金屬橡膠輥壓成形工藝及力學(xué)性能關(guān)聯(lián)分析

李昂熙， 薛新， 白鴻柏

(福州大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院, 福建 福州 350108)

0 引言

金屬橡膠是一種由金屬絲線相互鉤連且具有一定空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的多孔材料， 它不僅具有傳統(tǒng)橡膠高彈性、 大阻尼的特點(diǎn)， 而且因?yàn)槠浠臑榧兘饘伲?具有耐高溫、 耐腐蝕、 承載能力強(qiáng)等更高的服役性能. 針對目前金屬橡膠普遍采用模具冷沖壓成形工藝的單一性和尺寸局限性[1-2]， 提出采用輥壓成形制備平板狀金屬橡膠， 毛坯在制備過程中受到與沖壓方式不同的變形路徑， 勢必導(dǎo)致金屬橡膠內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)的差異性， 進(jìn)而影響其力學(xué)性能.

目前大部分學(xué)者對金屬橡膠成形工藝的研究主要集中在金屬絲材質(zhì)與毛坯纏繞方式上. 盧成壯等[3]對比兩種金屬絲制成的金屬橡膠的疲勞強(qiáng)度， 認(rèn)為單相奧氏體鋼絲能更好地提高金屬橡膠的疲勞強(qiáng)度. 郝慧榮等[4]研究非圓截面金屬絲金屬橡膠， 認(rèn)為采用非圓截面絲能較好地改善金屬橡膠阻尼性能. 洪杰等[5]研究一種記憶合金金屬橡膠， 不僅具有金屬橡膠高阻尼的優(yōu)點(diǎn)， 還具有突出的單向形狀記憶效果.金屬橡膠力學(xué)性能是其細(xì)觀結(jié)構(gòu)的綜合體現(xiàn)， 如何通過科學(xué)的定量化表征技術(shù)， 揭示結(jié)構(gòu)-性能之間的映射關(guān)系成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)和挑戰(zhàn). 國內(nèi)外學(xué)者先后提出懸臂梁、 曲梁和微元彈簧等本構(gòu)模型[6-8]. 黃凱等[9-10]、 Ren等[11]通過建立金屬橡膠空間彎曲螺旋線參數(shù)化方程和有效的結(jié)構(gòu)模型， 研究金屬橡膠材料非線性剛度特性及能量耗散機(jī)理. 馬艷紅等[12]通過對金屬橡膠試件的熱穩(wěn)定性的數(shù)值模擬分析， 提出金屬橡膠熱膨脹模型.

本研究對比分析輥壓與沖壓兩種金屬橡膠試件的細(xì)觀結(jié)構(gòu)， 并探究細(xì)觀結(jié)構(gòu)與宏觀力學(xué)性能的關(guān)聯(lián)性. 另外， 通過工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)， 確定輥壓成形優(yōu)選參數(shù)， 為輥壓成形制備平板狀金屬橡膠提供一定的工程應(yīng)用價(jià)值.

1 平板狀金屬橡膠制備工藝

金屬橡膠材料的傳統(tǒng)沖壓工藝主要包括4個(gè)工序: 1) 繞制螺旋卷； 2) 螺旋卷拉伸； 3) 制備毛坯； 4) 壓力成形(圖1). 金屬螺旋卷相關(guān)參數(shù)見表1， 金屬橡膠的結(jié)構(gòu)尺寸為長60 mm， 寬60 mm， 高度4 mm.

圖1 金屬橡膠沖壓成形工藝Fig.1 Stamping process for metal rubber

本研究提出的金屬橡膠輥壓成形工藝基于旋轉(zhuǎn)軋輥與金屬橡膠毛坯之間的摩擦， 將毛坯拖入間隙中， 并承受均勻的軋輥載荷而產(chǎn)生塑性變形的過程， 如圖2所示. 軋輥在徑向壓力N的作用下， 產(chǎn)生垂直于N的切向摩擦力T. 作用點(diǎn)處的徑向力N和切向力T可分解為水平分量Nx和Tx以及垂直分量Ny和Ty. 考慮兩個(gè)軋輥的作用， 垂直分力Ny與Ty對毛坯起壓縮作用， 使金屬橡膠毛坯產(chǎn)生塑性變形.Nx與Tx作用在水平方向上，Nx與毛坯水平運(yùn)動(dòng)方向相反， 阻止毛坯進(jìn)入軋輥輥縫中， 而Tx與毛坯運(yùn)動(dòng)方向一致， 主要作用是將毛坯拖入軋輥中.

