鍍鋅板圓盤剪分切過程材料形變機理研究*

曾 軍，路家斌，閻秋生

（廣東工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，廣東廣州 510006）

0 前言

隨著IT、電工電訊、辦公機器、五金制品等行業(yè)的迅速發(fā)展，作為制造業(yè)重要組成部分的金屬制品加工產(chǎn)業(yè)正在蓬勃發(fā)展，綠色低碳經(jīng)濟的發(fā)展需求對金屬板材分切加工技術(shù)提出了更高要求[1]。深入理解圓盤剪分切加工過程材料的塑性流動規(guī)律及剪切斷裂機理，對優(yōu)化金屬板材分切加工工藝參數(shù)、提高分切斷面形狀和尺寸精度具有重大意義。

金屬板材分切加工過程變形復(fù)雜，且集中于剪切區(qū)域的局部材料之中，一般難以實時追蹤觀察材料的變形狀態(tài)。對剪切加工過程中材料流動和剪切機理的研究主要有實驗研究和有限元數(shù)值模擬研究等方法，實驗研究通常分階段對剪切加工過程中材料的組織形貌進行跟蹤研究，隨著計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，有限元模擬方法已成為研究材料變形和斷裂機理的有效方法。孫坤等[2]實驗研究了剪切過程中TC6鈦合金不同組織的塑性流動和剪切帶的形成機理，結(jié)果表明等軸組織絕熱剪切帶的形成是位錯增殖、運動及塞積的結(jié)果，而網(wǎng)籃組織絕熱剪切帶的形成則是動態(tài)再結(jié)晶的結(jié)果。何昌煒等[3]對DP800的沖壓成形過程和裂紋擴展機理進行了實驗研究，發(fā)現(xiàn)DP800的斷口均分布著大量韌窩的韌性斷裂，其裂紋擴展機理是產(chǎn)生于鐵素體或馬氏體/鐵素體相界面的裂紋沿兩相界面或貫穿鐵素體而繼續(xù)擴展。Sartkulvanich等[4]應(yīng)用DEFORM-2D仿真研究了DP590薄鋼板的沖裁和擴孔過程，發(fā)現(xiàn)沖裁過程中材料的塑性流動和應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)對沖裁斷面有重要影響。Thip?prakmas等[5]應(yīng)對45號鋼精密沖裁斷面的形成機理進行實驗研究和仿真分析，結(jié)果表明仿真能夠準(zhǔn)確地預(yù)測撕裂斷面和二次剪切面的形成。

金屬板材圓盤剪精密分切工藝同沖裁工藝有相似之處，均屬于塑性大應(yīng)變變形過程，研究方法理應(yīng)可以借鑒。本文實驗研究了不同徑向重疊量時剪切區(qū)域金相組織和分切斷面特征區(qū)域的組織微觀形貌，采用DEFORM-2D有限元軟件對分切加工過程中等效應(yīng)力和主應(yīng)變分布進行了仿真分析，深入研究了分切加工過程中材料的塑性流動規(guī)律及剪切斷裂機理。

1 分切過程的有限元仿真

1.1 分切加工原理

圖1 圓盤剪分切加工原理圖

對于厚度為0.1～3 mm的金屬板材卷料縱向分切一般采用上下成對圓盤刀滾剪加工[1]，其加工原理如圖1所示。c和δ分別是上下圓盤刀之間的軸向間隙和徑向重疊量。在分切過程中，上下圓盤刀以相反的方向旋轉(zhuǎn)，將金屬板材以圓盤刀周向速度逐漸卷入，刃口剪切區(qū)域的金屬板材先后發(fā)生彈性變形和塑性剪切滑移，最終產(chǎn)生裂紋并貫穿后導(dǎo)致材料分離[6]。

1.2 有限元建模

鍍鋅板圓盤剪分切加工的DEFORM-2D建模如圖2所示，實驗所用的1.6 mm DX51D+Z型鍍鋅薄鋼板由攀鋼集團生產(chǎn)，材料成分見表1。板材采用各向同性Hollomon硬化模型，材料性能如表2所示，性能參數(shù)通過WAW-300型電子萬能試驗機拉伸試驗結(jié)果擬合而得[7]。

圖2 圓盤剪分切加工建模

表1 DX51D+Z型鍍鋅板化學(xué)成分

表2 DX51D+Z型鍍鋅板材料性能

橡膠環(huán)墊由橡膠圈和鋼圈組成，板材分切過程中，橡膠圈通過其彈性變形對板材提供壓板力，使剪切過程穩(wěn)定，并保證金屬板材不發(fā)生過度翹曲變形[1]。橡膠圈材料性能參數(shù)為：邵氏硬度90 HA，彈性模量22.6 MPa，泊松比0.495。

