沖頭表面毛化形貌參數(shù)對板料杯突值影響的試驗(yàn)

符 昊，楊燁剛，符永宏，王 浩，楊守軍

（江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212013）

沖頭表面毛化形貌參數(shù)對板料杯突值影響的試驗(yàn)

符 昊，楊燁剛，符永宏，王 浩，楊守軍

（江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212013）

對鋼球沖頭進(jìn)行激光毛化處理，在表面得到不同幾何參數(shù)的球冠狀毛化形貌，將其在杯突試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行杯突試驗(yàn)，考察沖頭表面不同毛化形貌參數(shù)對杯突值的影響規(guī)律.結(jié)果表明：隨著鋼球表面毛化形貌參數(shù)和分布的改變，板材的杯突值隨之變化.經(jīng)激光毛化處理的鋼球沖頭，其板材的杯突值減小，最大減小幅度達(dá)7.99%；破裂圓的直徑增加，破裂關(guān)鍵點(diǎn)遠(yuǎn)離球頂，向外移動(dòng)最大距離為2.125 mm；未拉裂杯突試驗(yàn)成形件在球頂和破裂圓之間的厚度大于未造型鋼球.球頂板料的厚度隨著杯突值的減小而增加，厚度最大增加幅度為8.26%，造型后半球形件最薄處厚度的增加幅度達(dá)到2.81%.

激光毛化；球冠狀；杯突試驗(yàn)；杯突值；模具

在金屬板料沖壓成型過程中，板料與模具間的摩擦特性對板料的成型性能有重要影響，如直接影響成形件厚度均勻性、回彈等.近年來，作為表面改形改性技術(shù)，激光毛化技術(shù)在軋輥表面得到廣泛應(yīng)用［1］.激光毛化技術(shù)能夠提高工件表面的潤滑效果、抗磨損能力及使用壽命，其表面不僅強(qiáng)度高、韌性好，而且表面粗糙度均勻可控［2］.對金屬塑性成型模具表面進(jìn)行改形和改性的激光毛化處理，不僅提高了模具表面的耐磨抗磨、潤滑減磨性能，延長模具的使用壽命，優(yōu)化成形工藝，并且還能提高成形工件的表面質(zhì)量和性能［3］.

杯突試驗(yàn)又被稱為埃里克森杯突試驗(yàn)，其融合了拉伸與脹形的工藝特點(diǎn)，是一種檢驗(yàn)金屬材料拉脹復(fù)合成形性能的方法之一［4］.關(guān)小軍等［5］研究發(fā)現(xiàn)，杯突成形過程中，板料杯突值和平均摩擦系數(shù)呈線性關(guān)系.楊俊等［6］發(fā)現(xiàn)在有潤滑的情況下，鍍鋅板的杯突試驗(yàn)值要比無潤滑情況下的數(shù)值大.

之前的研究均未涉及到將杯突試驗(yàn)中的沖頭進(jìn)行表面微織構(gòu)處理，而僅僅研究了在沖壓過程中杯突值的變化規(guī)律和板料的成形性能的變化［7］.為研究板料與模具這對摩擦副間的摩擦情況，本研究首次將激光毛化處理技術(shù)應(yīng)用于杯突試驗(yàn)中的沖頭上，并進(jìn)行杯突試驗(yàn)，通過試驗(yàn)研究揭示激光毛化形貌對杯突值的影響規(guī)律，為減少成形件的拉裂失效提供試驗(yàn)依據(jù).

1　試驗(yàn)方案

試驗(yàn)根據(jù)GB/T 4156—2007《金屬材料薄板和薄帶埃里克森杯突試驗(yàn)》的要求進(jìn)行，以保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性以及可比性［8］.即用球頭凸模將周邊被凹模與壓邊圈壓住的金屬薄板頂入凹模，形成半球形凸起，直至半球形凸起頂部出現(xiàn)裂紋為止，所測量的杯突深度即為杯突值.

試驗(yàn)采用鋼球代替標(biāo)準(zhǔn)沖頭，以便在鋼球上進(jìn)行激光毛化.在本課題組積累的大量激光毛化工藝試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，選取較優(yōu)的激光毛化工藝參數(shù)，造型方案如表1所示.激光毛化工藝參數(shù)分別為①泵浦電壓380 V，離焦量0，脈沖寬度1.0 ms，脈沖頻率4，未吹氣；②泵浦電壓400 V，離焦量0，脈沖寬度1.3 ms，脈沖頻率4，未吹氣；③泵浦電壓420 V，離焦量0，脈沖寬度1.3 ms，脈沖頻率4，未吹氣.圖1為球冠狀毛化形貌示意圖.圖2為球冠狀毛化形貌圖.圖3為毛化后的鋼球以及未造型鋼球.

