建辉．镁合金薄板差温拉深模具设计[J]．机械设计与制造，2012(7)：259-261