為平衡計算時間與精度，設(shè)定圓盤刀、鋼圈為剛體，鍍鋅板為塑性體，橡膠圈為彈性體，并對鍍鋅板和橡膠圈的局部網(wǎng)格細(xì)化分。針對鍍鋅板剪切區(qū)域網(wǎng)格進行細(xì)化，網(wǎng)格密度分別設(shè)定為0.001、0.01、1，針對橡膠圈與板材表面接觸的區(qū)域網(wǎng)格進行細(xì)化，網(wǎng)格密度分別設(shè)定為0.01、1，細(xì)化后的網(wǎng)格分布如圖2所示。各相鄰部件之間的接觸類型設(shè)定為剪摩擦，摩擦系數(shù)見表3。

表3 各相鄰部件間摩擦系數(shù)

為精確模擬裂紋的形成、擴展及合并，需要確定鍍鋅板的斷裂準(zhǔn)則，本文采用Ayada韌性斷裂準(zhǔn)則來預(yù)測鍍鋅板裂紋的產(chǎn)生。

式（1）中：σˉ——等效應(yīng)力；

σm——靜水應(yīng)力；

εf——材料發(fā)生斷裂時的等效塑性應(yīng)變；

C——材料的臨界破壞值，C=0.5。

2 圓盤剪分切加工實驗研究

2.1 分切加工實驗

圖3 金屬板材圓盤剪分切加工實驗裝置

圓盤剪分切加工裝置如圖3所示，實驗加工條件見表4。為研究分切加工過程中剪切區(qū)域內(nèi)材料的流動規(guī)律，需保證分切加工后板材不會被剪斷，故實驗中設(shè)置了徑向重疊量為負(fù)值。分切后的板材用線切割機床沿平行于剪切方向切取試樣，經(jīng)研磨、機械拋光、腐蝕后在Keyence VHX600型超景深顯微鏡下觀察試樣斷面形貌及金相，并在S-3400型掃描電鏡下觀察分切面顯微形貌，以研究剪切斷裂機理。

表4 圓盤剪分切加工實驗條件

2.2 實驗與仿真結(jié)果對比

文獻[1]表明圓盤剪分切斷面形貌特征主要有塌角、剪切帶、斷裂帶、毛刺和撕裂角，軸向間隙是影響斷面形貌的最主要因素。由于在分切和制樣過程毛刺容易脫落，且尺寸很小，本文暫不考慮毛刺特征。分切實驗和仿真的斷面形貌如圖4（a）所示，從圖中可看出，在軸向間隙為0.02 mm時，剪切帶高度占了板厚的75%，塌角和斷裂帶所占比例均較小，撕裂角難以精確測量，本文暫不定量研究撕裂角特征。斷面形貌特征測量的實驗值和仿真值對比見圖4（b），由圖可見仿真結(jié)果與實驗有較好的一致性，因此可以采用有限元仿真較準(zhǔn)確地模擬鍍鋅板圓盤剪分切加工。

圖4 圓盤剪分切斷面形貌的實驗與仿真對比

3 分切過程材料流動與剪切機理分析

3.1 分切過程剪切區(qū)域材料流動規(guī)律

板材在圓盤剪分切加工過程中，金屬的受力和變形情況非常復(fù)雜，剪切區(qū)域金屬是在拉、壓的綜合作用下成形[1]。由第四強度理論(畸變能密度理論)可知，當(dāng)材料的等效應(yīng)力超過某一極限值(ss)時，材料將發(fā)生屈服，產(chǎn)生塑性變形。金屬材料在再結(jié)晶溫度以下塑性變形時，晶粒發(fā)生錯動，出現(xiàn)位錯的纏結(jié)，使晶粒拉長、破碎和纖維化[6]。而鍍鋅板分切過程中材料的塑性流動直觀地體現(xiàn)在金相組織的變化上，因此可結(jié)合鍍鋅板在分切過程中金相組織、等效應(yīng)力和主應(yīng)變的分布特點來研究板材剪切區(qū)域材料塑性流動的規(guī)律。

分切前鍍鋅板金相組織如圖5所示，不同徑向重疊量下分切加工后刃角附近板材金相組織、主應(yīng)變和等效應(yīng)力分布見圖6。從圖5和圖6中各圖可見，最大等效應(yīng)力等高線、最大主應(yīng)變均集中在刃角附近，刃角附近板材塑性流動最強，晶粒纖維化最明顯。隨著徑向重疊量的增加，即圓盤刀切入加深，刃角附近等效應(yīng)力逐漸增加，晶粒纖維化程度增加，同一數(shù)值的等效應(yīng)力等高線水平范圍稍有增長，豎直范圍擴展明顯，而晶粒細(xì)化范圍的擴展出現(xiàn)同樣特征。由此可知刃角附近板材的晶粒纖維化程度和范圍的變化可由其等效應(yīng)力的分布來判斷。

圖6 不同徑向重疊量時刃角附近板材金相組織(左)、主應(yīng)變分布(中)和等效應(yīng)力分布(右)

圖5 分切加工前鍍鋅板金相組織

圖7 分切斷面掃描電鏡觀測區(qū)域

進一步分析圖6中刃角附近板材主應(yīng)變分布和金相組織可發(fā)現(xiàn)，隨著徑向重疊量的增加，刃角附近板材主應(yīng)變的大小逐漸增加，主應(yīng)變方向愈趨豎直，而對應(yīng)區(qū)域晶粒細(xì)化程度增加，拉長方向同樣趨向豎直。這表明刃角附近板材的晶粒纖維化程度和方向的變化可由主應(yīng)變的大小和方向來判斷。