圖2 金屬橡膠輥壓成形原理及設(shè)備 Fig.2 Schematic diagram of the rolling process for metal rubber and the used rolling equipment

2 三維建模及有限元分析

為探究成形工藝對金屬橡膠試件內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)的影響， 采用ABAQUS有限元軟件對兩種工藝的成形過程進(jìn)行有限元仿真. 根據(jù)試件的細(xì)觀結(jié)構(gòu)建立金屬橡膠材料的模型. 金屬絲結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)依照表1進(jìn)行設(shè)置， 其中溫度20 ℃， 楊氏模量為194.020 GPa， 泊松比為0.3, 沖壓模具及輥壓設(shè)備采用剛體模型. 由于成形過程中螺旋金屬絲的彈性變形遠(yuǎn)小于其塑性變形， 仿真時(shí)忽略其彈性變形， 所以對其采用剛塑性模型. 螺旋金屬絲與模具和軋輥之間的摩擦系數(shù)為0.2. 由于輥壓時(shí)毛坯在厚度方向上關(guān)于中心面對稱， 為提高分析效率， 在仿真時(shí)只對上軋輥和毛坯1/2模型進(jìn)行分析.

影響金屬橡膠構(gòu)件成品質(zhì)量的因素包括輥壓壓下率、 毛坯進(jìn)料方向和軋輥轉(zhuǎn)速等. 壓下率定義為輥壓壓下量Δh與毛坯輥壓前的高度H之比的百分?jǐn)?shù)， 即(Δh/H)×100(%)， 如圖3所示. 毛坯進(jìn)料方向分為0°、 45°和90°， 如圖4所示， 這里提到的進(jìn)料方向定義為金屬螺旋卷纏繞方向與軋輥旋轉(zhuǎn)切線方向之間的夾角. 此外， 軋輥轉(zhuǎn)速分為150、 300與450 r·min-1. 采用對照試驗(yàn)確定最優(yōu)工藝參數(shù).

圖3 輥壓示意圖Fig.3 Rolling diagram

圖4 進(jìn)料方向示意圖Fig.4 Schematic diagram of rolling direction

圖5所示為沖壓成形過程仿真. 在滑移階段毛坯只發(fā)生豎直方向的位移， 金屬絲之間堆疊鉤連并相互咬合， 此時(shí)螺旋金屬絲并未發(fā)生明顯的變形. 當(dāng)載荷逐漸增加， 螺旋金屬絲發(fā)生塑性變形. 持續(xù)保壓一段時(shí)間后， 金屬絲之間保持交叉鉤連的狀態(tài). 卸載后金屬絲單元產(chǎn)生一定的回彈并最終保持成形狀態(tài). 圖6為輥壓成形過程仿真， 在軋輥的載荷作用下， 大多數(shù)螺旋金屬絲不僅產(chǎn)生豎直方向的塑性變形， 而且螺旋結(jié)構(gòu)發(fā)生較大角度的變化. 輥壓后螺旋金屬絲同樣也產(chǎn)生一定位移的回彈， 并最終保持鉤連狀態(tài).

圖5 沖壓成形過程仿真Fig.5 Finite element analysis of stamping process

圖6 輥壓成形過程仿真Fig.6 Finite element analysis of rolling process

3 金屬橡膠準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能測試和表征

薄壁平板金屬橡膠的準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能試驗(yàn)在天辰WDW-200型電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行. 該試驗(yàn)機(jī)位移分辨率為1 μm， 移動(dòng)速度可在0.01～500 mm·min-1調(diào)節(jié)， 速度控制精度1%， 最大試驗(yàn)力為200 kN. 試驗(yàn)前， 對試件進(jìn)行循環(huán)多次加載和卸載， 以保證其力學(xué)性能的穩(wěn)定性[13]. 本次準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能試驗(yàn)采用力控制且最大壓縮載荷為2 kN， 加載保壓30 s后卸載， 準(zhǔn)靜態(tài)加卸載過程如圖7所示.