表1　鋼球沖頭表面激光毛化處理方案

圖2　球冠狀毛化形貌

圖3　毛化后的鋼球以及未造型鋼球

試驗(yàn)選用的板料為冷軋鋼板，厚度為1.5 mm，按照GB/T 4156—2007要求，裁成90 mm×90 mm.鋼球材料為軸承鋼，直徑為20 mm，表面硬度為60 HRC.

杯突試驗(yàn)前，試樣表面用酒精清洗并吹干，試驗(yàn)環(huán)境溫度為20℃，相對濕度為30%，壓邊力為10 kN，沖壓速度為10mm·min-1，共7個(gè)鋼球，每個(gè)鋼球沖壓3次，測得杯突值，最后取平均值.拉裂后的沖壓成型件如圖4所示.隨后選取0號、1號、6號鋼球，控制沖壓深度為14 mm，再各沖壓一次，未拉裂沖壓成形件如圖5所示.

圖4　拉裂后的沖壓成形件

圖5　線切割后未拉裂沖壓成形件

2　不同激光毛化形貌的影響及分析

2.1對板料杯突值的影響

圖6為不同鋼球毛化方案所對應(yīng)的杯突值.

圖6　不同毛化方案所對應(yīng)的杯突值

由圖6可知，0號球?yàn)楣饣丛煨驮嚇?，其沖壓后板材的杯突值最大，經(jīng)過激光毛化處理后，板材的杯突值均減小，但減小程度不一，最大減小幅度達(dá)7.99%.杯突試驗(yàn)融合了拉伸與脹形的工藝特點(diǎn)，但由于試驗(yàn)設(shè)置的壓邊力為10 kN，因此，法蘭部分被壓邊圈壓住而不參與變形.在沖壓過程中，凸模與板料之間存在著相對滑動(dòng)，經(jīng)過激光毛化后的鋼球沖頭，表面形成很多規(guī)則凸起的球冠狀毛化點(diǎn)，這些毛化點(diǎn)增加了凸模與板料接觸面間的摩擦系數(shù)，且這些毛化點(diǎn)的硬度比基體材料的硬度大，在板料成形中形成了釘扎效應(yīng)和犁溝效應(yīng).一方面由于釘扎效應(yīng)而帶動(dòng)毛化點(diǎn)外部材料向內(nèi)流動(dòng)，另一方面阻礙了內(nèi)部材料向外流動(dòng)的趨勢.由于本試驗(yàn)主要是一個(gè)脹形的過程，且產(chǎn)生變形的材料體積是一定的，所以板料會(huì)較早產(chǎn)生破裂現(xiàn)象，即杯突值減小.

2.2對破裂圓直徑的影響

在半球形件成形過程中，板料上最易發(fā)生破裂的部位為板料上處于平面應(yīng)變狀態(tài)的點(diǎn)，這些點(diǎn)稱為破裂關(guān)鍵點(diǎn)［9］.破裂關(guān)鍵點(diǎn)的位置受諸多因素的影響，其中，壓邊力和潤滑條件是比較重要的影響因素.一般情況下，隨著壓邊力的增加和凸模潤滑條件的改善，破裂關(guān)鍵點(diǎn)會(huì)向外移動(dòng)，而隨著凹模潤滑條件的改善又會(huì)向內(nèi)移動(dòng).圖4中由沖頭沖壓至一定深度時(shí)，發(fā)生拉裂現(xiàn)象所產(chǎn)生的圓即為破裂圓.就半球形件而言，破裂關(guān)鍵點(diǎn)的位置會(huì)隨著球頭沖頭和凹模表面各區(qū)域摩擦系數(shù)的變化而變化.隨著球頭表面摩擦系數(shù)的增加，破裂關(guān)鍵點(diǎn)的位置會(huì)遠(yuǎn)離球頂［10］，拉裂處圓的直徑會(huì)增加［11］.圖7為不同毛化鋼球破裂處圓直徑大小.

圖7　不同毛化鋼球破裂處圓直徑大小

由圖7可知，經(jīng)激光毛化處理過的球頭沖頭，其半球形件的破裂圓直徑明顯比光滑未造型試樣所得半球形件的破裂圓直徑大.即破裂關(guān)鍵點(diǎn)隨著摩擦系數(shù)的增加而遠(yuǎn)離球頂區(qū)域，破裂關(guān)鍵點(diǎn)向外移動(dòng)最大距離為2.125 mm，破裂圓直徑增加幅度最大達(dá)到35.24%.鋼球沖頭被激光毛化處理后，其表面形成了凸起的硬質(zhì)點(diǎn)，在沖壓成型過程中，阻礙了材料流動(dòng)，并產(chǎn)生了犁溝效應(yīng)和釘扎效應(yīng)，球頂處板料厚度增加，破裂關(guān)鍵點(diǎn)遠(yuǎn)離球頂，即破裂圓直徑增加.