3.2 分切斷面剪切機理

研究表明，當(dāng)材料的應(yīng)變達(dá)到一定值時，材料內(nèi)部便會產(chǎn)生微觀空穴，隨著應(yīng)變的繼續(xù)增加，空穴將會成長、合并，最終產(chǎn)生微裂紋。因此研究分切斷面中剪切帶和斷裂帶代表性區(qū)域（圖7中a、b、c矩形區(qū)域）的微觀形貌（圖8，圖中虛線表示剪切帶與斷裂帶的分界）可以揭示分切斷面在剪切過程中的形成機理。

從圖8可以看出，剪切帶中空穴的形貌為圓形、條狀孔洞，斷裂帶空穴則為深淺不一的韌窩。由圖8a可見初生剪切帶斷面密布有細(xì)小空穴，近似圓形。隨刀具切入深度增加，空穴尺寸增大，而形狀越發(fā)不規(guī)則，出現(xiàn)條狀、鋸齒狀邊緣，空穴密度增加，見圖8b所示。這是因為，當(dāng)?shù)毒咔腥氚宀臅r刃角附近板材發(fā)生塑性流動，晶粒產(chǎn)生位錯的滑移，開始形成剪切帶，同時晶粒在剪切應(yīng)力的作用下沿應(yīng)變方向拉長變形，當(dāng)應(yīng)變達(dá)到一定值時產(chǎn)生微觀空穴。分切斷面的剪切帶不同區(qū)域的空穴形貌從側(cè)面反映了剪切過程中空穴在板材內(nèi)部的萌生、長大和合并的過程?？昭ㄗ銐虼髸r成為微裂紋，裂紋擴展產(chǎn)生韌性斷裂，形成斷裂帶。斷裂帶斷口密布深淺不一的韌窩，韌窩尺寸相比空穴尺寸明顯增大，均表現(xiàn)為沿剪切方向伸展（見圖8b和c），而越靠近毛刺側(cè)，韌窩的形貌越不清晰（圖8c），這表明裂紋的擴展路徑沿剪切方向稍有偏移，從而導(dǎo)致斷面成形后剪切帶和斷裂帶所在平面呈一微小撕裂角（見圖2）。

4 結(jié)論

（1）鍍鋅板圓盤剪分切斷面形貌特征主要有塌角、剪切帶、斷裂帶、毛刺和撕裂角。仿真同實驗結(jié)果非常吻合，說明有限元仿真可以準(zhǔn)確地模擬鍍鋅板圓盤剪分切加工過程。

圖8 不同區(qū)域微觀組織形貌

（2）結(jié)合實驗與仿真分析了不同重疊量時刃角附近板材金相組織、主應(yīng)變和等效應(yīng)力分布。研究發(fā)現(xiàn)刃角附近板材的塑性流動最為劇烈，隨著圓盤刀的不斷切入，等效應(yīng)力、主應(yīng)變的強度和范圍逐漸增加，晶粒細(xì)化程度和范圍也逐漸增加，而主應(yīng)變方向愈趨豎直，晶粒拉長方向亦愈趨豎直。因此，可根據(jù)板材分切過程中等效應(yīng)力和主應(yīng)變的分布來判斷晶粒的纖維化程度、范圍和方向。

（3）觀察研究了分切斷面中剪切帶和斷裂帶的組織微觀形貌，發(fā)現(xiàn)板材分切斷面的形成過程是大量微觀空穴萌生、成長、合并和裂紋傳播的結(jié)果。裂紋沿與剪切方向稍有偏移的方向擴展，導(dǎo)致了撕裂角的成形。

［1］路家斌，潘嘉強，閻秋生.不銹鋼薄板圓盤剪分切過程有限元仿真研究［J］.機械工程學(xué)報，2013，49（9）：190-198.

［2］孫坤，王富恥，程興旺，等.TC6鈦合金不同組織絕熱剪切帶的形成機理［J］.稀有金屬材料與工程，2009（1）：34-37.

［3］何昌煒，謝震，章哲，等.800MPa級DP鋼沖壓成形及裂紋擴展機理［J］.塑性工程學(xué)報，2013，20（1）：121-125.

［4］Sartkulvanich P，Kroenauer B，Golle R，et al.Finite el?ement analysis of the effect of blanked edge quality upon stretch flanging of AHSS［J］.CIRP Annals-Manufactur?ing Technology，2010，59（1）：279-282.

［5］Thipprakmas S，Jin M，Kanaizuka T，et al.Prediction of Fineblanked surface characteristics using the finite ele?ment method （FEM）［J］.Journal of Materials Process?ing Technology，2008，198（1-3）：391-398.

［6］潘嘉強，路家斌，閻秋生.圓盤剪切工藝有限元仿真研究［J］.機電工程技術(shù)，2012（10）：117-122.

［7］李堯.金屬塑性成形原理［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2010.