圖7 準(zhǔn)靜態(tài)加卸載試驗(yàn)Fig.7 Quasi-static loading and unloading tests

金屬橡膠的典型加載和卸載曲線如圖8所示. 金屬橡膠能量耗散的微觀機(jī)制一般認(rèn)為是由于金屬橡膠材料中線匝之間相對滑動(dòng)產(chǎn)生的干摩擦導(dǎo)致的. 可根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得出金屬橡膠的損耗因子和剛度等力學(xué)性能參數(shù). 損耗因子η表征了金屬橡膠的阻尼效果， 加載與卸載所圍成的面積可理解為循環(huán)過程中耗散的能量ΔW， 遲滯回線中線下方的面積為一個(gè)循環(huán)中存儲的最大能量U[14]. 金屬橡膠材料的剛度Ki是指在力-位移曲線上第i點(diǎn)的斜率， 其定義為：

(1)

式中：Fi+1、Fi-1分別為第i點(diǎn)前后的靜載荷， kN；Xi+1、Xi-1分別為第i點(diǎn)前后對應(yīng)的靜變形值， mm.

根據(jù)式(1)可計(jì)算得到每個(gè)i點(diǎn)的剛度， 但由于金屬橡膠剛度曲線并不光滑， 如圖9所示, 為更好地比較剛度的規(guī)律變化， 本文對剛度曲線進(jìn)行多項(xiàng)式擬合. 由擬合結(jié)果可看出， 金屬橡膠剛度呈非線性增加， 具有較好的線彈性特征. 本研究采用位移為0.4 mm時(shí)的剛度作為金屬橡膠的彈性表征量.

圖9 金屬橡膠剛度曲線Fig.9 Stiffness curve of metal rubber

4 結(jié)果與討論

4.1 成形工藝對試件準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能的影響

圖10(a)是根據(jù)準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制得到的載荷-變形曲線， 可以看出， 輥壓試件的滯回曲線低于沖壓試件. 圖10(b)為計(jì)算得到的試件損耗因子和剛度. 從力學(xué)性能結(jié)果可以看出， 兩種工藝制備的金屬橡膠在阻尼耗能方面差異并不大， 但輥壓成形試件的剛度明顯小于沖壓成形試件.

圖10 沖壓與輥壓兩種試件準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果Fig.10 Quasi-static mechanical test results of stamping and rolling specimens

為探究金屬橡膠細(xì)觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能之間的關(guān)聯(lián)性， 將兩種金屬橡膠試件在鎢燈絲掃描電子顯微鏡上進(jìn)行觀察. 圖11為兩種試件在厚度方向觀察的結(jié)果圖像及螺旋金屬絲空間結(jié)構(gòu)示意圖. 可以看出， 兩種試件結(jié)構(gòu)差異性主要表現(xiàn)在孔隙度和螺旋金屬絲的空間結(jié)構(gòu)上. 沖壓工藝制備的試件在結(jié)構(gòu)上為緊密排列的單層螺旋卷， 而輥壓工藝制備的試件， 在厚度方向上金屬絲呈現(xiàn)多層次結(jié)構(gòu)， 層次之間會(huì)有明顯孔隙. 由文獻(xiàn)[15]可知， 螺旋金屬絲在成形壓力作用下存在3種接觸狀態(tài)， 即螺旋金屬絲未接觸、 滑移接觸和擠壓接觸. 孔隙度的增加會(huì)使輥壓試件結(jié)構(gòu)相對松散， 進(jìn)而在準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)試驗(yàn)中， 金屬絲接觸狀態(tài)的轉(zhuǎn)變時(shí)間更長， 但金屬絲之間的接觸數(shù)量不變， 所以兩種工藝試件的損耗因子沒有產(chǎn)生較大差異.

圖11 金屬橡膠厚度方向微觀結(jié)構(gòu)Fig.11 Microstructure of metal rubber in the normal direction

剛度的差異性主要由于結(jié)構(gòu)中螺旋金屬絲的承載機(jī)理不同. 沖壓成形過程中在模具的約束下， 毛坯內(nèi)部的螺旋金屬絲只發(fā)生垂直方向的位移變化， 線圈所在平面與水平面之間的角度呈近乎90°. 沖壓試件可認(rèn)為是受徑向載荷的微彈簧結(jié)構(gòu). 輥壓制備時(shí)， 水平分力Nx會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與進(jìn)料方向相反的力矩， 使試件內(nèi)部金屬絲單元的傾斜角度變化較大， 可以認(rèn)為材料是軸向受載的微彈簧結(jié)構(gòu).

