轻型材料电致塑性冲压成形机理和技术的研究

Systematical uni-axial tension tests of light weight sheet metals, including high strength steel, aluminum alloy and magnesium alloy, are to be implemented, both with the application of electric pulse or without electricity. So the thermal effects, the electroplastic effects and their interaction could be analyzed. The electroplastic effects on micro structure of the materials, such as recovering, recrystallization, grain boundary sliding, rounding of the cavity tip, variation of dislocation density, are to be analyzed, so that the mechanism of electroplastic effects could be understood more clearly. The effects of temperature, strain, strain rate and electric pulse parameters on flow stress, stress relaxation and ductile fracture are to be analyzed, then the corresponding theoretical models are to be established for practical application. These research work will build the theoretical base for electroplastic stamping processes. Some typical electroplastic stamping processes, such as punching, hole expansion, hemming, deep drawing and springback control, are to be developed, focusing on the methods of safely and effectively applying electrical pulse in the deforming region of the workpiece, optimizing pulse parameters and matching the pulse with the tool stroke. The research in this project will thrust the practical application of electroplastic stamping processes, and more widely application of light weight materials in automobile industry.

针对高强钢和铝镁合金等轻型板材进行系统的电致塑性拉伸实验和相同温度条件下不加电的对比实验，分别考虑热效应与纯电致塑性效应的影响、以及它们的交互影响；采用微观组织分析以及数值模拟等手段，分析电致塑性效应对试件微观组织的影响，如回复与再结晶、晶界滑移、微裂纹尖端钝化、位错密度变化等，从而获得对不同条件下电致塑性机理的正确理解；分析温度、应变、应变速率以及电脉冲参数对材料的流动应力、应力松弛、韧性破裂等力学性能的影响规律，建立便于实际应用的考虑电致塑性效应影响的相应理论模型，为电致塑性冲压技术研究建立必要的理论基础；以上述研究为基础，研究开发电致塑性冲孔、翻孔、包边、拉深、回弹控制等工艺方法，着重解决在塑性变形区域安全、有效地引入脉冲电流，优化电流参数及其与模具行程的协调等问题。本项目研究将推动电致塑性成形技术的应用和推进轻型材料在汽车制造业中的应用，具有重要的理论意义与实际价值。

针对DP980和QP980高强钢板以及AZ31镁合金板进行了系统的单向拉伸和应力松弛实验，其中包括施加不同频率和电流密度等电参数的电脉冲、同时采用吹风控制试件温度的电脉冲辅助实验以及相同温度条件下不加电的等温实验。通过相同温度下通电与不通电的对比实验，确认AZ31镁合金通电时比不通电时流动应力降低，即存在纯电致塑性效应；而DP980高强钢板则不存在这种效应，甚至随着温度升高而发生马氏体分解和低温脆性，使流动应力增大、塑性降低，即存在反电致塑性效应。基于实验结果针对相应材料分别建立了多种考虑温度影响、以及同时还考虑电脉冲参数影响的流动应力模型和应力松弛模型。采用金相、电镜以及EBSD等分析方法，分析了温度和电脉冲对塑性变形中AZ31镁合金的孪晶、再结晶以及织构的影响，对高强钢板马氏体分解的影响，以及材料微观组织演化与流动应力和应力松弛等力学行为的关系，深化了对不同条件下电致塑性机理的理解。开展了电致塑性弯曲回弹、包边、翻孔、拉深等工艺实验，结果表明，通电对板材冲压成形性能的改善效果与材料是否存在纯电致塑性效应有密切关系，冲压成形性能改善的主要原因是热效应，而通电则是快速局部加热塑性变形区的一种有效手段。电脉冲辅助弯曲回弹实验结果表明，不论材料是否存在纯电致塑性效应，通电都能有效地抑制弯曲后的回弹，根据应力松弛模型推导的回弹角预测模型能给出准确的预测结果。电脉冲辅助滚轮包边实验结果表明，通电能有效地改善室温下塑性较差的镁合金的包边性能。电脉冲辅助翻孔实验结果表明，材料的翻孔性能随温度升高而改善。电脉冲辅助拉深实验结果表明，AZ31镁合金板的拉深性能主要是随温度升高而改善，而DP980高强钢板的拉深性能则未随着通电而改善。本项目研究有助于推动电致塑性成形技术的应用和推进轻型材料在汽车制造业中的应用。