2.3對未拉裂杯突試驗(yàn)成形件厚度的影響

試驗(yàn)選取0號、1號、6號鋼球，控制沖壓深度為14 mm.圖8為沿著直徑切開后所測得的板料厚度分布，其中“0”刻度為球頂位置.

顯然，由圖8可知，杯突值從大到小排列為0號、1號、6號.球頂板料的厚度隨著杯突值的減小而增加，最大增幅為8.26%.板料最薄處，即上述提及的破裂關(guān)鍵點(diǎn)，也隨著杯突值的減小而遠(yuǎn)離球頂，向外移動(dòng).同時(shí)，半球形件最薄處的厚度，也是隨著杯突值的減小而增厚，最薄處厚度的變化幅度達(dá)到2.81%.即經(jīng)過激光毛化處理后的鋼球沖頭所沖壓出的半球形件的厚度分布更加均勻.由此可知，3個(gè)鋼球摩擦系數(shù)大小排序?yàn)?號、1號、0號.6號的摩擦系數(shù)比1號大的原因是其毛化形貌凸起高度比1號高，從而在沖壓中，產(chǎn)生的釘扎效應(yīng)和犁溝效應(yīng)更加明顯，增大了摩擦力，阻礙材料流動(dòng).

圖8　沿測量路徑厚度分布規(guī)律

3　結(jié) 論

1）經(jīng)激光毛化處理后的鋼球沖頭，其表面形成規(guī)則的球冠狀毛化點(diǎn)，沖頭摩擦系數(shù)增加.在相同試驗(yàn)條件下，板料的杯突值隨著凸模與板料間摩擦系數(shù)的增加而減小.

2）杯突試驗(yàn)過程中，激光毛化的沖頭沖壓得到的板材杯突值減小，最大減小幅度達(dá)7.99%；半球形件內(nèi)表面有明顯的釘扎效應(yīng)，破裂圓直徑增加，最大增幅達(dá)35.24%；破裂關(guān)鍵點(diǎn)遠(yuǎn)離球頂處，向外移動(dòng)最大距離為2.125 mm；球頂板料的厚度隨著杯突值的減小而增加，厚度最大增幅為8.26%，造型后半球形件最薄處厚度增幅為2.81%.

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（責(zé)任編輯 趙 鷗）

Influence exPeriment of Punch laser texturing morPhology on sheetmetal erichsen value

Fu Hao，Yang Yegang，F(xiàn)u Yonghong，Wang Hao，Yang Shoujun
（School of Mechanical Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang，Jiangsu 212013，China）

Steel ball punch surface were laser textured to acquire sombrero shaped textureswith different geometric parameters.The cup drawing experiments were conducted on microcomputer screen automatic cup drawing testmachine.The influence of texture parameters on erishen valuewas investigated.The results show that the erishen values change with the texture parameters and distribution on steel ball punch surface.The erishen value of steel ball punch is decreased after laser textured treatment with themaximum decline of 7.99%.With the increasing of rupture circle diameter，failure key point removes away from the top of ballwith themaximum distance outward moving of 2.125 mm.The thickness of no cracking cup drawing forming parts between ball top and rupture circle is greater than that of smooth ball. The thickness of sheetmetal on ball top is increased with the decreasing of erichsen value，and the thickness of themaximum increasing reaches8.26%.The thickness of hemispherical part at the thinnest point is increased by 2.81%after laser texturing.

laser texturing；sombrero shaped textures；cup drawing experiment；erichsen value；mold

TG76

A

1671-7775（2015）04-0461-04

符 昊，楊燁剛，符永宏，等.沖頭表面毛化形貌參數(shù)對板料杯突值影響的試驗(yàn)［J］.江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2015，36（4）：461-464.

10.3969/j.issn.1671-7775.2015.04.016

2014-04-09

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51175233）；江蘇省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（BE2010060）；江蘇省科技成果轉(zhuǎn)化專項(xiàng)（BA2010068）；江蘇省高?？蒲谐晒a(chǎn)業(yè)化推進(jìn)項(xiàng)目（JHB2011-39）；江蘇省“六大人才高峰”項(xiàng)目（08-B-04）；高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金資助項(xiàng)目（20113227110016）

符 昊（1988—），男，江蘇南通人，博士研究生（fh0602@sina.com），主要從事模具表面摩擦特性的主動(dòng)設(shè)計(jì)制造的研究.楊燁剛（1988—），男，江蘇蘇州人，碩士研究生（通信作者，yezileaf@yeah.net），主要從事模具表面摩擦特性的主動(dòng)設(shè)計(jì)制造的研究.