根據(jù)兩種工藝試件在試驗(yàn)中微彈簧承載機(jī)理的不同， 分析其對剛度的影響. 取試件中一段螺旋彈簧分析， 假設(shè)微彈簧后端固定， 前端受到徑向載荷Pr作用時(shí)， 在距離作用端ξ處取一分析點(diǎn)A.

可以根據(jù)彈簧理論和力學(xué)理論推導(dǎo)出當(dāng)螺旋卷彈簧受到徑向載荷時(shí)的剛度為：

(2)

當(dāng)螺旋卷彈簧受到軸向載荷Pz， 同樣可以推導(dǎo)出彈簧軸向剛度為

圖12是根據(jù)式(2)～(3)繪制的兩種剛度與螺旋角的關(guān)系曲線. 從圖12中可看出， 在彈簧的螺旋角小于40°時(shí)， 其徑向剛度大于軸向剛度， 根據(jù)彈簧理論得出螺旋角在20°左右. 因此， 這種結(jié)構(gòu)的差異性使沖壓成形的試件在剛度上大于輥壓試件.

圖12 受載螺旋微彈簧的軸向與徑向剛度 Fig.12 The axial and radial stiffness of the micro- spring under loading condition

4.2 壓下率對試件準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能的影響

不同壓下率制備的金屬橡膠試件損耗因子和軋制力仿真結(jié)果如圖13所示， 由圖13(a)可看出， 采用小壓下率進(jìn)行多道次輥壓的金屬橡膠能得到更好的減振效果. 從13(b)可看出， 軋制力與每道次的壓下率成正比. 這是因?yàn)樵谳亯哼^程中， 隨著壓下率的增加毛坯表面出現(xiàn)加工硬化且變形抗力增大，軋制力隨之增加. 軋制力的增加會(huì)破壞金屬螺旋卷的相互鉤連， 使相互摩擦的金屬絲數(shù)量減少， 導(dǎo)致?lián)p耗因子降低.

圖13 壓下率對損耗因子及軋制力的影響Fig.13 Effect of reduction rate on loss factor and rolling force

4.3 軋輥轉(zhuǎn)速與進(jìn)料方向?qū)υ嚰?zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能的影響

圖14為不同輥壓轉(zhuǎn)速和毛坯進(jìn)料方向制備的金屬橡膠損耗因子測試結(jié)果， 由圖14可知， 轉(zhuǎn)速和進(jìn)料方向?qū)饘傧鹉z阻尼性能影響不明顯， 可從軋制力的仿真結(jié)果看出. 軋輥轉(zhuǎn)速與進(jìn)料方向?qū)堉屏]有產(chǎn)生明顯的影響， 如圖15. 這是由于輥壓過程中， 壓下率沒有改變， 轉(zhuǎn)速和進(jìn)料方向?qū)γ髟诤穸确较虻淖冃魏妥冃慰沽τ绊懞苄。?金屬橡膠毛坯中金屬絲單元的變形情況大部分保持一致.

圖14 軋輥轉(zhuǎn)速和進(jìn)料角度對損耗因子的影響Fig.14 Effect of rolling speed and rolling angle on loss factor

圖15 軋輥轉(zhuǎn)速和進(jìn)料角度對軋制力的影響Fig.15 Effect of rolling speed and rolling angle on rolling forcer

5 結(jié)語

1) 兩種制備工藝對金屬橡膠的阻尼性能影響不明顯， 對剛度影響較大. 輥壓試件的剛度明顯低于沖壓試件， 其更適用于低剛度的工作條件.

2) 隨著壓下率的降低， 試件的損耗因子呈上升趨勢. 采用多道次小壓下率進(jìn)行輥壓， 可以有效降低軋制力， 改善金屬絲的鉤連狀態(tài)和接觸緊密度， 提高試件的減振效果.

3) 軋輥轉(zhuǎn)速和毛坯進(jìn)料方向沒有對試件的細(xì)觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響， 進(jìn)而對軋制力和損耗因子影響不明顯. 轉(zhuǎn)速的增加可以提高薄壁平板金屬橡膠的制備效率， 進(jìn)料方向可優(yōu)化試件的外形尺寸.